JPH10274719A

JPH10274719A - 光デバイス

Info

Publication number: JPH10274719A
Application number: JP10021654A
Authority: JP
Inventors: Yuan P Li; ピー．リーユアン
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 1998-10-13
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: DE69800019D1; EP0856755A1; US5745618A; EP0856755B1; JP3338356B2; DE69800019T2

Abstract

(57)【要約】【課題】光デバイスにおいて挿入損失を減らす技術を
提供する。【解決手段】スラブ導波路の一方の側に結合した１又
は複数の入力導波路と、及びスラブ導波路の他方の側に
結合した出力導波路のアレイとを有する光デバイスは、
スラブに直接隣接している転換領域を備える。このスラ
ブは、導波路アレイとスラブ導波路の間の挿入損失を減
らすように動作する。転換領域は、導波路アレイを横切
る多くのシリカパスを有する。シリカパスは、スラブ導
波路から離れるに従って次第に減少する幅を有する。本
発明の実施例において、シリカパスはお互い平行であ
り、横切る導波路アレイと直角である。シリカパスは、
スラブ導波路と導波路アレイの屈曲率と同じ屈曲率を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入力及び／又は出
力ポートに導波路のアレイを有する光デバイスの挿入損
失を減らす技術に関し、特に、良好につながっていない
導波路のアレイを有する前記技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバーネットワークは、音声、動
画、データ信号を分配するためにますます重要になって
いる。このようなシステムは一般に、中央局から出て、
対応する遠隔端末において終端する多くのフィーダファ
イバを伴う。ファイバツーザホーム又はファイバツーザ
カーブシステムにおいて、光信号は、これらの遠隔端末
のそれぞれから多くの光ネットワークユニットへとファ
イバを介して送信する。いろいろなネットワーク設計構
造が遠隔端末と光ネットワークユニットの間に信号を伝
送するために提案されている。ある一般的なアーキテク
チャは、フィーダと分配ファイバの間に信号を交換する
ために受動的光分岐デバイスを使う。これは、パワーを
必要としないので特に望ましい。しかしながら、各分岐
デバイスが信号損失をもたらしてしまうため、及び分岐
デバイスは大きい光ネットワークでは縦続（カスケー
ド）にされるために、多数の需要家に光信号を分配する
能力は、分岐デバイスに対応する信号損失のために制限
されてしまう。

【０００３】重要な分岐装置として、導波路がスラブ導
波路の反対側上に放射状に位置するような光「スターカ
プラ」がある。本明細書で用いるように、「スラブ導波
路（以下、「スラブ」とする）」とは、平面の導波路を
意味する。このスラブ導波路は、入力導波路と出力導波
路の間に光波伝送をサポートする同じ長さの別の導波路
それぞれの面積と比較して大きい。スラブの一方の側の
入力導波路からスラブへ入る光パワーは、他方の側の出
力導波路に伝えられる。（理想的には、この光パワーは
出力導波路の全てに等しく分配される。）Ｍ×Ｎスター
カプラでは、例えば、各入力導波路が運んだ光パワーは
スラブを横切って伝送され、一般にアレイ状に配置され
るＮの出力導波路の間で分配される。しかし、もし出力
アレイの導波路がよくつながっていなければ（アレイ導
波路の間のギャップのために「Dragone」ルータのスタ
ーカプラにおいてよく起こる）、アレイとスラブの間の
接合へ光が散乱するためにパワーの損失がある。このよ
うな損失はルータの挿入損失の大部分を占める。

【０００４】Dragoneルータのような、光デバイスの挿
入損失を減らす技術は論文、Loss reduction for phase
d-array demultiplexers using a double etch techniq
ue, which was published in. Integrated Photonics R
esearch, Technical Digest Series, Vol. 6, April 29
- May 2, 1996で説明されている。この技術では、浅い
エッチング深さを有する転換領域をスラブとアレイ導波
路の間の接合に挿入する。隣接した導波路の間の結合は
改善し、結合損失は多少減少するが、より大きい挿入損
失の減少が望ましく、二重エッチング技術はプロセスス
テップを加えてしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術よ
りも更に光デバイスにおいて挿入損失を減らす技術を提
供することを目的とする。好ましくは、本技術は更なる
プロセスステップを要しない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明により、スラブ導
波路の一方の側に結合した１又は複数の入力導波路と、
及びスラブ導波路の他方の側に結合した出力導波路のア
レイとを有する光デバイスは、スラブに直接隣接してい
る転換領域を備える。このスラブは、導波路アレイとス
ラブ導波路の間の挿入損失を減らすように動作する。転
換領域は、導波路アレイを横切る多くのシリカパスを有
する。シリカパスは、スラブ導波路から離れるに従って
次第に減少する幅を有する。

【０００７】本発明の実施例において、シリカパスはお
互い平行であり、横切る導波路アレイと直角である。シ
リカパスは、スラブ導波路と導波路アレイの屈曲率と同
じ屈曲率を有する。一実施例では、光デバイスは、Ｍの
入力導波路とＮの出力導波路に光学的に結合するスラブ
導波路からなるＭ×Ｎスターカプラである。

【０００８】別の実施例では、光デバイスは密導波路分
割マルチプレクサ（ＤＷＤＭ：Dense Waveguide Divisi
on Multiplexer）であり、これは複数の非同一の長さの
導波路によって相互接続したＭ×Ｎスターカプラの対か
らなる。さらに別の実施例では、光デバイスは１×Ｎパ
ワースプリッタである。

【０００９】これらの実施例のそれぞれにおいて、挿入
損失を上述の転換領域の利用によって相当に減らすこと
ができる。例として、典型的なスターカプラの挿入損失
は約０.８ｄＢから約０.３ｄＢへと減らすことができ
た。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１には、周知のスターカプラを
示し、これは、いずれの入力ポートに入った光パワーを
全出力ポートへと分ける。スターカプラ１０１は、自由
空間領域１０を有し、これは２つの湾曲した、好ましく
は円形の境界１０ａと１０ｂを有する光スラブ導波路１
０からなる。入力導波路アレイ１５と出力導波路アレイ
１６の間のパワー転換がスラブ１０での放射によって達
成できる。これらの導波路アレイ１５、１６は仮想の焦
点に向かって放射状に構成していて、隣接した導波路の
間の相互の結合によって起こってしまう位相誤りを最小
限に抑えるためにスラブ１０から外に所定の距離対応す
るフォーカスが離れて位置する。これらの導波路アレイ
のそれぞれは、境界１０ａと１０ｂに沿ったほぼ同一の
方法でスラブ１０に結合する。このようなスターカプラ
は、後述するシリコン光ベンチ（ＳｉＯＢ）技術を使っ
て、単一のガラス基板の上に作られる。スターカプラ
は、平面光デバイスの技術者にはよく理解され、米国特
許第４９０４０４２号に説明してある。上述のように、
アレイとスラブの間の接合において光の散乱によるパワ
ー損失がある。このような損失は、挿入損失(insertion
loss)と称し、スターカプラ１０１の場合、動作波長
（λ）１.５５μｍにて損失は約０.８ｄＢになり、大き
すぎる。

【００１１】図２には、シリコン材料の複数のパスから
なる転換領域２２を有するスターカプラ２０１を示す。
概してお互いと平行な、挿入損失を相当に減らす出力導
波路２６を横切る。この転換領域２２を利用することに
より約０.８ｄＢから約０.３ｄＢまで挿入損失を減らす
ことができる。図１で示した従来技術のスターカプラで
は、総光入力パワーが１ｍＷであれば、総出力パワーは
０.８３２ｍＷである。しかし、図２で示したスターで
カプラでは、総入力パワーが１ｍＷであれば、総出力パ
ワーは０.９３３ｍＷである。この改善は、同じ装置で
より多くの需要家にをサービスをすることができる能
力、又は同じ数の需要家にサービスをするために必要な
装置の数を減らすことができる能力を意味する。

【００１２】ここで、図において、本発明を明確にする
ために寸法を無視して描いてある。例えば、転換領域２
２は導波路アレイ２６を横切るただ８つだけのシリカパ
スを有しているように示してあるが、好ましい実施例に
おいて、このようなパスは、２０〜４０、好ましくは３
０ある。さらに、転換領域２２はスラブ導波路２０から
相当な距離離れて延びているように示してある。転換領
域２２は、スラブから約０.０６ｃｍ離れて延びるだけ
であるのに対して、スターカプラでは、スラブ長さは通
常約０.５ｃｍ〜約２.０ｃｍまで入力と出力導波路の数
に依存して及ぶ。転換領域の幾何学的構成を表す前に、
光集積回路の構造に関する若干の背景を示す。

【００１３】シリコン光ベンチ（ＳｉＯＢ）技術最先端で最も技術的に開発されたプレーナ導波路は、Ｓ
ｉＯＢ技術で製造されたドープドシリカ導波路である。
ドープドシリカ導波路は、低コスト、低損失、低複屈
折、安定性、ファイバへの結合の互換性を含む多くの魅
力的な性質を持っているので通常好ましい。さらに、大
量生産が容易なシリコン集積回路（ＩＣ）技術と共存で
きるプロセスステップを用いることができる。

【００１４】一般に、ドープドシリカ導波路を、キャリ
ア基板上に初めに低屈折率シリカの基礎（低）クラッド
層を蒸着することによって形成する。この低クラッド層
は、通常シリコン又はシリカからなる。次に、高い屈折
率のドープドシリカ層（コア層）を、低クラッド層の頂
上に蒸着する。続いて、光電気回路によって集積回路製
造で使われるものと類似しているフォトリソグラフィー
技術を使って光回路に必要な構造へコア層をパターニン
グする。最後に、上クラッド層を蒸着し、パターニング
した導波路コアを覆う。この技術は、C. H. Henry et a
l.の米国特許第４９０２０８６号、及び"Glass Wavegui
des on Silicon for Hybrid Optical Packaging" Journ
al of Lightwave Technology, Vol. 7, No. 10, pp. 15
30-1539,October 1989に説明されている。

【００１５】全てのプレーナ光導波路の重要な性能とし
て、導波路の寸法（即ち、導波路コアの高さと幅）、及
び導波路のコアとクラッド層の間の屈折率の差（Δ）が
ある。高さ又はコアの厚さは、キャリア基板の上に蒸着
したコア材料の量によって決められる。コアの幅は、フ
ォトリソグラフィーマスクによって決められ、化学的エ
ッチングで落とされる。導波路のΔは、たいてい材料シ
ステムと製造プロセスによって決められる。実際は、多
くの種類の機能のために異なった導波路構造とシステム
を用い、コア寸法とΔの間でトレードオフして、光性能
の様々な点を最適化する。

【００１６】詳細には、Ｐドープド導波路を用い、それ
ぞれは、厚さが約７μｍのコアを有し、１５μｍの低ク
ラッド層上に横たわる。１５μｍの上クラッド層は導波
路コアを覆う。導波路コアの寸法は、強い光コンファイ
ンメントと低い伝搬損失のために、導波路がシングルモ
ードに留まるくらいは小さいが、可能な限り大きいよう
に選ぶ。同様に、転換領域からなるシリカパスは高さが
約７μｍであるコアを有する。その幅は約１８μｍ（ス
ラブから遠い）から約２μｍ（スラブの近くで）と多様
である。

【００１７】図３には、導波路２６が存在している領域
で寸法と材料を示すためにスターカプラ２０１の断面を
示す。基板２００は厚さ５００μｍのシリコンからな
る。クラッド層２７は波長（λ）１．５５μｍで屈曲率
約１.４４５であるシリカの１５μｍ層からなる。導波
路コアは概して四角形であり、その層厚と幅は約７μｍ
であり、λ＝１.５５μｍで屈曲率約１.４５４であるシ
リカからなる。導波路コア２６は、スラブ２０（図２参
照）での接合においてお互い最も近いように、距離約
２.５μｍ離れている。クラッド層物質より高い屈曲率
をコア物質が有すので、スネルの法則に従ってコアは光
波を導くことが可能になる。クラッド層２８は、クラッ
ド層２７と屈折率はほぼ同じであり、これがコア２６の
頂上に蒸着され、構造が完成する。

【００１８】図４には、スラブ導波路２０の領域の寸法
と材料を示すためにスターカプラ２０１の断面図を示
す。基板２００とクラッド層２７、２８に関しては、上
述した。スラブ導波路２０と、転換領域２２を構成する
（図２を参照する）シリカパスは、導波路コア２６と同
じ材料からなる。実際に、スラブと導波路コアは、転換
領域のシリカパスと同じステップで製造され、従って全
て同じ層厚を有する。転換領域におけるスラブ、導波路
コア、シリカパスの詳細な議論を下に述べる。

【００１９】図５は、スターカプラ２０１（図２参照）
の転換領域２２の拡大図である。図５は、転換領域から
なるシリカパスａ₁・・・ａ_nがスラブ２０から離れるに従
って次第に幅が小さくなっていることを示している。
（用語「シリカパス」は、屈曲率がスラブ２０と導波路
コア２６とほぼ同じであるコア材料のパスをいうと理解
される。）この特定のスターカプラのシリカパスの最適
な数は、わずか１０のシリカパスでも有意義な結果を達
成できたが、約３０であることを発見した。図５で示す
実施例では、シリカパスａ₁は、約１８μｍの幅を有
し、シリカパスａ_nは、約２μｍの幅を有する。さら
に、隣接したシリカパスの間の分離ギャップｓ₁・・・ｓ_n
は、スラブ２０から離れるに従って次第に大きくなる。
第１の分離ギャップs₁の幅Ｗは、約２μｍであり、分離
ギャップs_nの幅は、約１８μｍである。この実施例で
は、各パスａ_nを組み合わした幅２０１とその隣接した
分離ギャップs _nは、以下のように数学的に表現できる定
数である。Ｗ(ａ_n) + Ｗ(ｓ_n) = Λ （ 1 ≦ n ≦ 30 に対し
て）

【００２０】好ましい実施例において、周期（Λ）＝２
０μｍである。図５は寸法的に正確なスターカプラの図
ではない。シリカパスａ₁・・・ａ_n、導波路コア２６、ス
ラブ２０の相対的な大きさは、シリカパスの幅がスラブ
２０から離れるに従って次第に減少することがわかるよ
うに示してある。また、シリカパス、導波路、スラブ
は、同一平面上にあり同じ物質からなることを示してあ
る。図５において、シリカパスａ₁・・・ａ_nの幅は、線形
に減少している。しかし、従来技術よりも挿入損失を改
善する多くの多様な構成が可能である。例えば、Λは定
数である必要はなく、シリカパス幅は線形に減少する必
要はない。例えば、もしΛが定数であるように決める
と、周期Λに対するパス幅Ｗ（ａ_n）の比は、「デュー
ティサイクル」と考えることができる。さらに、このデ
ューティサイクルＷ（ａ_n）／Λは、コサイン、線形、
放物線状等の関数の関係によってスラブからの距離と関
連づけることができる。これらの関数関係は、図６のグ
ラフで図示した。しかし、本発明の利点を得るために従
うべき重要な要件は、シリカパスａ₁・・・ａ_nがスラブか
ら次第に離れるに従ってＷ（ａ_n）が減るようにすると
いうことである。

【００２１】図７には、多くの非同一の長さ導波路７６
０によって相互接続されたスターカプラ７０１、７０２
からなる密波分割マルチプレクサ（ＤＷＤＭ）７００を
示してある。各スターカプラは、その入力と出力導波路
アレイの間にスラブ導波路を有する。各アレイは、仮想
の焦点に向かって放射状に構成し、焦点はスラブから所
定の距離離れ、かつ、スラブの外に位置し、隣接した導
波路の間の相互結合によって起こる位相誤りを最小限に
抑えることができる。スターカプラ７０１では、アレイ
７１５とアレイ７１６の間のパワー転換はスラブ７１０
における放射によって達成される。これらの導波路アレ
イのそれぞれは、境界7１０ａと7１０ｂに沿ってそれぞ
れ実質的に同一の方法でスラブ７１０に接続している。
同様に、スターカプラ７０２で、アレイ７２５とアレイ
７２６の間のパワー転換はスラブ７２０で放射線経由で
達成されている。これらの導波路アレイのそれぞれは、
それぞれ境界７２０ａと７２０ｂに沿った方法とほぼ同
一の方法でスラブ７１０に接続している。

【００２２】グレーティング７６０の各導波路の長さ
は、グレーティングの他の全ての導波路の長さとは異な
り、所定の異なった位相シフトは、スターカプラ７０１
からグレーティングの導波路を通して伝搬する光信号に
適用される。なぜなら、グレーティングの出力に到達す
るためにグレーティング内の信号が移動しなくてはなら
ないパスの長さが異なるためである。従って、グレーテ
ィング７６０の導波路それぞれから出る光信号は異なっ
た位相を有し、これは導波路の長さの関数である。

【００２３】ＤＷＤＭ７００では、逆多重化（デマルチ
プレクス）が回折格子７６０を通して多重化信号を伝送
することによって達成できる。この回折格子７６０は、
個々の光の波長を分離し、それぞれをわずかに異なった
方向に回折する。多重化は、ＤＷＤＭ７００を逆に利用
することによって達成できる。（即ち、波長の全てが単
一の多重化光ビームとして本質的に現れるように、所定
の波長に依存する角度において回折格子を通して各波長
を光ることによって。）グレーティング機能は、複数の
異なる長さの導波路から作られた光学的に位相調整され
たアレイを使って達成できる。各導波路の長さは、隣接
する導波路と所定の長さ相違する。導波路は、端部分を
除いてほぼ全長を通して結合されていない。端部分で
は、導波路の間の強い相互結合が上述のように挿入損失
を減らすために望ましい。結合部分から結合していない
部分への転換は段階的であり、高次モード生成は無視で
きるようになる。導波路グレーティングアレイの動作の
議論は、米国特許第５００２３５０号で示されている。
さらに、米国特許第５１３６６７１号は、このようなＤ
ＷＤＭの一般的な設計を示している。このタイプのＤＷ
ＤＭ構造は、発明者の名を取って「ドラゴン(Dragon
e)」ルータとして知られている。転換領域７１、７２を
加えることによってＤＷＤＭ７００における挿入損失を
相当に減少できた。転換領域７１、７２の設計は、図５
で示した転換領域２２と同様である。

【００２４】パワースプリッタ１×Ｎパワースプリッタ
は、出力導波路の数（Ｎ）に分割される一入力導波路か
ら構成する。この構造はしばしば木の枝（ブランチ）に
似ているので、パワースプリッタはブランチスプリッタ
としてしばしば呼ばれる。図８に示すように、パワース
プリッタ８０１は、１つの入力導波路８５と複数の出力
導波路８６を有し、これらは全て、全入力パワーを出力
導波路８６に効率的に転換するように設計された導波路
領域８０に結合している。このような低損失光パワース
プリッタの設計は、米国特許出願第０８／６６０２４５
号（１９９６年６月７日出願）に記述されている。上述
のように、スラブ導波路は平面領域を表し、これは、同
じ長さの個々の導波路の面積と比較して広く、入力と出
力導波路の間の光波伝送をサポートする。従って、導波
路領域８０は、スラブ導波路と呼ぶ。

【００２５】パワースプリッタ８０１と関連する挿入損
失は、転換領域８２の利用によって減少する。この転換
領域８２は、スラブ導波路８０に直接隣接し、出力導波
路８６を横切る多くのシリカパスからなる。スラブ導波
路８０は、約５００μｍの長さを有し、この長さにわた
ってその幅は約７μｍから約１００μｍへと次第に増加
する。転換領域８２からなるシリカパスは一般に、お互
いと平行であり、スラブ導波路から離れるに従って次第
に減少する幅を有する。図８ではシリカパスを少ししか
示していないが、このようなパスをよりたくさん（例え
ば、３０）使うことが望ましい。転換領域８２の構造
は、図２〜６に関連して説明した転換領域２２の構造と
ほぼ同じである。

【００２６】本発明は、示した実施例以外でも多くの変
更例が可能である。これらの変更としてはは、スラブ導
波路の両面における転換領域の利用、転換領域からなる
シリカパスの幅を非線形方法により減少させること、転
換領域をアレイにおける導波路を全て用いないこと等が
ある。また、特許請求の範囲にて記した符号は、発明の
容易なる理解のためのみで、範囲を減縮させる意図はな
い。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、光デ
バイスにおいて挿入損失を減らす技術を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】多くの入力と出力ポートを有する従来技術の
「スターカプラ」を示す上視図である。

【図２】複数のシリカ材料のパスからなる転換領域を有
するスターカプラを示す上視図であり、出力ポートにお
いて挿入損失を減らすことができる。

【図３】図２のスターカプラの出力導波路を示す断面図
である。

【図４】図２のスターカプラのスラブの周辺を示す断面
図である。

【図５】図２のスターカプラの出力転換領域のパスの幅
が減少している部分を示す拡大図である。

【図６】パスの幅を次第に減少させる様々な技術を図示
する。

【図７】低い結合損失を有するスターカプラを利用して
いる密波分割マルチプレクサを記述する。それは本発明
の利用を通して達せられる。

【図８】低い結合損失を有するブランチパワースプリッ
タを記述する。それは本発明の利用を通して達せられ
る。

【符号の説明】

１０、８０光スラブ導波路１５、２５入力導波路アレイ１６、２６出力導波路アレイ２０スラブ導波路２２、７１、７２、８２転換領域２７、２８クラッド層８５入力導波路８６出力導波路アレイ１０１、２０１スターカプラ２００基板７００密波分割マルチプレクサ７０１、７０２スターカプラ７１０、７２０スラブ導波路７１５、７２６入力導波路アレイ７１６、７２５出力導波路アレイ７６０回折格子８０１パワースプリッタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 ＭｏｕｎｔａｉｎＡｖｅｎｕｅ, ＭｕｒｒａｙＨｉｌｌ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スラブ導波路の一方の側に結合した少な
くとも１つの入力導波路（２５、７１５、８５）、及び
そのスラブ導波路の他方の側に結合した出力導波路（２
６、７１６、８６）のアレイを有する光デバイス（２０
１、７０１、８０１）において、前記スラブ導波路に直
接隣接していて、かつ前記出力導波路アレイを横切る複
数（ｎ）のシリカパス（ａ₁・・・ａ_n）からなる転換領域
（２２、７１、８２）を有し、前記シリカパスの幅は、
前記スラブ導波路から離れるに従って次第に減少するこ
とを特徴とする光デバイス。
【請求項２】前記スラブ導波路（２０、７１０、８
０）と前記出力導波路アレイ（２６、７１６、８６）は
それぞれ、屈曲率がシリカパスの屈曲率に等しい光搬送
（コア）材料からなることを特徴とする請求項１の光デ
バイス。
【請求項３】シリカパス（ａ₁・・・ａ_n）の各対の間の
分離は、前記シリカパスより低い屈曲率を有し、前記分離ギャップ（ｓ₁・・・ｓ_n）の幅は、前記スラブ導
波路（２０、７１０、８０）から離れるに従って増加す
る。ことを特徴とする請求項１の光デバイス。
【請求項４】前記シリカパス（ａ₁・・・ａ_n）は、お互
い平行である。ことを特徴とする請求項１の光デバイ
ス。
【請求項５】前記シリカパス（ａ₁・・・ａ_n）は、前記
出力導波路アレイ（２６、７１６、８６）と直角である
ことを特徴とする請求項１の光デバイス。
【請求項６】各シリカパス（ａ₁・・・ａ_n）の幅は、前
記スラブ導波路（２０、７１０、８０）から離れるに従
って直線性を失うことを特徴とする請求項１の光デバイ
ス。
【請求項７】ｎ＞１０であることを特徴とする請求項
１の光デバイス。
【請求項８】複数の入力導波路（２５、７１５）と複
数の出力導波路（２６、７１６）を有するスターカプラ
からなることを特徴とする請求項１の光デバイス。
【請求項９】単一の入力導波路（８５）と複数の出力
導波路（８６）を有するブランチパワースプリッタから
なることを特徴とする請求項１の光デバイス。