JP3839060B2 - 光集積化フィールド幅トランスフォーマ - Google Patents

Description

本発明は、導波層により相互に分離された、サブストレート上の複数のバッファ層と、上方バッファ層に配置された一定のリブ幅の埋め込まれていないリブ導波路とから構成された光集積化フィールド幅トランスフォーマであって、前記リブ導波路は、チップ側、ファイバ側インターフェース間にテーパ付領域を有する当該のトランスフォーマに関する。
光集積回路素子では光導波路の接続の際に横断面変化が生じる。急激な移行遷移を回避するためには、伝搬する光波は、拡開又は集束するようなビーム拡がりの変化を受けなければならない。付加的にフォトニック回路を光ファイバと結合する際、伝搬像は相互にその形状が適合されるべきである。光集積化導波路において、伝搬像は、回転対称形態のファイバにて狭細な横になっている、横座りの楕円の形状を有する。埋め込まれていないリブ光導波路ではこのような楕円形状を阻止することはできないが、光導波路にてフィールドを広げることにより、伝搬像をファイバに対する適合損失がごく僅かになるように拡大できる。
光導波路接合部及びファイバと光導波路とのカップリングの問題を、一連の刊行物が扱っている。例えば、ＤＥ４１０３８９６Ｃ１及びＤＥ４１４２８５０Ａ１である。そこでは、図３から図５参照のこと。本発明が基礎とする従来技術は下記刊行物から公知である。
“Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ２１ｓｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＥＣＯＣ’９５， Ｂｒｕｅｓｓｅｌ， ＢＥ， Ｐａｐｅｒ Ｔｕ Ｐ２２． １９９５，“Ｕｎｃｌａｄｄｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔａｐｅｒｓ ｗｉｔｈ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ ｒｉｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｉｂｒｅ−ｃｈｉｐ ｂｕｔｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ”， Ｍｏｒｌ ｅｔ ａｌ．前記フィールド幅トランスフォーマは、モード整合の際の１ｄＢの低損失を実現するという要求も、有利なコストで製造できるようにするという要求も満たしている。リブ光導波路のテーパ付領域によって、垂直方向での伝搬像のずれ及び水平及び垂直方向でのフィールド幅変化が行われる。このことを実施するだけですでに、ＴＥ偏波に関して最適化を実現することができる。チップ-ファイバの結合損失は、ＴＥ成分に関してはほぼ２ｄＢであるが、ＴＭ成分に関しては数ｄＢ高い。
本発明が取り扱う技術的問題は、既に達成された利点のほかに、フィールド幅トランスフォーマの偏波非依存性を生じさせることである。
本発明によれば、冒頭に述べた形式のフィールド幅トランスフォーマにおいて、ファイバ側インターフェースからテーパ付領域まで延在する次のようなセクションが形成されている。すなわち、リブがファイバ側インターフェースまで延長されており、導波層は完全に除去されており、露出されたバッファ層は連続的なリブに対して対称的に、リブ幅ｗ₁より大きい幅ｗ₂に絞られ低減されているセクションが形成されている。
このような構成によって、本発明のフィールド幅トランスフォーマは光伝搬方向に無関係に動作するので、チップ-ファイバ結合用の双方向の光学的コンポーネントである。従来技術に比して新規に作成されたセクションは付加的なリブを有し、該リブは、以下でＴＭフォーカシングリブと称される。このＴＭフォーカシングリブは、次のようにして形成される。すなわち、リブの直ぐ下方にある導波層の除去後、連続的なリブの両側にて露出されたバッファ層が該リブに対称的に側方領域にてバッファ層の下にある導波層まで除去されることにより形成される。ＴＭフォーカシングリブにより、ＴＭ成分においても、ファイバの回転対称形状に対して伝搬層の最適な適合が達成され、つまり当該の配置構成は、低いモード適合損失を維持しつつ偏波非依存性で動作するようになる。明らかになったところでは、光導波路がフィールド幅トランスフォーマ全体に亘って単一モード状態に保たれ、場合により起こり得るビーム損失は、有意な影響を及ぼさない。付加的な作製コストは、本発明の基礎となる従来技術と異なって、唯一の更なる構成ステップにのみ限定され、作製コストに大して影響を及ぼさない。
露出されたバッファ層の幅が低減されているセクションの本発明による構成との関連でも本発明の固有の意義を有するのは、テーパ付き領域がランプとして形成される構成である。このランプは、長手方向に連続的に変化する傾きと、露出されたバッファ層に対して連続的な接合部とを有する。それにより、この領域の長さを必要最低限度に制限し、とりわけ、垂直方向である伝搬像のずれの際の改善を達成できる。
本発明及び本発明の実施形態にとって基本的に重要であるのは、バッファ層が、サブストレートの方向に向かうにつれて層高さが増大するように形成されることである。よって、前記構成は、次のことをも意味する。即ち、バッファ層間の導波層がＴＭフォーカシングリブの下方で増大する間隔を有していることと、ＴＥ成分及びＴＭ成分の双方に最適の伝搬を保証することを意味する。
本発明の実施形態を、以下図を用いて説明する。
図１は、本発明のフィールド幅トランスフォーマの斜視図である。
図２は、本発明が基礎とする従来技術によるフィールド幅トランスフォーマの斜視図である。
図３は、図１のフィールド幅トランスフォーマの縦断面図である。
図４は、図３の縦断面図にてマーキングした個所のフィールド像の概念図である。
図５は、テーパ付領域おけるＴＥ成分及びＴＭ成分の結合損失及びスポット寸法に関連する特性図である。
図６は、連続的なリブの重要なパラメータの決定に関する特性図である。
図１に示すフィールド幅トランスフォーマ１（以下ＦＷＴと称する）は、ファイバ側インターフェース２とチップ側インターフェース３を有する。フィールド幅トランスフォーマは、サブストレート４上に形成された複数のバッファ層のシーケンス５から成り、該複数のバッファ層のシーケンス５は、導波層６により相互に分離されている。サブストレート４と下方の導波層６との間の層は、技術上の理由から、少なくともバッファ層５と類似の材料から成る。これらのバッファ層５の層高さｄ ₁ ，ｄ ₂ ，ｄ ₃ は、サブストレート４の方向に向かって増大していく。したがって、導波層６の間隔も同じように増大する。
上方のバッファ層５上には、導波層７と連続的なリブ８が設けられており、該連続性リブ８は幅Ｗ１及び高さｈで構造化されている。バッファ層５は、ＩｎＰから成り、すべての導波層６，７及び連続的なリブ８は、ＩｎＧａＡｓＰから成る。導波層７及び連続的なリブ８は、一体的に構成される。
長手方向で、ＦＷＴ１は、３つのセクションを有する。ＦＷＴ１の構成は、チップ側インターフェース３２隣接するセクションでは、結合すべきチップ又は既に集積化されたチップの構成と同一である。中央セクションにテーパ付領域９が設けられており、該テーパ付領域では導波層７の厚さｔが変化し、ランプ１０として構成されている。該ランプ１０は、長手方向で連続的に変化する勾配を有し、露出されたバッファ層５に対して連続的な移行部を有する。領域におけるランプの最も大きな勾配は、チップ側インターフェース３の方向に位置する側に存在する。テーパ付領域９ではパラボリック状ランプ１０は、連続的なリブ８にその輪郭にて適合接合する。テーパ付領域９とファイバ側インターフェース２との間の第３セクションにて、導波層７が完全に除去されている。ここで、上方バッファ層５は、連続性リブ８により被われた表面を除いて露出されており、連続的なリブ８に対称的に幅Ｗ２に低減されている。上方バッファ層５の残留する残部は、付加的な短いリブ１２を形成する。この短いリブ１２は、ＴＭフォーカシングリブと称される。連続的なリブ８の幅Ｗ１及び高さｈは、すべてのセクションに亘って一定の寸法を有する。
従来技術に対する本発明のＦＷＴの差異を、図２を用いて示す。公知のＦＷＴは２つの領域のみを有する。一方の領域はファイバ側インターフェースに隣接しており、平坦な傾斜したランプを有するテーパ付領域として構成されている。他方の領域は、チップ側接続部に隣接している。本発明において重要なＴＭフォーカシングリブを有するセクションは、従来技術において記載されてもいなければ示唆されていない。
図３は、図４の図示内容と密接な関連を有する。図３の中央縦断面図は、ＦＷＴ１の全長に亘りファイバ側インタフェース２とチップ側インターフェース３との間で延在する連続的なリブ８、中央領域にてテーパ付けされた導波層７並びに交替するバッファ層５及び導波層６を示す。この中央縦断面図にてＴＭフォーカシングリブ１２の後縁が破線で示されている。
図４におけるフィールド分布の表示内容は、ファイバ側インタフェース２ないしはチップ側インターフェース３の平面及びテーパ付領域９の中央に関する。チップ側インターフェース３では、光波は基本的に導波層７で連続的なリブ８の下方で、わずかなフィールド幅を以て導波される。テーパ付領域９に関して示されたフィールド分布は、垂直方向及び水平方向の拡開と、水平方向でのフィールド分布の重心のずれとを示す。ファイバ側のインターフェース２では光波は、大きなフィールド幅を以て導波される。このようなフィールド分布によって、光波の偏波非依存性の結合が保証される。
図５及び図６に示すダイヤグラムは、本発明におけるＦＷＴにおける連続的なリブ８の選定に用いられる。ここで、図５のダイヤグラムでは、波長λ＝１．０６μｍに対する第４級材料が基礎とされている。前記ダイヤグラムの上方領域は、ＴＥ成分に対して成り立ち、下方領域は、ＴＭ成分に対して成立つ。バッファ層は、ｄ₁＝０．７μｍ， ｄ₂＝１，８５μｍ， ｄ₃＝３，１５μｍ（ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃ 図１参照）の厚さのものが基礎とされている。
単位ｎｍの導波層７の厚さｔに依存して、それぞれ、水平方向ｄｘ及び垂直方向ｄｙのスポット直径及びモード適合に基づく損失が示されている。小さな層厚ｔの場合、ｄｙは、導波層６の位置により予め決められた一定の値に接近する。これに対して、ｄｘは著しく上昇するが、切れ目（“カットオフ”）を有さない。それというのは、導波層７，８は横方向に対称的に構成されているからである。それに対して、モード適合においてＴＥ成分およびＴＭ成分に関して発生する損失の最小値は、厚さｔの種々異なる値のもとで表れる。ＴＥ成分及びＴＭ成分に関する損失特性カーブは、３５ｎｍのもとで交差し、そこで、ほぼ２ｄＢのモード適合損失を呈する。
ｔ＝３５ｎｍのもとでのＴＥ成分およびＴＭ成分の損失カーブの交点を利用する代わりに、本発明の実施形態では、両偏波の各々が相互に無関係に相異なって扱われる。先ず垂直方向のテーパ部により、ＴＥ偏波された光波に対する損失は、１．７ｄＢになるが、ＴＭ偏波された光波に対する損失は、３．２ｄＢとなる。それというのは、ＴＭ成分に対するスポットサイズは、過度に大きいからである。付加的なリブ１２によって、ＴＭ成分に対するスポットサイズをも減少させるので、この付加的なリブ１２はＴＭフォーカシングリブと称される。その結果として、モード適合損失が総じて１．１ｄＢとなり、ＴＥ偏波及びＴＭ−偏波において等しくなる。
本発明によるＦＷＴ１の作製に関してはまず、テーパ輪郭を垂直にエッチングして形成する際に、テーパ部が偏光無依存性を有する厚さを精確に達成するために満たさなければならないトレランス要求が小さいという利点が挙げられる。第４級材料の層はテーパの終端部にて、その下方に位置するＩｎＰ層まで完全に除去されており、当該の層は除去に対する検出層として用いられる。偏波に依存しない同様の損失は、導波層６およびＴＭフォーカシングリブ１２が変更されずに維持される限り、幅Ｗ１及び材料組成が異なる連続的なリブ８のための本発明の実施形態で実現することができる。図６の実線は、連続的なリブ８の幅Ｗ１が２μｍで設定されておりモード整合の損失が１ｄＢである場合の、連続的なリブ８の高さｈと材料組成との関係性を示している。破線では、連続的なリブ８の幅Ｗ１も、可変のパラメータとして前提される。次に選定例のデータを挙げる。
材料 ＧａｌｎＡｓＰ／ｌｎＰ
第４層 λ_Ｑ＝１．０６μｍ
連続的なリブ８ ｗ₁＝２．２μｍ，ｈ＝０．６μｍ
付加的なリブ１２ ｗ₂＝１０μｍ，ｄ₁＝０．７μｍ
導波層６ ０．１μｍ厚
バッファ層５ ｄ₁＝０．７μｍ，ｄ₂＝１．８５μｍ， ｄ₃＝３．１５μｍ
テーパランプ 連続的な傾斜変化を伴う構成

Claims (3)

1. 導波層（６）により相互に分離された、サブストレート（４）上の複数のバッファ層（５）と、上方のバッファ層（５）上に配置された一定のリブ幅（Ｗ１）の埋め込まれていないリブ導波路（７，８）とから構成された光集積化フィールド幅トランスフォーマであって、
   前記リブ導波路（７，８）は、導波層（７）およびリブ（８）から成り、チップ側インタフェース（３）とファイバ側インターフェース（２）との間にテーパ付領域（９）を有し、
   該テーパ付領域（９）の幅は一定であり、該テーパ付領域（９）の厚さは、ファイバ側のインタフェース（２）に向かってランプ形状で薄くなっていくように形成された光集積化フィールド幅トランスフォーマにおいて、
   該ファイバ側のインタフェース（２）からテーパ付きの領域（９）まで延在する次のような部分（１１）が設けられており、すなわち、該リブ（８）がファイバ側のインタフェース（２）まで続き、前記リブ導波路（７，８）の導波層（７）は完全に除去されており、露出しているバッファ層（５）は連続的なリブ（８）に対して対称的に、リブ幅（ｗ₁）より大きな幅に低減されている部分（１１）が設けられており、露出しているバッファ層（５）の層厚（ｄ₁）が該リブ（８）の層厚（ｈ）より実質的に下回らないようにされていることにより、光波のＴＭ成分を導波および制限するための、前記部分（１１）から成る付加的なＴＭフォーカシングリブが形成され、
   該ＴＭフォーカシングリブによってＴＭ偏光およびＴＥ偏光の結合損失が等しくなり、偏光非依存性が達成されるように構成されていることを特徴とする、光集積化フィールド幅トランスフォーマ。
2. テーパ付領域（９）は、ランプ（１０）として構成され、
   該ランプ（１０）は、長手方向で連続的に変化する勾配と、露出しているバッファ層（５）への連続的な移行部とを有することを特徴とする、請求の範囲１記載の光集積化フィールド幅トランスフォーマ。
3. 複数のバッファ層（５）は、サブストレート（４）の方に向かって増大する層高さ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を以て構成されていることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の光集積化フィールド幅トランスフォーマ。

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