(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各光学導波路がコア領域と、このコア領域内に光エネルギーを本質的に閉じ込めるクラッド材料（１６）とにより画成されるような複数の光学導波路を有する光学デバイスであって、該各導波路のコア領域が、温度上昇に伴ない増加する屈折率を有する第１の材料により画成される複数の第１の区画（１４）と、温度の上昇に伴ない減少する屈折率を有する第２の材料により画成される少なくとも１つの第２の区画（２０）とを含んでおり、該複数の第１の区画（１４）および該少なくとも１つの第２の区画（２０）が直列に接続されているような光学デバイスにおいて、
一対の第１の区画（１４）にはさみ込まれる該少なくとも１つの第２の区画（２０）を有する該複数の導波路からなる第１の導波路と、
複数の第１の区画（１４）と複数の第２の区画（２０）とを有する該複数の導波路から成る第２の導波路であって、第２の区画（２０）の各々が第１の区画（１４）の異なる対にはさみ込まれ、および該第１の導波路の第２の区画の数が該第２の導波路の第２の区画の数と異なっており、該クラッド材料（１６）が該第１および第２の導波路のコア領域をとり囲んでいるような第２の導波路と、
を含むことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１の区画（１４）が、シリカから成るものである光学デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の光学デバイスにおいて、
前記第２の区画（２０）が、エラストマ材料から成るものである光学デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
前記第１の導波路の少なくとも１つの区画（２０）が複数の第２の区画（２０）であり、および前記第１の導波路の各第２の区画（２０）が該第１の導波路の第１の区画（１４）の異なる対にはさみ込まれている光学デバイス。
【請求項５】
請求項３に記載の光学デバイスにおいて、
前記エラストマ材料の屈折率の温度に対する変化の比率が、シリカのそれの−１０倍から−４０倍の範囲にある光学デバイス。
【請求項６】
光学デバイスを製造する方法において、
直列に接続され、光エネルギーを伝送することのできる複数の第１の区画および少なくとも１つの第２の区画（１４、２０）を有するコア領域によって画成される導波路であって、該コア領域が、そのコア領域内に光エネルギーを本質的に閉じ込めるクラッド（１６）によりとり囲まれており、該コア領域の第１の区画（１４）が温度上昇に伴ない屈折率が増加する第１の長さの材料を含む導波路を複数個形成するステップと、
該コア領域の該第１の区画の材料の一部分をエッチングで除去し、エッチングで除去された部分を、屈折率が温度上昇に伴ない減少するような材料の第２の区画（２０）で置換して、該第２の区画（２０）の各々が該第１の区画（１４）の異なる対にはさみ込まれるようにし、これにより該導波路が温度補償されるようにするステップであって、該複数個の導波路のそれぞれの第２の区画（２０）が、導波路毎に異なる数を有するように形成されるステップと、
クラッディング（１６）を該第２の区画（２０）上に設けるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
前記第１の区画（１４）が、シリカから成るものである方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、
前記第２の区画（２０）が、エラストマ材料から成るものである方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば導波路グレーティングルータ（ＷＧＲ）と波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）のような、光学デバイスにおける温度に起因するスペクトラムシフトを受動的に低減する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に光学波長多重化および分離化は、従来はスターカプラの入力と導通する近接して配置された複数の入力導波路を有する相互接続装置を用いて実現されていた。このスターカプラの出力は、一連の光学導波路を有する光学グレーティングと導通している。この各光学導波路は、隣接する導波路と所定量だけその長さが異なるよう構成されている。このグレーティングは、第２のスターカプラの入力に接続され、この第２のスターカプラの出力がスイッチ装置，多重化装置，分離化装置の出力を構成する。このような相互接続装置の例は、米国特許第５，００２，３５０号、第５，１３６，６７１号、第５，４１２，７４４号に開示されている。
【０００３】
このような相互接続装置の形状は、相互接続装置の個別の入力ポートに入射する複数の個別の波長が、複数の出力ポートのうちの所定の１つに現れるようにしている。このようにしてこの相互接続装置は、多重化機能を実現している。同時にまたこの同一の装置が分離化の機能も実現している。このような状況においては、入力波長は他の波長から分離され、相互接続装置の複数の出力ポートのうちの所定の１つのポートに向けられている。入力波長を適切に選択することにより、ある入力ポートとある出力ポートとの間の切り換えが行われる。したがってこれらの相互接続装置は、周波数ルーティングデバイス（ＷＧＲ）または波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）とも称する。
【０００４】
理想的には、これらのＷＧＲとＷＤＭの光学デバイスの動作は、幅広い環境条件に亘って予測でき、かつ一定のものでなければならない。しかし、実際にはこのような装置の動作性能は、装置が配置される周囲温度の変動に大きく影響される。
【０００５】
具体的に説明すると、既存のＷＧＲ設計の波長スペクトラムは、少なくとも２つの理由により温度（Ｔ）によりシフトする。第１の理由は、ｎが導波路材料の屈折率を表すとすると、ｄｎ／ｄＴ≠０だからであり、第２の理由は、熱膨張即ちｄＬ／ｄＴ（ここでＬは長さを表す）も同様にゼロではないからである。
【０００６】
今日まで温度変化に余り敏感でないような光学デバイスを製造するのに用いられている技術は、ＷＧＲの波長スペクトラムを安定化させるための温度コントローラを有するヒータを用いている。ところがこのような設計は高価であり電力が容易には得られないようなアプリケーションでは実用的ではない。さらにまた半導体技術では、異なるｄｎ／ｄＴを有する導波路領域を含む温度に不感性の半導体製のＷＧＲが発表されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の技術的進歩の観点からまた実際の設計からも、温度変化に無関係となるような光学波長フィルタデバイスを製造する必要性がある。これは導波路グレーティングルータ、そしてこれは今日では高密度のＷＤＭシステムのマルチプレクサを補償する場合にもあてはまる。さらにまたシリコン製の光学ベンチルータは、様々な次世代の光波ネットワーク（Next Generation lightwave Networks−ＮＧＬＮ）の一部品であり、家庭までのファイバのアクセス（Fiber-to-the-Home −ＦＴＴＨ）のネットワーク用に用いることも計画されていることを考えるとＷＧＲのような温度補償機能を有する光学デバイスは、これらのネットワークにとって極めて必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、温度補償機能を有する光学導波路を提供する。光学導波路は、光エネルギを伝送するコア領域と、このコア領域内に光を閉じ込めるためにコア領域を包囲するクラッド層から構成される。さらにこのコア領域の第１部分は、その屈折率が温度の上昇と共に増加する材料製の第１長さを有する。本発明によれば、このコア領域の第２部分は、温度の上昇と共に屈折率が低下する材料製の第２長さを有する。
【０００９】
本発明の一実施例によれば、複数の導波路を有する光学デバイスは、温度補償機能を有する導波路を有し、その性能を温度変化とは無関係に維持するものである。本発明の一実施例によれば、ＷＧＲのような光学デバイスは、少なくとも１つの入力導波路を有する第１自由空間領域と、少なくとも１つの出力導波路を有する第２自由空間領域とを有する。
【００１０】
さらにまた複数の不等長の導波路は、この第１自由空間領域と第２自由空間領域とを結合し、この複数の不等長の導波路の少なくとも１つの導波路は、直列に接続され光エネルギを伝送する第１領域と第２領域を有するコア領域にを有し、このコア領域が光エネルギをこのコア領域内に閉じ込めるためのクラッド層により包囲され、このコア領域の第１部分がその屈折率が温度の上昇と共に増加するような材料製の第１長さを有する。さらに重要なことは、複数の不等長の導波路の少なくとも１つの導波路は、温度の上昇と共に屈折率が低下するような材料製の第２長さを有する第２部分である温度補償機能を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、特に導波路グレーティングルータ（ＷＧＲ）のような光学デバイスにおいて、温度によるスペクトラムシフトを低減する技術を提供する。一般的に本発明は、様々な温度変化にさらされても波長スペクトラムを安定させるように光学デバイス内に少なくとも１つの導波路の一部を変更するものである。
【００１２】
最も技術的に進歩した平面状の導波路は、シリコン光学ベンチ（silicon optical bench −ＳｉＯＢ）技術を用いて形成したドープトシリカ製の導波路である。このドープトシリカ製の導波路は、低コスト，低損失，低複屈折性，安定性および他の光ファイバへの結合の適応性等のような好ましい特性を有するために通常用いられている。さらにまた、ドープトシリカ製の導波路の製造ステップは、シリコン製の集積回路技術に対し適応性があり大量生産に適したものである。
【００１３】
一般的にドープトシリカ製の導波路は、キャリア基板（通常シリコンまたはシリカ製）の上に低屈折率の下部クラッド層を堆積する。その後この下部クラッド層の上に高屈折率のドープトシリカ製の層（即ち、コア層）を堆積する。その後このコア層を集積回路を製造するのと同様な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を形成するようパターン化する。
【００１４】
最後に上部クラッド層をこのパターン化された導波路コアをカバーするよう堆積する。この製造技術は、米国特許第４，９０２，０８６号および "Glass Waveguides on Silicon for Hybrid Optical Packaging" at pp.1530-1539 of the Journal of Lightwave Technology, vol. 7, No. 10, October 1989の論文に開示されている。
【００１５】
平面状光学導波路の性能にとって重要な点は、導波路の寸法（即ち、導波路コアの高さと幅）と、導波路のコアとクラッド層間の屈折率差（通常Δとして示される）である。コアの高さ即ち厚さは、キャリア基板上に堆積するコア材料の量により決まり、コアの幅は化学エッチングの際における光リソグラフマスクとアンダーカットの量により決まる。導波路の屈折率差Δは、材料系と製造プロセスにより決定される。実際には、異なる導波路構造と材料系が様々な種類の機能に対して用いられ、光学性能の様々な側面を最適化するためにコアの寸法と屈折率差Δとの間で妥協が行われている。
【００１６】
本発明においては、Ｐ型にドープした導波路が用いられ、この導波路のコアの厚さは約７μｍで１５μｍ厚の下部クラッド層の上に形成されている。１５μｍ厚の上部クラッド層がこの導波路コアをカバーしている。導波路コアの寸法は、光学閉じ込めを行うためおよび伝播損失を低下させるためにできるだけ大きくしかし導波路をシングルモードに維持する程度に小さくなるよう選択される。同様に、遷移領域を有するシリカ製のパスは、７μｍの高さを有するコアを有するが、その幅は１８μｍ（スラブの近く）から２μｍ（スラブから離れたところ）まで変動する。
【００１７】
図１において、基板１０は厚さ５００μｍのシリコン製である。クラッド層１２は波長（λ）１．５５μｍにおいて、１．４４５の屈折率を有するシリカ製の１５μｍ厚の層である。導波路コア１４は一般的に矩形であり、その厚さと幅は約７μｍでλ＝１．５５μｍにおいて１．４５４の屈折率を有するドープトシリカ製である。導波路コア１４は互いに約２．５μｍだけ離れている。コア材料はクラッド層材料よりも高い屈折率を有するため、コアはスネルの法則により光を導波することができる。クラッド層１６は、クラッド層１２と屈折率の点については同一であるが、導波路コア１４の上に堆積されてこれにより構造体が完成する。
【００１８】
本発明により既存の導波路よりは、はるかに温度依存性の少ない光学デバイスを提供できる。さらにまた本発明により温度変動により発生する光学デバイスの波長スペクトラムの固有の変動を低減することができる。言い換えると、本発明は光エネルギを伝送する際に、温度とは無関係となるような光学デバイスを提供する。
【００１９】
前述したように、具体的に説明すると、既存のＷＧＲ設計の波長スペクトラムは、少なくとも２つの理由により温度（Ｔ）によりシフトする。第１の理由は、ｎが導波路材料の屈折率を表すとすると、ｄｎ／ｄＴ≠０だからであり、第２の理由は、熱膨張即ちｄＬ／ｄＴ（ここでＬは長さを表す）も同様にゼロではないからである。言い換えると、温度の変動と共に屈折率が変化する割合は、材料のある種の特性である。例えば光学デバイス内の導波路の製造に用いられるシリカのｄｎ／ｄＴの値は、約１．１×１０-5／℃である。
【００２０】
図２は光学信号の伝送係数に対する温度変化の影響を表す。同図に示すように温度がＴ1 からＴ2 に増加すると、伝送係数は波長λのにより右側に移動する。別の言い方をすると、温度が増加すると波長スペクトラムはより高い波長方向に移動する。
【００２１】
上記に記載した事実に基づいた本発明によれば、導波路を形成している材料（即ちシリカ）の特性は、温度変動に対する光学デバイスの応答を制御（即ち支配）している。さらに重要な点は、本発明は既に存在する他の材料も温度の変動に対し、好ましい反応を示しながらシリカと同様な光学性能を提供することも見いだしている。光学デバイスにおける温度依存性のスペクトラムシフトの問題を解決するために、本発明は１つあるいは複数の導波路の一部をその導波路の残りの部分とは異なる材料で形成し、通常温度に対し敏感な材料の特性を制御しながら温度補償をしている。
【００２２】
特にエラストマ材料即ちエラストマは、通信波長において光学損失が低くかつシリカの屈折率に近似した屈折率を有するために開発されたものである。しかしこれらの特徴に加えて、エラストマの別の好ましい特性は、温度変化に対し屈折率が急速に変動し、そしてこれらがシリカの特性に関連していることである。
【００２３】
あるエラストマ即ちGeneral Electric社またはDow Corning 社により製造されたＲＦＸ−３６ＨＮは、温度の増加と共に屈折率が変化するが、その量はシリカのそれの３０倍以上でかつ符号が反対である。このエラストマの屈折率は、温度変化に対し通常の導波路材料であるシリカのそれとは反対方向に変動するために、より多くのエラストマをグレーティングのより長い導波路に使用して、光学デバイス内の各導波路に対する温度変動に対し一定に反応する、即ち温度補償するようにしている。
【００２４】
上記に説明した原理によれば、本発明の一実施例は、導波路コアの領域の全長をシリカのような１種類の材料で製造する代わりに、少なくとも１つの導波路のある部分は別の材料で意図的に製造したＷＧＲのような光学デバイスを提供する。さらに具体的に説明すると、このような異なる材料は温度変化に対し、その屈折率の変化量はグレーティング導波路の残りの部分の材料の変化量とは、異なるように選択される。さらにまた温度変化に対する屈折率は、残りの導波路コアの材料の屈折率とは反対符号となるよう選択され、そして様々な温度変化に対し効果的に補償するために２種類の異なる材料を様々な量を組み合わせて使用することができる。
【００２５】
図３は、従来の周波数ルーティングデバイスの関連部分を表す図である。この周波数ルーティングデバイスは、自由空間領域１００に接続された複数の入力導波路２i （ｉ＝１，２，…，Ｎ）を有する。複数の出力導波路１１０が自由空間領域１００から延びて光学グレーティング１２０に接続される。この光学グレーティング１２０は複数の不等長の導波路を有し、別の自由空間領域１４０に接続された対応する複数の入力導波路１３０に対し所定量の異なるパス長さを与える。自由空間領域１４０は複数の出力導波路４k （ｋ＝１，２，…Ｎ）に接続される。
【００２６】
これらの周波数ルーティングデバイスは、光学周波数のマルチプレクサおよび／またはディマルチプレクサとして機能する。例えば、振幅Ａの信号が入力導波路２1 に入力されると振幅ＡＴ11，ＡＴ12，…ＡＴ1Nの信号が出力導波路に生成される。ここでＴikは、入力導波路２i と出力導波路４k の伝送係数の値である。
【００２７】
図３のルーティングデバイスの動作を図４に示す。同図は、特定の入力導波路２1 のルーティングデバイスの伝送係数Ｔikを波長λの関数として示している。各伝送係数の波長の関数としての変動は、周期Ｘ０で周期的に変動する。入力導波路と出力導波路がデバイスの視野（field of view 即ち、Brillouin Zone）内に独自に配置されるような対称配置のためにＸ０は、次式で表される。
Ｘ０＝Ｎ・Ｓ                        （１）
ここで、Ｎは入力（または出力）の導波路の全数であり、Ｓは隣接する伝送係数の最大ピーク間の波長分離として定義されるチャネルスペースである。
【００２８】
波長λ0 は、伝送係数Ｔikの１つの最大値に対応する波長である。図３において、λ0 は伝送係数Ｔ11の最大値に対応する。様々な伝送係数Ｔikに対する最大伝送波長λikの全ての別の波長は、λ0 からＳの乗算値だけ異なっている。即ち、次式で表すことができる。
λik＝λ0＋（ｉ−ｋ＋ｑ・Ｎ）Ｓ      （２）
ここで、整数ｉ，ｋ＝１，…，Ｎは、入力波長と出力波長の位置を特定し、ｑは整数で、λ0 は導波路Ｉ＝ｋ＝１に対する最大伝送波長を表す。
【００２９】
波長λ0 は、マルチプレクサの中心波長とも称する。パラメータＸは、次式で定義できる。
Ｘ＝λ−［λ0＋（ｉ−ｋ＋ｑ・Ｎ）ＳＩ］＝λ−λik      （３）
伝送係数は、ほぼ同一の特性を示し、そのためこれらは同一の関数Ｔ（Ｘ）で表すことができる。かくして特定の入力波長に対応する全ての伝送係数は図４に示すような等間隔に分離した伝送ピークのアレイを生成する。隣接するピーク間のスペースは、チャネルスペースＳに等しい。
【００３０】
本発明の一般的な概念は、上述した通りであるが、これらの概念を光学デバイスに実際に組み込むには様々な方法が存在する。図５のａ，ｂは、本発明によりいかに温度から独立した光学デバイスが形成されるかを示す実施例である。
【００３１】
エラストマ材料をある波長にいかに組み込むかの一実施例として図５ａは、ある導波路パス内に配置されたエラストマ材料のブロックの数を変化させている。さらに具体的に説明すると、同図に示すように最長（一番上）は、７個のエラストマ材料ブロックを有し、２番目に長い導波路（上から２番目）は、６個のエラストマ材料製ブロックを有し、三番目に長い導波路（上から３番目）は、５個のエラストマ材料製ブロックを有し、このようなことを最短の導波路（上から７番目）が１個のエラストマ材料ブロックを含むようにするまで行う。
【００３２】
しかし、特定の導波路に使用されるエラストマ材料のブロックの正確な数および大きさは、設計的選択事項であり、図５ａ，ｂは実物の大きさ通りには描いてはいない。さらにまたエラストマ材料のブロックの番号の順番、即ち１，２，３，４，…または２，４，６，８，…または３，６，９，…は、本発明にしたがって用いられているが、その目的は組み合わされたエラストマ材料製ブロックの全長と関連する導波路の全長との間の線形関係を維持するためである。別の言い方をすると、１つの導波路から隣接する導波路への長さの増加割合は、これら２つの導波路の各々に用いられるエラストマ材料の量の類似の増加により行われる。
【００３３】
光学デバイスをこのように設計することによりエラストマ材料製ブロックの数は所望の導波路パス内に制御しながら配置することができる。さらに具体的に説明すると、この種の設計を実現するための方法は、クラッド層１６と導波路コア１４をデバイスから取り除いて、デバイスからクラッド層１２が現れるまでエッチングにより除去するようなステップを含む。
【００３４】
この種のデザインをさらに明確に説明するために、図１ｂは、導波路の長さ方向に沿った断面図を示す。同図に示すように、クラッド層１６と導波路コア１４の一部はエラストマ材料２０により置換されている。さらにまたステップを追加してクラッド層１６に隣接するエラストマ材料２０の一部をエッチングで除去してクラッド材料で置換してもよい。
【００３５】
エラストマ製ブロックのデザインを上記したように実行すると、従来の光学デバイスで用いられたブロックの一部のサイズは約３μｍである。１００個のグレーティング導波路があるような構造においては、最長の導波路の全長内にシリカのような基礎的導波路材料の代わりに約３００μｍ長さのエラストマ材料が存在する。
【００３６】
同様にこの実施例によれば、より短い導波路のうちの１本の導波路はその長さ方向に沿って約３μｍのエラストマ材料を含む。しかしこの実施例においては、特定の数が示されてはいるが、光学デバイスが配置され動作するような環境および光学デバイスの種類に依存してそれらの値は変化する。そしてそれらも本発明の範囲内に入る。
【００３７】
エラストマ材料を導波路に組み込む別の構成を図５ｂに示す。この構成例においては、エラストマ材料は隣接する一連の導波路内に「▽」の形状でもって堆積される。特にこのような構成においては、最も長いエラストマ材料は、最長の導波路（最上部）のパス内に具備され、最短のエラストマ材料がそれよりも導波路パス内の１つのパス内に導入される。
【００３８】
前述したブロック構成と同様に特定の導波路内で使用されるエラストマ材料の量、即ち長さは本発明内に含まれる。しかし、この三角形状の構成においては、許容可能な数は最長の導波路の長さ方向に沿って約３００μｍの長さに亘ってエラストマ材料を含ませ、最短の導波路においては、約３μｍの長さに亘って導波路材料を含ませるものである。
【００３９】
達成された即ち補償された導波路シフトの量を実際に計算するためには、前述したエラストマ材料の屈折率は、温度変化に対しシリカのそれの反対の符号を有し、かつその大きさは３０倍であることを効率しなければならない。さらにまたエラストマ材料の部分の全長は、次式で与えられる。
Ｌe＝(Ｉ)(Ｌ)｜シリカの(ｄｎ/ｄＴ)／エラストマの(ｄｎ/ｄＴ)｜
ここで、Ｌは隣接するグレーティング導波路長さの増分量であり、Ｉはグレーティング導波路の指数で最短の導波路に対してはＩ＝１で、次の導波路に対してはＩ＝２である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、光学デバイスが配置される周囲温度の変化から独立した動作が可能な光学導波路を提供できる。シリカのような一般的な導波路材料の温度に対する屈折率の変化割合に対し、ある種の材料の温度変化に対する屈折率の変動の割合を知ることにより、波長スペクトラムシフトを完全に補償できるように、信号が伝播する光学パスの特徴を正確に修正することができる。言い換えると、本発明によればいかなる２種類の温度に対しても光学信号が同一の波長を有するように各光学デバイスの複数の波長を適宜修正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ  複数の導波路を有する光学デバイスの断面図
ｂ  本発明による導波路の長さ方向の断面図
【図２】２つの異なる温度Ｔ1 ，Ｔ2 における図１の光学デバイス用の伝送係数の部分を表すグラフ
【図３】従来の光学周波数ルーティングデバイスの一実施例を表す図
【図４】図１のルーティングデバイス用の伝送係数Ｔikを表すグラフ
【図５】ａとｂは本発明を用いてた光学周波数ルーティングデバイスの様々な実施例を表す図
【符号の説明】
１０  基板
１２，１６  クラッド層
１４  導波路コア
２０  エラストマ材料
１００，１４０  自由空間領域
１１０  出力導波路
１２０  光学グレーティング
１３０  入力導波路
２i   入力導波路
４k   出力導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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