(57)【要約】【課題】  偏光の影響を受けない導波路及びそのような導波路の形成方法の提供。【解決手段】  導波路は、基板１００と、該基板上の導波路構造とを含み、該導波路構造は、ベース１０２及び矩形導波路１０４を含む。ベース１０２は、基板上方のベース高さ（ｈ）を有し、矩形導波路１０４は、基板上方の導波路高さ（Ｈ）及び矩形導波路の両側面の間の導波路幅（Ｗ）を有する。この導波路構造は、（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８（式中の＊は乗算を表す）である特徴を有する。【選択図】        図１  
2006011443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上の、ベース及び矩形導波路を含む導波路構造とを含む導波路であって、
前記ベースが、前記基板上方のベース高さ（ｈ）を有し、
前記矩形導波路が、前記基板上方の導波路高さ（Ｈ）及び前記矩形導波路の両側面の間の導波路幅（Ｗ）を有し、
前記導波路構造が、
（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、
（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、
（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び
（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８
である特徴を有し、式中の＊は乗算を表す、
導波路。
【請求項２】
基板と、該基板上の、ベース及び矩形導波路を含む導波路構造とを含む導波路であって、
前記ベースが、前記基板上方の約１ｕｍ〜約３ｕｍのベース高さ（ｈ）を有し、
前記矩形導波路が、前記基板上方の約２ｕｍ〜約７ｕｍの導波路高さ（Ｈ）及び前記矩形導波路の両側面の間の約２ｕｍ〜約７ｕｍの導波路幅（Ｗ）を有し、
前記導波路構造が、
（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、
（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、
（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び
（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８
である特徴を有し、式中の＊は乗算を表す、
導波路。
【請求項３】
前記導波路構造が、０．２ｎｍ以内のＴＥ−ＴＭ間波長シフトを提供する、請求項１または２記載の導波路。
【請求項４】
偏光の影響を受けない導波路を形成する方法であって、該方法は、基板を形成することと、該基板上に導波路構造を形成することとを含み、
前記導波路構造を形成することが、前記基板上方のベース高さ（ｈ）を有するベースを形成することと、前記基板上方の導波路高さ（Ｈ）及び矩形導波路の両側面の間の導波路幅（Ｗ）を有する矩形導波路を形成することとを含み、
前記導波路構造を形成することが、
（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、
（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、
（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び
（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８
である特徴を形成し、式中の＊は乗算を表す、
導波路形成方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光の影響を受けない導波路と、そのような導波路を形成する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
光には２通りの偏光があり、光は、この２通りの偏光ごとの２通りの異なる速度で、媒質（シリコン導波路等）中を伝播し得る。リブ／リッジ導波路では、この２つの偏光モードを一般的にＴＥ（transverse electric）モード及びＴＭ（transverse magnetic）モードと称する。この２つのモードでは、２つの偏光の実効屈折率が異なり得るので、同一の媒質が異なって見える場合がある。この実効屈折率の差は、媒質の対称性によって生じ得るか、又は、シリコン導波路の場合には、２つの偏光の境界条件が異なることによって生じ得る。２つの偏光の屈折率の差は、光通信システムに対する様々な悪影響を生じる可能性があり、この差が適切に補償されない場合には、ビット伝送速度誤差を生じる偏光モード分散等といった、悪影響を生じる。
【０００３】
デマルチプレクサ等のアレイ型導波路回折格子システムでは、屈折率の差により、２つの偏光に対するデマルチプレクサの波長が互いに離れるようにシフトする。このようなシフトは、隣接する通信チャネル間のクロストークを増加させると共に、帯域幅を制限する。具体的には、２つの偏光の屈折率の差により、逆多重化された波長が次式のように相対的にシフトする。
【数１】
2006011443.tif 000003
【０００４】
式中、λ0は中心波長であり、ｎte及びｎtmはそれぞれＴＥモード及びＴＭモードの実効屈折率である。
【０００５】
波長分割多重（ＷＤＭ）方式を用いた光通信では、各波長のチャネルは狭い帯域幅の波長を用いるのが一般的であり、各チャネル間の間隔は１ｎｍ程度である。ブロードバンドの使用が増加するにつれ、チャネル間隔は更に小さくなり得る。一般的に用いられるように、λ0＝１５５０ｎｍであり、ｎte≒３．４２である場合には、ｎteとｎtmとの僅かな差から、チャネルのクロストークによって、システムの重大な性能低下が生じ得る。これまでに多くの補償方法が提案されている。例えば、導波路アレイの途中に１／２波長板を挿入、隣接する回折次数を用いた分散整合、特殊な層構造、位相アレイにおける偏光差を補償する導波路部の挿入、アレイ型導波路（ＡＷＧ）の入力部への偏光スプリッタの追加、及び、デマルチプレクサのスターカプラー（コンバイナ）におけるプリズム状領域の作成がある。これらの方法の全ては、偏光依存性を低減又は解消するものであるが、全ての方法において、ＡＷＧの製造がかなり複雑になると共に、提案された方法の多くは、かなりの挿入損失を招く。
【特許文献１】米国特許第号５，１４８，１３４明細書
【特許文献２】米国特許第号５，７１９，９７６明細書
【特許文献３】米国特許第号５，５７０，４４２明細書
【特許文献４】米国特許第号６，６９０，８６３明細書
【特許文献５】米国特許第号６，２５６，４３５明細書
【特許文献６】米国特許第号６，６２８，８５４明細書
【特許文献７】米国特許第号５，９３７，１１３明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
導波路を通って移動する光は、ＴＥモード及びＴＭモードとして知られる２通りの偏光モードを有する。ＴＥ−ＴＭ間のシフトをゼロにすることは、各設計の特定の要求に依存して異なる、幾分「行き当たりばったり」の命題であった。ｈ及びＨの寸法がそれぞれ異なる各導波路は、必要とするエッチングの深さ又はウェハの厚さが異なるので、ＴＥ−ＴＭ間のシフトをほぼゼロにするために、試行錯誤的方法を用いて導波路の寸法を変えることは、時間及びリソースの面でコストがかかる。従来、異なるサイズをどのように組み合わせればＴＥ−ＴＭ間のシフトがゼロになるかに関する、明示的なものさしは無かった。
【０００７】
本明細書の実施形態は、単純なルーチン実験を超えるものであり、１／２波長板、分散整合、特殊な層、補償部、偏光スプリッタ、プリズム状の装置、及びその他の装置等といった付加的な構造を必要とせずに、実質的にいかなる設計も偏光の影響を受けないようにすることを可能にする方法論を作り上げた。
【０００８】
即ち、本発明は、偏光の影響を受けない導波路と、そのような導波路を形成する方法とを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、基板と、前記基板上の、ベース及び矩形導波路を含む導波路構造とを含む導波路であって、前記ベースが、前記基板上方のベース高さ（ｈ）を有し、前記矩形導波路が、前記基板上方の導波路高さ（Ｈ）及び前記矩形導波路の両側面の間の導波路幅（Ｗ）を有し、前記導波路構造が、（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８（式中の＊は乗算を表す）である特徴を有する、導波路である。
【００１０】
請求項２の発明は、基板と、前記基板上の、ベース及び矩形導波路を含む導波路構造とを含む導波路であって、前記ベースが、前記基板上方約１ｕｍ〜約３ｕｍのベース高さ（ｈ）を有し、前記矩形導波路が、前記基板上方約２ｕｍ〜約７ｕｍの導波路高さ（Ｈ）及び前記矩形導波路の両側面の間の約２ｕｍ〜約７ｕｍの導波路幅（Ｗ）を有し、前記導波路構造が、（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８（式中の＊は乗算を表す）である特徴を有する、導波路である。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の導波路において、前記導波路構造が、０．２ｎｍ以内のＴＥ−ＴＭ間波長シフトを提供する。
【００１２】
請求項４の発明は、偏光の影響を受けない導波路を形成する方法であって、該方法は、基板を形成することと、前記基板上に導波路構造を形成することとを含み、前記導波路構造を形成することが、前記基板上方のベース高さ（ｈ）を有するベースを形成することと、前記基板上方の導波路高さ（Ｈ）及び矩形導波路の両側面の間の導波路幅（Ｗ）を有する矩形導波路を形成することとを含み、前記導波路構造を形成することが、（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８（式中の＊は乗算を表す）である特徴を形成する、導波路形成方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本明細書に示されるシステム及び方法の様々な例示的な実施形態によれば、例えば、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術において、導波路及びアレイ型導波路回折格子システムのための偏光の影響を受けない設計空間を用いて、ビット伝送速度誤差及びクロストークを補償して最小限にすることが可能である。この偏光の影響を受けない導波路構造は、ＡＷＧ及びスイッチ等といった多くのコンポーネントの基本ビルディングブロックである。これらのコンポーネントは、多くの波長分割多重（ＷＤＭ）技術及び高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）技術によって用いられる、ルータや光アド／ドロップマルチプレクサ等といった、多くの光ネットワークコンポーネントのビルディングブロックである。ベース形状は、図１に示されるようにＴ字形の断面であってもよく、最適な幅及び高さパラメータ範囲を有する。導波路の幅、導波路の高さ及びベースの高さの割合を最適化することにより、ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトが、現在の電気通信業界で許容される０．２ｎｍ以内のずれに最小化される。
【００１４】
ＳＯＩ導波路における複屈折は、ＴＥモード及びＴＭモードに対する異なる境界条件から生じる。断面形状を適切に選択すれば、複屈折を最小限にするか又は解消することが可能である。図１には矩形リブ／リッジ形状が示されている。
【００１５】
また、様々な例示的な実施形態において、基板１００上には、基板１００上方のベース高さ（ｈ）を有するベース１０２が形成されている。そして、基板１００上方の導波路高さ（Ｈ）及び導波路の両側面１０６の間の導波路幅（Ｗ）を有する矩形導波路１０４が、ベース１０２上に又はベース１０２と同時に形成されている。
【００１６】
例えば、以下の特徴を有する導波路構造を参照する。
（１）Ｈ−４≦（Ｗ−３）2、
（２）Ｈ−１≧（Ｗ−４）2、
（３）Ｈ≦１．７＊ｈ＋２．９、及び
（４）Ｈ≧０．８７＊ｈ＋１．８。
式中、
Ｈは基板上方の導波路高さであり、
Ｗは導波路の両側面の間の導波路幅であり、
ｈは基板上方のベース高さであり、
＊は乗算を表す。
【００１７】
更に、例えば、以下の特徴を有する導波路構造も参照する。
（１）Ｈ−４＜（Ｗ−３）2、
（２）Ｈ−１＞（Ｗ−４）2、
（３）Ｈ＜１．７＊ｈ＋２．９、及び
（４）Ｈ＞０．８７＊ｈ＋１．８。
【００１８】
ベース高さ（ｈ）は、例えば、広くは基板上方約１ｕｍ（マイクロメートル）〜約３ｕｍであり、より狭くは基板上方約１．５ｕｍ〜約２．５ｕｍであり、特定の実施形態においては基板上方約２ｕｍである。導波路高さ（Ｈ）は、例えば、広くは基板上方約２ｕｍ〜約７ｕｍであり、より狭くは基板上方約３ｕｍ〜約７ｕｍであり、特定の実施形態においては基板上方約５ｕｍである。導波路幅（Ｗ）は、例えば、広くは約２ｕｍ〜約７ｕｍであり、より狭くは約４ｕｍ〜約７ｕｍであり、特定の実施形態においては約６ｕｍである。
【００１９】
従って、例示的な実施形態においては、導波路高さ（Ｈ）から４を引いた値は、導波路幅（Ｗ）から３を引いて二乗した値以下であり、導波路高さ（Ｈ）から１を引いた値は、導波路幅から４を引いて二乗した値以上である。更に、導波路高さ（Ｈ）は、ベース高さ（ｈ）を１．７倍して２．９を加えた値以下であり、且つ、ベース高さ（ｈ）を０．８７倍して１．８を加えた値以上である。
【００２０】
上記を適用した一例では、６ｕｍの導波路幅（Ｗ）及び２ｕｍのベース高さ（ｈ）が選択された場合、導波路高さ（Ｈ）の範囲は、以下のように計算される。
（１）Ｈ≦（６−３）2＋４の結果は、Ｈ≦１３ｕｍとなり、
（２）Ｈ≧（６−４）2＋１の結果は、Ｈ≧５ｕｍとなり、
（３）Ｈ≦１．７＊２＋２．９の結果は、Ｈ≦６．３ｕｍとなり、
（４）Ｈ≧０．８７＊２＋１．８の結果は、Ｈ≧３．５４ｕｍとなる。
【００２１】
従って、６ｕｍの導波路幅（Ｗ）及び２ｕｍのベース高さ（ｈ）が選択された上記の例では、ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトが０．２ｎｍ未満となる導波路高さ（Ｈ）の範囲は、５ｕｍ〜６．３ｕｍである。
【００２２】
導波路１０４及びベース１０２は、例えばシリコン（ドーピングされた又はドーピングされていない単結晶シリコン又は多結晶シリコン）で構成可能であり、基板１００は絶縁体（酸化物、窒化物、ガラス及び他の類似の材料等）で構成され、それにより、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）導波路構造が形成される。基板１００、ベース１０２、及び矩形導波路１０４は、例えば、シリコン蒸着処理、酸化、フォトリソグラフィのマスキング、及びエッチング処理等の従来の様々なプロセス技術を用いて形成可能である。例えば、その全開示を参照として本明細書に組み込む米国特許第６、６９０、８６３号で論じられている製造方法を参照されたい。図１に示されている、上述の特徴を有する導波路構造は、ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを最大でも０．２ｎｍにすることが可能である。一実施形態では、導波路高さ（Ｈ）は約２ｕｍ〜約７ｕｍであってよく、導波路幅（Ｗ）は約２ｕｍ〜約７ｕｍであってよく、ベース高さ（ｈ）は約１ｕｍ〜約３ｕｍであってよい。
【００２３】
図２及び図３は、これらのシステム及び方法が、ＳＯＩリブ／リッジ導波路から作られるＡＷＧのための偏光の影響を受けない設計空間を、どのように提供するかを示している。具体的には、図２及び図３は、複数の異なるベース高さに対して導波路高さ及び導波路幅の関数として式（１）から求められる、ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを示すグラフである。図２では、異なる各曲線２００〜２０８に隣接した（ｈ）及び（Ｈ）は、スラブ高さ（ベース高さ）及び導波路高さを示している。図３では、全てのベース高さ（ｈ）は２．２ｕｍであり、導波路高さ（Ｈ）は曲線３００〜３０８に対して示されている通りである。これらの図は、複屈折を補償する設計をすることが可能であることを示している。例えば、図２において、３．５ｕｍの導波路高さ（Ｈ）及び１．３５ｕｍのベース高さを表す曲線２０４では、導波路幅が３ｕｍの時にＴＥ−ＴＭ間シフトがゼロになる。同様に、２．２ｕｍのベース高さ及び４．９ｕｍの導波路高さ（Ｈ）を有する曲線３０８では、導波路幅が２ｕｍの時にＴＥ−ＴＭ間シフトがゼロになる。
【００２４】
従って、図２及び図３は、ＴＥ−ＴＭ間のシフトをほぼゼロにする特徴が複数あることを示している。しかし、従来は、設計者が一貫してＴＥ−ＴＭ間シフトがゼロになる設計をするのを可能にする定式化があるとは思われていなかった。
【００２５】
図４及び図５は、ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを０．２ｎｍ未満にするための設計領域を示すグラフである。図４及び図５中の四角は、この最大でも０．２ｕｍのＴＥ−ＴＭ間シフトの要求を満たす基準を表しており、本明細書に示されている実施形態に適合する。一方、菱形は、本明細書における実施形態に適合しない、この最大限度から外れた基準を表している。本明細書のデータを編集することにより、本明細書の実施形態の特徴に合致する矩形ＳＯＩ構造において、ＴＥ−ＴＭ間のシフトが一貫してほぼゼロになる。
【００２６】
上記は様々な例示的な実施形態に関する説明であったが、当業者には多くの代替物、修正物及び変更物が自明であることを理解されたい。従って、本願出願人は、本発明の精神及び範囲に従ったそのような代替物、修正物及び変更物の全てを包含することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】矩形リブ／リッジ導波路の断面形状を示す図である。
【図２】導波路高さ及び導波路幅の関数として式（１）から求められるＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを示すグラフである。
【図３】導波路高さ及び導波路幅の関数として式（１）から求められるＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを示すグラフである。
【図４】ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを０．２ｎｍ未満にするための設計領域を示すグラフである。
【図５】ＴＥ−ＴＭ間の波長シフトを０．２ｎｍ未満にするための設計領域を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１００    基板
１０２    ベース
１０４    矩形導波路  
【図１】
2006011443.tif 000004
【図２】
2006011443.tif 000005
【図３】
2006011443.tif 000006
【図４】
2006011443.tif 000007
【図５】
2006011443.tif 000008