(57)【要約】  光ファイバ(3f)の光モードを導波路(3a)の光モードとカップリングさせるための半導体系光モード変換器(100、100'、100")が開示され、光モード変換器は、第1の主長軸方向(Z)に沿って延び、光ファイバ(3f)にカップリングすることに適した端部ファセット(30)を含む第1の導波路(1a)を含み、第1の導波路(1a)が、第1のコア(1)および第1のクラッド(6、4)を含み、第1の屈折率差(Δn1)を有する。変換器は、第2のコア(2)および第2のクラッド(6、4)を含み、第2の屈折率差(Δn2)を有し、第2の導波路の端部(9)が第1の導波路(1a)の端部(31)に直接カップリングされる第2の導波路(2a)と、第2の導波路(2a)とのエバネッセント光カップリングを実現するように第2の導波路に対して配列される第3の導波路(3a)とをさらに含み、第3の導波路(3a)が第3のコア(3)および第3のクラッド(4、7)を含み、第3の屈折率差(Δn3)を有する。第3のコア(3)は、エバネッセントカップリングがなされるテーパ付き領域(13、13')を含み、前記第1の導波路(1a)の屈折率差が前記第2の導波路(2a)の屈折率差よりも小さく、前記第2の導波路の屈折率差が前記第3の導波路の屈折率差よりも小さく、第3の導波路の屈折率差(Δn3)が18%以上である。
2011513773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ(3f)の光モードを導波路(3a)の光モードとカップリングさせるための半導体系光モード変換器(100、100'、100")であって、前記光モード変換器が、
-  第1の主長軸方向(Z)に沿って延び、前記光ファイバ(3f)にカップリングすることに適した端部ファセット(30)を含む第1の導波路(1a)であって、前記第1の導波路(1a)が第1のコア(1)および第1のクラッド(6、4)を含み、第1の屈折率差(Δn1)を有する、第1の導波路(1a)と、
-  第2のコア(2)および第2のクラッド(6、4)を含み、第2の屈折率差(Δn2)を有する第2の導波路(2a)であって、前記第2の導波路の端部(9)が前記第1の導波路(1a)の端部(31)にバットカップリングされる、第2の導波路(2a)と、
-  前記第2の導波路(2a)とのエバネッセント光カップリングを実現するように前記第2の導波路に対して配列される第3の導波路(3a)であって、前記第3の導波路(3a)が第3のコア(3)および第3のクラッド(4、7)を含み、第3の屈折率差(Δn3)を有する、第3の導波路(3a)と
を含み、
前記第3のコア(3)が、前記エバネッセントカップリングがなされる少なくとも一部にテーパ付き領域(13、13')を含み、前記第1の導波路(1a)の前記屈折率差(Δn1)が前記第2の導波路(2a)の前記屈折率差(Δn2)よりも小さく、前記第2の導波路の前記屈折率差(Δn2)が前記第3の導波路の前記屈折率差(Δn3)よりも小さく、前記第3の導波路の前記屈折率差(Δn3)が18%以上である、
モード変換器(100、100'、100")。
【請求項２】
前記第3のコア(3)中に実現された前記テーパ付き領域(13、13')が、前記第3のコア(3)の端部から、前記第1の導波路の前記第1の主長軸方向(Z)に実質的に平行である別の主長軸方向に実質的に沿って延びる、請求項1に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３】
前記第2のコア(2)が、前記エバネッセントカップリングが前記第3の導波路(3a)となされる少なくとも一部にテーパ付き領域(11)を含む、請求項1または2に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項４】
前記第2の導波路(2a)が、第2の主長軸方向に沿って延び、前記第2の主長軸方向が前記第1の主長軸方向(Z)に実質的に平行である、請求項1から3のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項５】
前記第2のクラッド(4、6)の少なくとも一部および前記第3のクラッド(4、7)の少なくとも一部が同じ材料中に実現される、請求項1から4のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項６】
前記第1のクラッド(4、6)の少なくとも一部および前記第2のクラッド(4、6)の少なくとも一部が同じ材料中に実現される、請求項1から5のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項７】
前記第2のコア(2)および前記第3のコア(3)が前記第1の主長軸方向(Z)と実質的に直交する方向にギャップ(g)によって分離される、請求項1から6のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項８】
前記ギャップ(g)が前記主長軸方向(Z)に沿った所与の区間にわたり実質的に一定である、請求項7に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項９】
前記第1のコア(1)および前記第2のコア(2)が前記第1の主長軸方向(Z)に沿ってギャップ(h)によって分離される、請求項1から8のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１０】
前記第3のコア(3)の前記テーパ付き領域(13、13')が前記第2のコア(2)に近接する前記第3のコア(3)の端部を含み、前記テーパ付き領域(13、13')が、前記第2のコア(2)に向かって面する端部のところで、80nmと200nmとの間に含まれる最小幅(W3IN)を有する、請求項1から9のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１１】
前記第1の主長軸方向(Z)に沿った所与の区間にわたり、前記第1の主長軸方向を含む平面(X、Z)上の前記第2のコア(2)および前記第3のコア(3)の投影が、少なくとも部分的にオーバーラップする、請求項1から10のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１２】
前記第2のコア(2)および前記第3のコア(3)が縦に配列される、請求項11に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１３】
前記第2のコア(2)と前記第3のコア(3)との間の前記オーバーラップが前記第2のコア(2)および前記第3のコア(3)中のオーバーラップ領域を規定し、前記第2のコア(2)中の前記オーバーラップ領域が前記第2のコア(2)の前記テーパ付き領域(11)を含み、前記第3のコア(3)中の前記オーバーラップ領域が前記第3のコア(3)の前記テーパ付き領域(13、13')の少なくとも一部を含む、請求項11または12に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１４】
前記オーバーラップ領域が前記第2のコア(2)の連続した第1の部分および第2の部分を含み、前記第2のコア(2)の前記第1の部分が前記第2のコア(2)の前記テーパ付き領域(11)を含み、前記第2のコア(2)の前記第2の部分が前記第2のコア(2)の一定幅部分(12)を含む、請求項13に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１５】
前記第3のコア(3)の厚さ(T3)が100nmと400nmとの間に含まれる、請求項1から14のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１６】
前記第3のコア(3)の前記テーパ付き領域(13、13')および前記第2のコア(2)の前記テーパ付き領域(11)が前記第1の主長軸方向(Z)に関して反対方向にテーパを付けられている、請求項1から15のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１７】
前記第3の導波路(3a)の前記屈折率差(Δn3)が40%よりも大きい、請求項1から16のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１８】
前記第3のコア(3)の屈折率(nthird core)がnthird core>3である、請求項17に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項１９】
前記第3のコア(3)の前記厚さ(T3)が120nmと180nmとの間に含まれる、請求項17または18に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２０】
前記第2の導波路(2a)の前記屈折率差(Δn2)がΔn2=(3.4±1.4)%である、請求項17から19のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２１】
前記第1の導波路(1a)の前記屈折率差(Δn1)がΔn1=(1.2±0.6)%である、請求項17から20のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２２】
前記第2のコア(2)の厚さ(T2)が0.5μm≦T2≦4μmである、請求項17から21のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２３】
前記第1のコア(1)の厚さ(T1)が1μm≦T1≦6μmである、請求項17から22のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２４】
前記第2のコア(2)と前記第3のコア(3)との間の前記ギャップ(g)が0.1μmと3μmとの間に含まれる、請求項7または請求項17から23のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２５】
前記第3のコア(3)がその中に実現される材料がSiを含む、請求項17から24のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２６】
前記第3の屈折率差(Δn3)が18%と30%との間に含まれる、請求項1から16のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２７】
前記第3のコア(3)の前記厚さ(T3)が100nmと400nmとの間に含まれる、請求項26に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２８】
前記第2の導波路(2a)の前記屈折率差(Δn2)がΔn2=(2.8±1.0)%である、請求項26または27に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項２９】
前記第1の導波路(1a)の前記屈折率差(Δn1)がΔn1=(1.2±0.6)%である、請求項26から28のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３０】
前記第2のコア(2)の厚さ(T2)が0.5μm≦T2≦4μmである、請求項26から29のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３１】
前記第1のコア(1)の厚さ(T1)が1μm≦T1≦6μmである、請求項26から30のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３２】
前記第3のコア(3)の屈折率(nthird core)が1.8<nthird core<2.4である、請求項26から31のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３３】
前記第3のコア(3)がその中に実現される材料がワイド-バンドギャップ半導体を含む、請求項26から32のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３４】
前記第2のコア(2)と前記第3のコア(3)との間の前記ギャップ(g)が0.5μmと2μmとの間に含まれる、請求項7または請求項26から33のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３５】
前記第3のコア(3)の前記テーパ付き領域(13、13')が、前記第3の導波路(3a)の前記別の主長軸方向に沿った、100μmと3000μmとの間に含まれる長さ(L)を有する、請求項2から34のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３６】
前記第3のコア(3)の厚さ(T3)が200nmと400nmとの間に含まれる、請求項1から18のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３７】
前記第2の導波路(2a)の前記屈折率差(Δn2)がΔn2=(4.0±1.0)%である、請求項36に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３８】
前記第1の導波路(1a)の前記屈折率差(Δn1)がΔn1=(1.4±0.3)%である、請求項36または37に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項３９】
前記第2のコア(2)の厚さ(T2)が1.2μm≦T2≦3μmである、請求項36から38のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項４０】
前記第1のコア(1)の厚さ(T1)が1μm≦T1≦5μmである、請求項36から39のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【請求項４１】
前記第3のコア(3)の前記テーパ付き領域(13、13')が、前記第3の導波路(3a)の前記別の主長軸方向に沿った、200μmと5000μmとの間に含まれる長さ(L)を有する、請求項36から40または請求項2のいずれか一項に記載のモード変換器(100、100'、100")。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一モード光ファイバの高インデックス差導波路への効率的なカップリングのための光モード変換器に関する。特に、本発明の変換器は、総合光損失を最小にするように設計されている。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、光伝送または光デジタルデータ処理のために使用する半導体および誘電体光コンポーネントおよびデバイスの分野に、特に、2つの導波路間の光モード変換器の分野に関する。
【０００３】
いわゆる「シリコンフォトニックス」の問題点の1つは、Si導波路などの高インデックス差導波路の標準単一モード光ファイバへの効率的なカップリングである。典型的には、標準単一モードファイバは、8μmと12μmとの間、より典型的には、9〜10μmを含むモードフィールド直径を有する。上記の問題点の理由は、光ファイバとSi導波路との間のモードサイズの違い、および屈折率の違いにある。
【０００４】
モードサイズの違いに起因して、カップリングが大きなパワー損失を生じさせうるために、モードサイズの違いは、例えば、バットカップリングを介して単一モードファイバを高インデックス差導波路に直接接続することを妨げ、このモードサイズの違いは典型的には少なくとも1桁の大きさである。
【０００５】
屈折率の違いは、導波路とファイバとの間にモード速度の違いを引き起こし、結果的に直接カップリングを実行したときに再び大きなカップリング損失をもたらす。
【０００６】
かかる異なる光モードの間の効率的なカップリングを可能にするために、導波路/光ファイバから来る光信号のモードを作り変えるため、かつそれ自体のプロファイルを、この光信号がカップリングされるべき光ファイバ/導波路中を導かれるモードのプロファイルと互換性を持たせるために、光モード変換器としても知られる光モードコンバータが作られている。このモードマッチングは、例えば、導波路とファイバとの間の光カップリングによって引き起こされるパワー損失をある妥当なレベルよりも低く保つことによって、光デバイスの性能特性を維持しつつ行われるべきである。
【０００７】
異なる屈折率を有する2つの異なる導波路間または導波路/ファイバ間の効率的なカップリングを実現するために、いくつかの取り組みがある。
【０００８】
公知の取り組みは、テーパを有する高インデックス差導波路を提供することである。
【０００９】
Alcatel名義の特許文献１は、少なくとも1つの光コンポーネントを含み、その光入力部/出力部が、この光コンポーネントがカップリングされるべき光ファイバの方に向けられている光モジュールを開示している。少なくとも1つの追加の導波路が、この光コンポーネントと光ファイバとの間に配列されている。光コンポーネントは、光ファイバに向かって面している端部がモードフィールド適合のためにテーパを付けられているまたは広げられている光導波路を備えている。それに加えて、光ファイバに向かって面している挿入された各光導波路の端部は、やはり、モードフィールド適合のためにテーパを付けられているまたは広げられている。
【００１０】
特許文献２は、光ファイバと、このファイバのスポットサイズとは異なるスポットサイズを有する集積型光導波路との間の低損失相互接続を提供する集積型光モード変換器を記載している。このモード変換器は、上層が下層と接触した状態で、上層および下層の2つの導波路層からなっている。下層は、光回路を形成する集積型光導波路層である。複合型2導波路構造の入力部の大きさは、光ファイバ中に存在する光のすべてを受け入れる基本モードをサポートする。上部導波路層は、入力部幅から出力部幅へと小さくなるようにテーパを付けられ、その終端部において実質的に入力光パワーのすべてが下部導波路層中に存在するように終結する。2導波路層構造は、堆積技術および平坦化技術によって製造される。
【００１１】
マサチューセッツ工科大学名義の特許文献３は、異なるインデックス差を有する2つの導波路の光モード間の低損失カップリングを可能にするモード変換器に関係する。モードサイズおよび実効インデックスは、最小のパワー損失でモード形、サイズ、および速度を緩やかに変換させるために2つの導波路間で緩やかに変化する。モード変換器は、小さなインデックス差を有する光ファイバ導波路のモードをプレーナ型高インデックス差導波路のモードにカップリングさせるため、およびその逆のために有用である。
【００１２】
別の取り組みがNEC株式会社名義の特許文献４に開示されており、クラッド層とコア層との間での固有の屈折率の違いが変化する光導波路を有する光カップリングデバイスが開示されている。光カップリングデバイスが高い製造歩留りで製造されるためには、コア層の断面の縮小が収束/発散スポットサイズコンバータにとって必要とされないので、光導波路は、収束/発散スポットサイズコンバータとして働く。
【００１３】
特許文献５は、光ビームのモードサイズを縮小するための装置および方法を記載している。記載された解決法の一実施形態では、装置は、半導体層の第1の半導体材料中に配置された第1の光導波路を含む。第1の光導波路は、第1の光導波路のテーパのない外側コア中に配置された逆テーパ付き内側コアを含む。逆テーパ付き内側コアは、小さな端部および大きな端部を含む。装置は、半導体層の第2の半導体材料中に配置された第2の光導波路をさらに含む。第2の光導波路は、大きな端部および小さな端部を有するテーパ付き光導波路である。光ビームが第1の光導波路の小さな端部から大きな端部へ、第2の光導波路の大きな端部から小さな端部へと向けられるように、第2の光導波路の大きな端部は、第1の光導波路の逆テーパ付き内側コアの大きな端部に近接して配置される。
【００１４】
非特許文献１では、小さなコアファイバからSi-ワイア導波路への光カップリングが、縦型カップラを介してTEおよびTMの両者に対して説明された。偏光に依存しないカップリングが、72%の効率で最初の試みで実現されていると述べられている。小さなコアファイバからSi-ワイアへのカップリングは、シリコンテーパにより縦にカップリングされたΔn=4.5%の正方形-形状のコアを有する中間導波路を介して実行される。Si-ワイアコアは、220nm厚である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第6633705号
【特許文献２】米国特許出願第2006/0285797号
【特許文献３】米国特許第6697551号
【特許文献４】米国特許第7099540号
【特許文献５】米国特許出願第2005/0185893号
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Raffaella Costaら、「TE-TM coupling of standard fiber to a Si-wire waveguide」、the proceedings of the European Conference on Integrated Optics (ECIO), Copenhagen, Denmark、2007年4月25〜27日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の主要な目的は、例えば、光ファイバから名目上のHC導波路へのおよびその逆の光モードの伝播の結果として、光モード変換器の2つのファセット当たり3dB以下の、好ましくは2つのファセット当たり2dB以下のファイバとHC導波路との間の光損失で、SMファイバモードとHC導波路モードとの間の低損失カップリングを可能にするモード変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、光ファイバを高インデックス差導波路(HC導波路)に効率的にカップリングさせるための光モード変換器に関する。特に、本発明のモード変換器は、標準単一モードファイバ(下記では短く、SMファイバ)へのHC導波路の効率的なカップリングを可能にする。「高インデックス差」の意味は、下記に、より明確にされるであろう。
【００１９】
本発明による光モード変換器は、例えば、III-V化合物またはSi、SiO2(ドープしたまたはアンドープの)、SiON、Si3N4などのシリコン系材料、などの半導体系材料を含む。
【００２０】
この変換器は、例えば、形式上の面積の典型的な単一モード寸法がほぼ80μm2である標準ファイバから、単一の形式上の面積が典型的に1μm2以下であるHCプレーナ型導波路中のモードへ、およびその逆に、光モードを効率的にカップリングさせるために使用することができる。
【００２１】
本発明の光モード変換器は、第1のコアおよび第1のクラッドを含む第1の導波路を含む。第1の導波路は、第1のモードと呼ばれる少なくとも1つの光モード、好ましくは各偏光状態(TEおよびTM)に対して少なくとも1つのモードをサポートできる。それに加えて、本発明の光変換器は、第1の導波路と光カップリングしている第2の導波路を含む。第2の導波路は、コアおよびクラッドを含み、それらはしたがって、それぞれ第2のコアおよび第2のクラッドと名付けられる。とりわけ、第1の導波路と第2の導波路との間の光カップリングは、バットカップリングである。2つの導波路が、互いに面しており、かつ第1の導波路(第2の導波路)に沿って伝わる光モードが第1の導波路(第2の導波路)内で保持される伝播方向に実質的に沿って第2の導波路(第1の導波路)中へとカップリングされるように配列されることを、第1の導波路と第2の導波路との間のバットカップリングは示している。好ましくは、効率的な光カップリングを実現するために、2つの導波路のコアは、下記に詳細に述べるように、それぞれの主長軸が所与の許容誤差内に位置合わせされた状態で、互いに面するように配列される。
【００２２】
第2の導波路は、第2のモードと呼ばれる少なくとも1つの光モード、好ましくは各偏光状態(TEおよびTM)に対して少なくとも1つのモードをサポートできる。第1の導波路の屈折率差は、第2の導波路の屈折率差よりも小さい。
【００２３】
モード変換器は、また、第3のコアおよび第3のクラッドを有し、第2の導波路とエバネッセントカップリングをしている第3の導波路を含む。第3の導波路は、少なくとも1つの光モード、好ましくは各偏光状態に対して1つのモードをサポートできる。第2の導波路の屈折率差は、第3の導波路の屈折率差よりも小さい。
【００２４】
第3の導波路は、18%以上の屈折率差Δn3を有する高インデックス差導波路である。
【００２５】
本明細書において使用する屈折率差Δnの定義は、下記の通りである。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
実効屈折率は、導波路に沿って伝わる光モードの屈折率であり、一般に導波路のコア、クラッドの、および断面積の関数である。
【００２８】
好ましくは、第3の導波路コアの厚さT3は、100nmと400nmとの間に含まれる。
【００２９】
第2の導波路および第3の導波路は、エバネッセントカップリングが第2の導波路から第3の導波路へまたはその逆に確立されるような方法で互いに相対的に位置を決められている。
【００３０】
下記では、本明細書を簡単にするために、言及は、SMファイバから、第1の導波路および第2の導波路を介して第3の導波路へのモードのカップリングについてなされるであろう。しかしながら、本発明は、やはり、逆方向にモードカップリングを実行するモード変換器も包含し、そこでは、第3の導波路中を伝わるモードが第2の導波路にカップリングされ、次にSM光ファイバ中へと出力されるように第1の導波路にカップリングされる。
【００３１】
一般に第1の導波路の主長軸と一致するまたは平行であり、第1の導波路に沿った第1の光モードの伝播方向である第1の伝播方向が、規定される。同様に、第2の伝播方向が、第2の導波路に関して規定される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態では、第1の導波路および第2の導波路は、同一平面上にある。より好ましくは、第1の伝播方向および第2の伝播方向は、平行であり、さらにより好ましくは、2つの方向は、所与の位置合わせずれ許容誤差の範囲内で実質的に一致する(すなわち、第1の導波路から第2の導波路へとカップリングされるモードの伝播方向は、実質的に変化しないで保たれる)。例えば、第1の導波路は、第1の導波路のコアの主長軸と第2の導波路のコアの主長軸との間の位置合わせが±2μm以内、好ましくは±1μm以内で第2の導波路にバットカップリングされる。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態によれば、ギャップhが、光モード変換器のバットカップリング部分において第1の導波路と第2の導波路との間に存在する。ギャップhは、第1の伝播方向に沿った第1の導波路および第2の導波路の端部近接ファセット間の距離として定義される、すなわち、第1の導波路の長軸に沿って、ギャップが第1の導波路および第2の導波路を長軸方向に分離する。好ましくは、ギャップhは、10ミクロン未満であり、より好ましくは5μm未満であり、さらにより好ましくは1μm未満である。一実施形態によれば、ギャップhは、実質的にゼロである、すなわち、第1の導波路の端部ファセットは、第2の導波路の端部ファセットに接触している。
【００３４】
第3の導波路のコアは、第2の導波路と第3の導波路との間のエバネッセントカップリング領域の少なくとも一部の中にテーパ付き領域を含む。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態では、第2の導波路は、第3の導波路に対して、2つの導波路コアが、ある領域にわたり少なくとも部分的にオーバーラップするように位置を決められ、これは以降、オーバーラップ領域とも呼ばれる。オーバーラップ領域内では、2つの導波路コアは、互いに隣接し、エバネッセントカップリングによって1つの導波路から他の導波路へと大部分の光パワーの伝達が行われる。好ましくは、第2の導波路および第3の導波路は、前者が後者の上方に置かれるように配置される。好ましくは、第2のコアおよび第3のコアは、縦に配列される、すなわち、第1の伝播方向に実質的に直交する方向に規定されるある垂直距離(またはギャップ)gで配列された2つの平面内に置かれる。クラッド層は、例えば、2つのコアを分離することができる。例えば、第2のコアと第3のコアとの間のギャップは、エバネッセントカップリングの効率を妨げることなく、第3の導波路のクラッドの上に、例えば、第3のクラッドの一部の上に形成した金属層を含むマイクロヒータを集積することを可能にするのに十分に(例えば、下記により明確にされるように、最大数ミクロンまで)大きい。
【００３６】
好ましい実施形態では、第3のコアの主長軸方向は、第2のコアの主長軸方向と実質的に平行であり、そのため、以降本明細書中では第3の伝播方向と呼ばれる第3の導波路に沿った第3のモードの伝播方向が、第2の伝播方向と平行になる。
【００３７】
しかしながら、別の構成が予想されうることが、理解されるはずである。例えば、第2の導波路および第3の導波路は、それぞれのコアが同一平面上にあるように配列され、2つの導波路内の平行な伝播方向に垂直である、ある距離(すなわち、ギャップ)で1つが他のものに隣接して配置されてもよい。
【００３８】
あるいは、第3の導波路/第2の導波路中を伝わる光モードのエバネッセントテールが第2の導波路/第3の導波路中を伝搬する光モードを生じさせさえすれば、第3の導波路は、第2の導波路の上方に置かれることが可能である。
【００３９】
それゆえ、第2の導波路と第3の導波路との間のギャップは、本明細書中では一般に、第2の伝播方向に直交する方向に沿った第2のコアと第3のコアとの間の距離を指す。
【００４０】
第1の導波路は、モード変換器の外部に置かれることがある標準単一モード光ファイバとカップリングされることに適している。例えば、第1の導波路の端部ファセットは、光ファイバの端部にバットカップリングされうる。一実施形態によれば、ファイバは、ファイバコアの主長軸と第1の導波路のコアの主長軸との間の位置合わせが±2μm以内、好ましくは±1μm以内で第1の導波路にバットカップリングされる。代替の実施形態として、SMファイバは、第1の導波路のコアに一致するように、例えば、変換器の端部ファセットにファイバの端部を接着することによって、モード変換器にピグテールさせることが可能である。
【００４１】
好ましくは、SM光ファイバの主長軸がモード変換器の第1の導波路の主長軸と平行に置かれるように、SM光ファイバは、第1の導波路の入力部まで動かされる。好ましくは、第1の導波路の入力端が、比較的低い光損失でファイバから光を実質的に受け取ることができるように、SMファイバは、横方向および縦方向に位置を決められる。第1の導波路の屈折率およびその形状は、SMファイバおよび第2の導波路との最適な光カップリングを得るような方法で選択されうる。例えば、本発明の変換器の第1の導波路は、標準SMファイバとの低損失カップリングを得られ、同時に第2の導波路との効率的なカップリングを得るために、最善の妥協点である屈折率を有する材料中に好ましくは実現される。
【００４２】
好ましくは、第1の導波路コアは、第1のテーパ付き領域を含み、その第1の端部-光ファイバに面する端部-が第1の伝播方向に沿って最大値まで次第に拡大する断面積を有する。この第1のテーパ付き領域は、減少する断面積の第2のテーパ付き領域が好ましくは続きうる、すなわち、第1のテーパ付き領域の端部のところで達せられた最大断面積から、第2の端部において最大断面積よりも小さな断面積を有するように、第1の導波路コアの断面積は、第2の導波路に面しかつ第2の導波路に光学的にカップリングされる第1の導波路の第2の端部に向けて緩やかに減少する。あるいは、第1のテーパ付き領域の端部のところで達せられた最大断面積は、第2の導波路にカップリングされる第1の導波路コアの第2の端部までの所与の長軸方向の長さの間、実質的に一定に保たれてもよい。
【００４３】
第1の導波路コアの好ましい材料は、SiO2:GeおよびSiONである。
【００４４】
好ましくは、第2の導波路は、第1のテーパ付き領域を含み、そこでは、第1の導波路に光学的にカップリングされる第2の導波路の第1の端部ファセットのところで、第2のコアは、第2の伝播方向に沿って緩やかに拡大する断面積を有する。好ましくは、第2の導波路のテーパ付き領域の最小断面積は、第2の導波路の第1の端部ファセットのところで生じる。光パワーが第2の導波路(第3の導波路)から第3の導波路(第2の導波路)へ伝達される、第3の導波路と第2の導波路との間のエバネッセント光カップリングは、第2の導波路の一部および第3の導波路の一部を含むエバネッセントカップリング領域と下記では呼ばれる光モード変換器の領域内でなされる。
【００４５】
好ましくは、第2の導波路は、第2の導波路および第3の導波路のエバネッセントカップリング領域に実質的に一致する第2のテーパ付き領域を含む。
【００４６】
好ましい実施形態によれば、全エバネッセントカップリング領域内では、第3の導波路コアは、実効屈折率の緩やかな変化を与えるテーパ付き領域を含み、したがって、それは通過する光信号のモード変換を与える。第3の伝播方向に沿ったカップリング領域内の第3の導波路の実効屈折率を緩やかに変化させることによって、モードカップリングは、高効率で実現することができ、光損失の著しい減少をもたらす。好ましくは、テーパ付き領域は、第2の導波路に近接する第3の導波路コアの端部が所望のガイドコア寸法まで次第に拡大する断面積を有するような構造である。
【００４７】
しかしながら、第3の導波路コア中に実現されるテーパ付き領域は、導波路の端部に相当しなくてもよく、下記にさらに説明されるように、伝播方向とは異なる方向に沿ってさらに延びてもよい。
【００４８】
好ましくは、第3の導波路中に実現されるテーパは、直線的なテーパである。しかしながら、指数関数的テーパプロファイルまたは双曲線テーパプロファイルなどの、テーパプロファイルのさらなる最適化または別の最適化が、本発明の範囲内で予想されうる。
【００４９】
第3の導波路コアの先頭の幅(先端)は、好ましくは80nmと200nmとの間に含まれ、より好ましくは100nmと150nmとの間に含まれ、すべての大きさが標準的な製造工程により容易に得られる。
【００５０】
第2の導波路が第3の導波路の上方に置かれる本発明の好ましい実施形態では、光モード変換器の上面図上では、第2の導波路および第3の導波路は、少なくとも部分的にオーバーラップする。このオーバーラップ領域は、第2の導波路内で規定される伝播方向に沿って延びるエバネッセントカップリング領域を含む。本発明の好ましい実施形態では、エバネッセントカップリング領域およびオーバーラップ領域は、ほぼ一致する。
【００５１】
好ましくは、第2の導波路コアと第3の導波路コアとの間の垂直距離(ギャップg)は、2つの導波路のオーバーラップ領域全体にわたり実質的に一定である。
【００５２】
さらなる実施形態によれば、第2の導波路および第3の導波路の両者とも、エバネッセントカップリング領域の少なくとも一部に延びるテーパ付き領域を含む。好ましくは、第3の導波路中に実現されたテーパ付き領域および第2の導波路中に実現されたテーパ付き領域は、反対の方向にテーパを付けられる、すなわち、第2の伝播方向に沿って第2の導波路中を伝わるモードは、第2の導波路コアに沿った収束領域(連続的に縮小する横方向断面の領域)および第3の導波路コア中の発散領域(連続的に拡大する横方向断面の領域)に出会う。2つの領域が同じ方向にテーパを付けられているテーパ付き領域をそれぞれが含む第2の導波路コアおよび第3の導波路コアを含む変換器構成が、やはり、予想されうる。
【００５３】
上記の一般的な教示によって実現されるモード変換器では、第2の導波路と第3の導波路との間の横方向位置合わせずれ、すなわち、それぞれの主長軸方向に直交する第2の導波路コアの軸と第3の導波路コアの軸との間での約(±2)μmの最大値までの横方向位置合わせずれは、結果として光モードのTE/TM偏光の両者について変換器の著しい性能劣化をもたらさないことを、出願人は見出した。
【００５４】
第3の導波路の屈折率および/または第3の導波路厚さのさらに限定された範囲内では、本発明の光モード変換器の性能が、さらに最適化されうることを、出願人は見出した。
【００５５】
本発明の第1の好ましい実施形態によれば、モード変換器は、40%以上のコアとクラッドとの間の屈折率差Δn3、および120nmと180nmとの間を含む第3のコア厚さT3を有する第3の導波路を含む。
【００５６】
第3の導波路についての厚さおよび屈折率差Δn3の上記の確認された範囲では、別の光学的コンポーネントおよび/または電気的コンポーネントとの容易な集積化を可能にするために、モード変換器が極めて効率的であり、実質的に完全なモードパワー伝達が、好ましくは3000μm以下、より好ましくは1500μm以下である第3の導波路コアの「妥当な」テーパ長L内でなされることを、出願人は見出した。
【００５７】
好ましくは、第3の導波路の第3のコアは、屈折率nthird core>3を有する材料中で実現される。好ましい材料は、例えば、Si、InP、AlGaAs、SiGe、またはGeである。
【００５８】
上記の本発明の第1の好ましい実施形態では、第1の導波路の屈折率差Δn1は、好ましくは範囲(1.2±0.6)%内である。好ましくは、第1の導波路のコア厚さT1は、1μmと6μmとの間に含まれる。
【００５９】
好ましくは、第1の好ましい例におけるテーパ付き領域の端部のところの第3の導波路コアの幅、すなわち、第3のコアのガイド幅は、0.25μmと1.50μmとの間に含まれる。
【００６０】
好ましくは、第1の好ましい実施形態の第2の導波路は、屈折率差Δn2=(3.4±1.4)%を有する。好ましくは、第2の導波路のコア厚さT2は、0.5μmと4μmとの間に含まれる。
【００６１】
本発明の第2の好ましい実施形態によれば、モード変換器は、18%と30%との間に含まれるコアとクラッドとの間の屈折率差Δn3、および100nmと400nmとの間に含まれる第3のコア厚さT3を有する第3の導波路を含む。
【００６２】
好ましくは、本発明の第2の好ましい実施形態によって実現される変換器の第3の導波路の第3のコアは、屈折率1.8<nthird core<2.4を有する材料中で実現される。この第2の実施形態の変換器の第3のコアのための好ましい材料は、例えば、Si3N4などのワイド-バンドギャップ半導体である。
【００６３】
好ましくは、第2の好ましい例のテーパ付き領域の端部のところの第3の導波路コアの幅、すなわち、第3のコアのガイド幅は、0.3μmと3.0μmとの間に含まれる。
【００６４】
好ましくは、第2の好ましい実施形態の第2の導波路は、屈折率差Δn2=(2.8±1.0)%を有する。好ましくは、本発明の第2の実施形態の変換器の第2の導波路の第2のコア厚さT2は、0.5μmと4μmとの間に含まれる。
【００６５】
本発明の第2の実施形態では、第1の導波路の屈折率差は、Δn1=(1.2±0.6)%である。好ましくは、第1の導波路のコア厚さT1は、1μmと6μmとの間に含まれる。
【００６６】
本発明の第3の好ましい実施形態によれば、モード変換器は、40%以上のコアとクラッドとの間の屈折率差Δn3、および200nmと400nmとの間を含む第3のコア厚さT3を有する第3の導波路を含む。
【００６７】
第3の導波路コアのための好ましい材料および第3の導波路コアについての好ましい屈折率は、第1の好ましい実施形態を参照して詳細に説明した同じ範囲内で選択することが可能である。
【００６８】
第3の実施形態では、第2の導波路は、好ましくは屈折率差Δn2=(4.0±1.0)%を有する。好ましくは、本発明の第3の実施形態の変換器の第2の導波路の第2のコアの厚さT2は、1.2μmと3μmとの間に含まれる。
【００６９】
第3の好ましい実施形態における第1の導波路の屈折率差は、好ましくはΔn1=(1.4±0.3)%である。好ましくは、第1の導波路のコア厚さT1は、1μmと5μmとの間に含まれる。
【００７０】
第1の実施形態および第2の実施形態におけるカップリング領域の長さLは、好ましくは100μmと3000μmとの間に含まれるが、第3の実施形態では、Lは、好ましくは200μmと5000μmとの間に含まれる。
【００７１】
好ましくは、第2の導波路のコアと第3の導波路のコアとの間に存在するギャップgは、本発明の変換器の第1の好ましい実施形態では0.1μmと3μmとの間に含まれ、本発明の第2の好ましい実施形態では0.1μmと5μmとの間に含まれ、本発明の第3の好ましい実施形態では0.5μmと2μmとの間に含まれる。特定の変換器に対して選択した第2のコアと第3のコアとの間のギャップgの値は、とりわけ、第3の導波路コアにおいて実現されるテーパ付き領域のテーパ先端の幅(すなわち、そこではテーパ付き領域の断面積が最小である)に関連して選択されうる。好ましくは、光モードミスマッチに起因する損失を最小にするために、第3の導波路先端が広いほど、ギャップgが大きくなる。
【００７２】
本発明の第1の好ましい実施形態または第2の好ましい実施形態のいずれかによるモード変換器が、光モード変換器に入射する入力光信号の偏光状態を維持できることを、出願人は見出した。
【００７３】
一般に、単一モード光ファイバまたは単一モード導波路は、TE(transverse electric)モードおよびTM(transverse magnetic)モードと呼ばれる2つの偏光モードをサポートできる。変換器に入射するときに、偏光のある入力状態を有する光モードが与えられると、好ましくは、HC導波路への光カップリングの振る舞いが入力偏光状態に無関係に同じであることが、ある応用例では望ましい。例えば、光ファイバをわたり伝送される信号は、ランダムに偏光されることがある、すなわち、2つのTE/TM偏光のランダムな重なりを有することがある。この場合には、モード変換器の入力部のところの偏光状態が第3の導波路のカップリング領域の出力部のところで実質的に影響されずに現れることが、望ましい。この意味するところの範囲内では、本発明の好ましい実施形態のモード変換器は、着信光信号の偏光状態に「トランスペアレント」である。
【００７４】
-導波路内では-偏光モードの縮退を回避するために、光モードが正方形断面域またはほぼ正方形断面域を有するコア領域に沿って伝わることを、可能な限り回避すべきであることを、出願人は、理解している。この場合には、正方形断面域またはほぼ正方形断面域は、導波路の長方形断面域の辺のうちの1つをLと名付けると、その区域のL辺とすべての他の辺との間の違いが0.2L未満である、より好ましくは0.1L未満である場合には、この区域は正方形またはほぼ正方形であると考えられることを、意味することができる。このコア領域内では、やはり、コア設計および伝播方向に沿った断面域の寸法の不可避な製造上の不完全性のために、TE/TMモードの縮退が、偏光混合をもたらす可能性が極めて大きい。
【００７５】
それに加えて、偏光混合が、TM偏光モードおよびTE偏光モードが比較的大きな屈折率差を経験する高インデックス導波路中で生じる場合には、光モードは、偏光依存性の損失および偏光モード分散によって強く影響を受けるようになる。
【００７６】
やはり偏光「トランスペアレント」であるモード変換器を得ることが望ましい場合には、第2の導波路と第3の導波路との間の光パワーの伝達の大部分が正方形断面域またはほぼ正方形断面域を含んでいない第3の導波路コアの領域に一致して生じるように、変換器のカップリング領域が、好ましくは設計されることを、出願人は理解している。
【００７７】
40%以上のΔn3、および120nmと180nmとの間を含む第3のコア厚さT3を有するモード変換器では、比較的「薄い」第3の導波路コアのために、モードが正方形断面を含む第3のコアの領域に一致するTE/TM縮退を「経験する」ときには、モードパワーの比較的小さな割合だけが、第2の導波路から第3の導波路へと伝達される。偏光スクランブル(または混合)は、したがって実質的に回避される。
【００７８】
第2の導波路と第3の導波路との間のモードカップリングでは、一般に、2つの導波路間の屈折率差が小さいほど、第2の導波路から第3の導波路へのモード伝達が遅い。18%<Δn3<30%の場合には、Δn3>40%の場合よりも厚い、すなわち、約180nmより厚い第3の導波路コアが、伝えられている光モードの偏光を維持しつつ、そのように常に予想されうる。18%<Δn3<30%を有する変換器では、第3の導波路コア中に実現されるテーパ付き領域は、増加した厚さのために、本発明の第1の実施形態による変換器中よりも長い先端からの距離のところに置かれうる正方形断面を含む部分を依然として有する。しかしながら、モードの伝達がΔn3>40%の場合よりも「遅い」ので、モードの少しの割合だけが、第3の導波路中を伝えられるが、大部分のモードパワーが第2の導波路中を依然として案内されているときには、TM/TE偏光は縮退する。第3の導波路コアの厚さは、好ましくは400nm以下である。
【００７９】
下記では、平易さを目的として、本発明の第1の好ましい実施形態による変換器は、Δn3>40%および120nmと180nmとの間に含まれる第3のコア厚さT3を有する第3の導波路を含んでいる変換器を指し、本発明の第2の好ましい実施形態による変換器は、18%<Δn3<30%および100nmと400nmとの間に含まれる第3のコア厚さT3を有する第3の導波路を含む変換器を意味し、本発明の第3の好ましい実施形態による変換器は、Δn3>40%および200nmと400nmとの間に含まれる第3のコア厚さを有する第3の導波路を含んでいるモード変換器を指す。追加の明細な記載のない用語「変換器」の使用は、その用語が使用される文章が本発明の実施形態のいずれかによるモード変換器に適用されることを意味する。
【００８０】
3つの好ましい実施形態のいずれかによる変換器は、SM標準ファイバにカップリングされたときに、光ファイバから名目上のHC導波路へのおよびその逆の光モードの伝搬の結果として、光モード変換器の2つのファセット当たり3dB未満の光損失を示す。
【００８１】
3dBよりさらに小さい、特に2つのファセット当たり2dB未満の光損失を得るために、それぞれ、第1の導波路、第2の導波路、および第3の導波路の屈折率差、Δn1、Δn2、Δn3、ならびに第1のコア厚さ、第2のコア厚さ、および第3のコア厚さ、T1、T2、T3は、好ましくは、そして独立に、より狭い範囲内に含まれる。
【００８２】
より詳しくは、本発明の第1の好ましい実施形態では、第2の導波路のΔn2の値は、第1の変形例によれば、好ましくは範囲(2.6±0.6)%内である。第2の変形例によれば、Δn2の値は、好ましくは(4.2±0.6)%である。第2の導波路コアの好ましい材料は、例えば、SiONまたはSiO2:Geである。
【００８３】
本発明の第1の実施形態のさらなる好ましい変形例によれば、第2のコア厚さT2は、Δn2=(2.6±0.6)%の場合には、1μmと4μmとの間に含まれ、T2は、Δn2が(4.2±0.6)%の場合には、0.5μmと3μmとの間に含まれる。
【００８４】
本発明の第1の実施形態のもう1つの好ましい変形例によれば、第1のコアは、Δn2=(2.6±0.6)%の場合には、屈折率差Δn1=(1.1±0.5)%を、およびΔn2が(4.2±0.6)%の場合には、Δn1=(1.5±0.2)%を有する。
【００８５】
第1のコア厚さT1は、Δn1=(1.1±0.5)%の場合には、1μmと6μmとの間に含まれ、T1は、Δn1=(1.5±0.2)%の場合には、1μmと5μmとの間に含まれる。
【００８６】
本発明の第2の実施形態の第1の変形例によれば、第2の導波路のΔn2の値は、Δn2=(2.3±0.3)%の間に含まれる。第2の実施形態の第2の変形例によれば、第2の導波路のΔn2の値は、Δn2=(3.50±0.25)%の間に含まれる。
【００８７】
好ましくは、第2のコア厚さT2は、Δn2=(2.3±0.3)%の場合には、1μmと4μmとの間であり、Δn2=(3.50±0.25)%の場合には、0.5μmと3μmとの間である。
【００８８】
第2の導波路コアの好ましい材料は、例えば、SiONまたはSiO2またはGeである。
【００８９】
好ましくは、第1の導波路は、Δn2=(2.3±0.3)%の場合には、Δn1=(1.2±0.5)%を、およびΔn2=(3.50±0.25)%の場合には、Δn1=(1.5±0.2)%を有する。
【００９０】
好ましくは、第1のコア厚さT1は、Δn1=(1.2±0.5)%の場合には、1μmと6μmとの間に含まれ、Δn1=(1.5±0.2)%の場合には、1μmと5μmとの間に含まれる。
【００９１】
本発明の第3の実施形態の第1の変形例によれば、第2の導波路のΔn2の値は、Δn2=(3.50±0.25)%の間に含まれる。第3の実施形態の第2の変形例によれば、第2の導波路のΔn2の値は、Δn2=(4.5±0.25)%の間に含まれる。
【００９２】
好ましくは、第2のコア厚さT2は、Δn2=(3.50±0.25)%の場合には、1.5μmと4μmとの間に含まれ、T2は、Δn2=(4.5±0.25)%の場合には、1.2μmと3μmとの間に含まれる。
【００９３】
第2の導波路コアの好ましい材料は、例えば、SiONまたはSiO2:Geである。
【００９４】
好ましくは、第1の導波路は、Δn2=(3.50±0.25)%の場合には、Δn1=(1.5±0.2)%を、およびΔn2=(4.50±0.25)%の場合には、Δn1=(1.6±0.1)%を有する。
【００９５】
好ましくは、第1のコア厚さT1は、第3の実施形態の両方の変形例では1μmと5μmとの間である。
【００９６】
本発明による光モード変換器のさらなる特徴および利点は、添付した図面に関して与えられる、下記のその詳細な説明からより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の光モード変換器の一実施形態の模式的な長軸方向の図である。
【図２】図1の変換器の線AAに沿って取った部分上面図である。
【図３ａ】図2の破線に沿って取った図1の変換器の横方向断面図である。
【図３ｂ】図2の破線に沿って取った図1の変換器の横方向断面図である。
【図３ｃ】図2の破線に沿って取った図1の変換器の横方向断面図である。
【図３ｄ】図2の破線に沿って取った図1の変換器の横方向断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、第2の導波路と第3の導波路との間のオーバーラップ領域が模式的に表わされている図1の変換器の別の1つの部分上面図である。
【図５ａ】「IN」により示された図4の破線に沿って取った図1の変換器の横方向断面図である。
【図５ｂ】「MIDDLE」により示された図4の破線に沿って取った図1の変換器の横方向断面図である。
【図６ａ】図1の変換器中を伝わるTMモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図６ｂ】図1の変換器中を伝わるTMモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図６ｃ】図1の変換器中を伝わるTMモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図６ｄ】図1の変換器中を伝わるTMモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図７ａ】図1の変換器中を伝わるTEモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図７ｂ】図1の変換器中を伝わるTEモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図７ｃ】図1の変換器中を伝わるTEモードの振る舞いのシミュレーションの図である。
【図８ａ】第3の導波路コアのテーパ長の関数として、図1のモード変換器中の入力信号としてのTM偏光モードの規格化したパワー伝達の振る舞いを示すグラフである。
【図８ｂ】第3の導波路コアのテーパ長の関数として、図1のモード変換器中の入力信号としてのTE偏光モードの規格化したパワー伝達の振る舞いを示すグラフである。
【図９】図1の変換器に関する、偏光変換効率対第2の導波路コアのテーパ長のグラフである。
【図１０】図1の変換器の変形例の横方向断面図である。
【図１１】図1の変換器の2つのファセットについて、挿入損失の関数としての歩留りを示すグラフである。
【図１２ａ】図1の変換器の実現のための製造ステップを示す図である。
【図１２ｂ】図1の変換器の実現のための製造ステップを示す図である。
【図１２ｃ】図1の変換器の実現のための製造ステップを示す図である。
【図１２ｄ】図1の変換器の実現のための製造ステップを示す図である。
【図１３】本発明のさらなる実施形態による、第2の導波路と第3の導波路との間のオーバーラップ領域が模式的に表わされている図1の変換器の部分上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００９８】
図1を最初に参照すると、本発明の一実施形態による光モード変換器が、参照番号100により包括的に示されている。図は、モード変換器の模式的な表示であり、そこでは変換器中に含まれる要素の寸法が一定の縮尺では図示されていない。
【００９９】
モード変換器100は、第1の導波路1aを含み、その端部ファセット30がモード変換器100の入力部/出力部を形成し、第1の導波路と位置合わせされている外部SMファイバ3fにカップリングされることに適している。
【０１００】
モード変換器100は、第2の導波路2aをさらに含み、その第1の端部9がファイバ3fに面している端部とは反対の第1の導波路1aの端部31にバットカップリングされている。第2の導波路は、第1の端部9とは反対の第2の端部9'を含むことができる。図1に示したように、第1の導波路1aは、SMファイバ3fにその端部30のうちの1つにより、第2の導波路2aにその反対側の端部31によりカップリングされている。
【０１０１】
導波路1aの端部ファセット30は、光ファイバの端部ファセット30'に好ましくはバットカップリングされる。代替例として、SMファイバのカップリングは、モード変換器100へのファイバピグテールを介して得られる。
【０１０２】
第1の導波路1aは、以降第1のコア1と呼ばれるコア、および第1のクラッドと名付けられたクラッドとを含む。同様に、第2の導波路は、第2のコアおよび第2のクラッドと下記では名付けられている、コア2およびクラッドを含む。第1の導波路1aは、第2の導波路2aの屈折率差よりも小さな屈折率差を有する。
【０１０３】
好ましくは、第2の導波路および第1の導波路の主長軸方向は、互いに平行であり、より好ましくは、これらは両者とも、SMファイバの主長軸方向に平行である。この共通の方向は、図1では軸Zにより慣用的に示されている。Z軸は、やはり、導波路内を伝わる光信号の主伝播方向を規定する。
【０１０４】
好ましい実施形態によれば、第1の導波路のコアの幾何学的軸および第2の導波路のコアの幾何学的軸は、2つがZ方向に1つの後に他のものが位置合わせされるように、一致している。2つのコア軸間の位置合わせは、好ましくは±2μm以内であり、より好ましくは±1μm以内である。
【０１０５】
好ましくは、長軸方向ギャップh、すなわち、Z方向に沿った距離が、第1の導波路コア1の端部31と、第1の導波路コア1がカップリングされる第2の導波路コア2の端部9との間に存在する。ギャップhの値は、好ましくは10μm未満であり、より好ましくは5μm未満であり、さらにより好ましくは1μm未満である。代替の実施形態によれば、長軸方向のギャップhの値は、実質的にゼロである、すなわち、端部ファセット31および9が互いに接触している。
【０１０６】
変換器100は、第3の導波路3aをさらに含み、その上に、第2の導波路2aが縦に配列されている。第3の導波路3aは、コア3(下記では第3のコア)を含む。第3の導波路3aは、第2の導波路2aの屈折率差よりも大きな屈折率差を有する。
【０１０７】
本発明の好ましい実施形態によれば、第3のコア3は、下部クラッド層7上に配置される。下部クラッド層7は、基板5上に配列されうる。上部クラッド層4は、第3のコア3上に配置される。下部クラッド層7および上部クラッド層4は、コア3を囲み、第3の導波路3aの第3のクラッドを定める。
【０１０８】
第2の導波路コア2は、クラッド層4上に配置され、上部クラッド層6によって覆われる。クラッド層4および6は、コア2を囲み、第2の導波路2aの第2のクラッドを定める。
【０１０９】
好ましい実施形態によれば、第1の導波路コア1は、やはり、クラッド層4上に、好ましくはクラッド層4中に実現されたエッチされた領域上に実現され、好ましくは第2の導波路2aの上部クラッド層6である別のクラッド層によって覆われる。クラッド層4および6は、コア1を囲み、やはり、第1の導波路1aの第1のクラッドを定める。
【０１１０】
好ましい実施形態では、第1のクラッドは、第2の導波路2aのクラッドと同じ材料であり、第3の導波路3aの上部クラッドから形成される。共通クラッドの屈折率は、第1の導波路1aの第1のコア1の屈折率よりも小さい。
【０１１１】
好ましくは、第1の導波路、第2の導波路、および第3の導波路は、共通シリコン-オン-インシュレータ(SOI)構造上に形成される。好ましくは、第3の導波路コア3は、例えば、SiO2からなるバッファ層がSi基板5上に形成された下部クラッド7であるSOI構造のSi上部層中に形成される。
【０１１２】
SMファイバから第1の導波路1aへと案内されるモードは、典型的には9〜10μmである比較的大きなモード直径のために、「広がり型」モードである。
【０１１３】
光漏れを避けるために、基板5がシリコンなどの高屈折率を有する材料からなる場合には、基板上に配列されたクラッド層7は、3μmよりも厚い、より好ましくは15μm以上の厚さを有する。
【０１１４】
第3の導波路3aは、高インデックス差(HC)導波路であり、その屈折率差Δn3は、18%以上である。第3のコア3の厚さT3は、好ましくは100nmと400nmとの間に含まれる。
【０１１５】
第1の導波路1aとSMファイバ3fとの間の、および変換器100の第1の導波路1aと第2の導波路2aとの間のカップリング領域の(X,Z)平面上の上面図が、図2に図示されている。図は、AA軸に沿って取られた図1の構造の部分的な(すなわち、第2のコア2の端部9'および第3の導波路コア3は示されず、図は一点鎖線のところで中断されている)上から見た断面図である。
【０１１６】
例として、図1は、SMファイバ3fから出射し、第1の導波路1aへとカップリングされる光モード(矢印により模式的に示されている)の場合を図示している。再び図2を参照すると、第1のコア1は、第1のテーパ付き領域26を含み、そこでは第1のコア1がファイバ3fに面している端部ファセット30のところでの最小入力幅W1IN(図3a)から最大幅W1MIDDLE(図3b)へと緩やかに拡大する横方向幅を有する。この最大幅W1MIDDLEから、第1のテーパ付き領域26に接続する第2のテーパ付き領域25が存在することができ、そこでは第1のコア1の横方向幅が、値W1MIDDLEから、第2の導波路2aに面している第2のテーパ付き領域25のファセット31のところでの値W1OUT<W1MIDDLEへと緩やかに減少する。図2に示された実施形態によれば、第2のテーパ付き領域25の端部ファセット31は、やはり、第1の導波路コア1の端部ファセットを表わす。
【０１１７】
別の一実施形態によれば(図示せず)、領域25は、第1の導波路の主長軸方向、すなわち、図1の実施形態ではZ軸に沿って実質的にテーパを付けずに一定の幅を有しうる(W1MIDDLE=W1OUT)。
【０１１８】
第1の導波路1a中を伝わるモードは、次に第2の導波路2aにカップリングされる。
【０１１９】
第2の導波路コア2は、第1のテーパ付き領域24を含み、その端部9が第1の導波路コア1の第2のテーパ付き端部領域25にバットカップリングされている。常に図2を参照すると、第2の導波路コア2の幅は、その端部9のところのテーパ先端幅W2IN (図3a参照)から幅W2IN2>W2INへと拡大する。コア2の幅W2IN2 (図2および図3d参照)は、それ自体の端部9'まで実質的に一定のままでありうる、または、下記に説明するように、ある長さの間一定のままであり、次に第2のテーパ付き領域が続きうる。
【０１２０】
モードは、第3の導波路3aとエバネッセントカップリングがなされる領域まで第2の導波路2a中へとさらに伝搬する。
【０１２１】
図1に見られるように、Z軸に沿って延びる所与の領域に関して、2つの導波路コア2、3は、Z軸に直交する垂直なY軸に沿った相互の距離gで、1つが他のものの上に延びている。1つの導波路コアが他のものの上に置かれるZ軸に沿った領域は、オーバーラップ領域と呼ばれ、2つの導波路が光学的にカップリングされるエバネッセントカップリング領域を実質的に含む。図1および図4に図示された好ましい実施形態では、オーバーラップ領域およびカップリング領域は、実質的に一致する。
【０１２２】
ここで図4を参照すると、2つの導波路が1つを他のものの上に縦に配列しているオーバーラップ領域を横切る(X,Z)平面の上面図が、拡大した尺度で図示されている。この図は、図2のZ方向に沿った続きとして見られうる。この図では、2つのコア2、3が、明確化の目的で見られる、しかしながら、第2のコアだけが、第2のコアの軸に沿って作られる上から見た断面図上に見られるはずであるが、第3のコアがクラッド層4の下に隠されたままであるはずであることが、理解されるであろう。
【０１２３】
図4に表現された実施形態では、第2の導波路コア2は、Z軸に沿って延びる領域において第3の導波路コア3とオーバーラップする。オーバーラップ領域の2つの端部を越えると、第3のコアだけ(図の右側)または第2の導波路コアだけ(図の左側)が存在する。
【０１２４】
しかしながら、別の構成が予想されうる。例えば、第2の導波路は、例えば、Z方向から離れてさらに延びうる。それに加えて、第3の導波路は、やはり、下記にもっと明確にされるように、Z方向から離れてさらに延びうる、またはテーパ先端の続きとしてさらに延びうる。
【０１２５】
図13は、本発明の別の実施形態による変換器100"のオーバーラップ領域の上面図である。図13に図示されていない変換器100"の特徴は、変換器100の特徴と同じであると考えられる。変換器100"の第2の導波路コア2は、やはり、エバネッセントカップリングが行われた後でZ方向に沿ってさらに延びている。それに加えて、第3の導波路コア3は、カップリング領域の開始点のところでは始まらない、例えば、テーパ先端が第3のコアの終端ではなく、むしろ、第3の導波路コア3がZ方向と所与の角度を形成するある方向に沿って延び、例えば、意味のある光カップリングが第3の導波路コアと第2の導波路との間で行われないように、先端が第2の導波路から断熱的に「引き離される」ような方法で、その角度が選択される。第3のコアが最小の断面積を有するときに、第2の導波路コアおよび第3の導波路コアは、Z軸に沿ってオーバーラップする、すなわち、第3のコアが先端断面積を有するときに、オーバーラッピングが生じる。(図13の右側の)カップリング領域の後で、第3のコア3は、別の方向に向かってさらに曲がりうる。
【０１２６】
下記において、説明を簡単にするためだけに、言及は、第1の導波路1aから到達し、第2の導波路コア2aから第3の導波路3aまで(図4および図13では左から右へ)伝わるモードについて行われ、したがって、「拡大する」または「縮小する」などの語が、モード伝播方向における前の導波路の大きさを参照するように、変換器100の要素は、この方向を考慮することによって説明される。しかしながら、本実施形態が、反対方向に伝わり、かつ第3の導波路から入力され、第2の導波路に、次に第1の導波路に光学的にカップリングされる光モードを包含しうることが、理解されるはずである。
【０１２７】
図4に表現されたように、オーバーラップ領域は、各導波路に対して3つの異なる部分(それぞれ軸「IN」、「MIDDLE」、「OUT」、および「E」と呼ばれる破線によって図中では分離されている)に分割することができ、そこでは、導波路2a、3aが異なる形状を有する。すべての部分が必ずしも必要とされず、かつそれらの部分がパワー伝達効率を最大にし、デバイスの全長を最小にするように実現されうることが、理解されるはずである。軸「IN」と「MIDDLE」との間の領域として表わされるZ軸に沿った長さL1の第1の部分では、第2の導波路および第3の導波路2a、3aの両者は、テーパ付き領域を含み、第2のコア2は、その横方向幅(すなわち、Z軸に直交するX方向の幅)がW2IN2からW2MIDDLEへと縮小される第2のテーパ付き領域11を含む。第2のテーパ付き領域11は、第1の導波路にカップリングされる任意選択の第1のテーパ付き領域24(図2)に接続しうる、または一定幅の領域に続きうる。図5aおよび図5bは、それぞれ軸「IN」および軸「MIDDLE」に沿って取られた(X,Y)面内の2つの横方向断面を示す。第1の部分では、第3のコア3は、横方向幅がW3IN(テーパ付き領域13の先端)からW3MIDDLEへと拡大するテーパ付き領域13を含む。W3INは、主伝播方向(図4中のZ軸)に沿った第3の導波路コア3の最小幅を表わし、テーパ付き領域がそこから延びる導波路コア端部のうちの1つの幅と一致する。図5aの第1の断面は、図4の表わされた導波路部分中のその最小幅のところの第3のコア3およびその最大幅のところの第2のコア2、すなわち、W3INおよびW2IN2のところを示す。図5bの第2の断面では、第3のコア3は、その中間の幅W3MIDDLEのところを表わすが、第2のコア2は、第1の領域の最小幅W2MIDDLEのところで図示されている。
【０１２８】
「MIDDLE」により示された軸のところで終わる第1の部分から、Z軸に沿った長さL2の第2の部分が延び、そこでは、第2のコア2は、一定幅部分12中と実質的に同じ断面積を保つが、第3のコア3は、テーパ付き領域13に隣接し実質的にその延長である別のテーパ付き領域13'を含み、W3OUTまでそれ自体の幅をさらに増加させる。この第2の部分の後に、「OUT」軸のところで終わる任意選択の第3の部分がさらに延び、そこでは、第1のコアおよび第2のコア2、3の両者は、2つのコアが実質的に同じ断面積を保つ一定幅部分14、15を含む。(軸「E」のところで終わる)第3の部分の端部は、やはり、好ましくは第2のコア2の端部を表わす。その点から先へ、第3のコア3だけが、Z軸に沿ってさらに延びている。
【０１２９】
第1の部分および第2の部分の長さL1およびL2の合計は、変換器100の第3のコアテーパ付き領域の全長Lを与える。好ましくは、第3の導波路コア3中のテーパ付き領域13、13'内では、エバネッセントカップリングがなされ、したがって、テーパ付き領域の端部のところで、第1の導波路中に入力される変換器中を伝わるモードは、第2の導波路から第3の導波路へ完全にカップリングされる。実質的に全体のエバネッセントカップリング領域に沿って延びるテーパ付き領域がある第3のコアを有することが好ましいが、テーパ付き領域は、2つの導波路間のカップリング領域を越えてさらに延びうることが、理解されるはずである。
【０１３０】
別の実施形態によれば、図13に見られるように、第3の導波路は、テーパ付き領域13のテーパ先端で終わらないで、むしろ、一定の先端幅W3INを保ってZ方向に沿って延びている。
【０１３１】
本発明の第1の好ましい実施形態によれば、第3の導波路の屈折率差Δn3は、40%よりも大きい。それに加えて、本発明の同じ第1の実施形態によれば、第3のコア3の厚さT3は、好ましくは120nmと180nmとの間に含まれる。好ましくは、第3の導波路の第3のコア3は、屈折率nthird core>3を、より好ましくはnthird core>3.2を有する材料において実現される。好ましい材料は、例えば、Si、InP、AlGaAs、SiGeであり、より好ましくはSiである。
【０１３２】
本発明の第2の実施形態によれば、第3の導波路3aは、18%と30%との間に含まれる屈折率差Δn3、および100nmと400nmとの間に含まれる好ましい第3のコア3の厚さT3を有する。好ましくは、第3の導波路3aの第3のコア3は、屈折率1.8<nthird core<2.4を有する材料において実現される。本発明のこの第2の実施形態による変換器100の第3のコア3のための好ましい材料は、例えば、Si3N4またはシリコンを富化させたナイトライド(SiN)などのワイド-バンドギャップ半導体である。
【０１３３】
本発明の第3の好ましい実施形態によれば、第3の導波路の屈折率差Δn3は、40%よりも大きい。それに加えて、本発明の同じ第3の実施形態によれば、第3のコア3の厚さT3は、200nmと400nmとの間に好ましくは含まれる。好ましくは、第3の導波路の第3のコア3は、屈折率nthird core>3を、より好ましくはnthird core>3.2を有する材料において実現される。好ましい材料は、例えば、Si、InP、AlGaAs、SiGeであり、より好ましくはSiである。
【０１３４】
第2の導波路と第3の導波路との間の距離、すなわち、ギャップgは、本発明の第1の実施形態による変換器では0.1μmと3μmとの間に、本発明の第2の実施形態による変換器では0.1μmと5μmとの間に、本発明の第3の実施形態による変換器では0.5μmと2μmとの間に好ましくは含まれる。
【０１３５】
カップリング領域の長さLは、本発明の第1の実施形態および第2の実施形態による変換器では100μmと3000μmとの間に、本発明の第3の実施形態による変換器では200μmと5000μmとの間に好ましくは含まれる。
【０１３６】
第1の導波路1aの屈折率差Δn1およびコア厚さT1ならびに第2の導波路2aの屈折率差Δn2およびコア厚さT2は、本発明の別の好ましい実施形態において下記に書かれたtable 1(表1)に従って好ましくは選択される。
【０１３７】
【表１】
2011513773.tif 000004
【０１３８】
第1の導波路や、第2の導波路、および第3の導波路がtable 1(表1)の好ましい範囲に含まれる屈折率を有する、本発明の第1の好ましい実施形態、第2の好ましい実施形態、または第3の好ましい実施形態のいずれかによる変換器は、SM標準ファイバ3fにカップリングされるときに、2つのファセット当たり3dB未満の光損失を示す。
【０１３９】
table 1(表1)は、やはり、第1のコアおよび第2のコア1、2の屈折率に関する好ましい範囲値を示している。第2のコア2が実現される可能性がある材料は、例えば、GeドープのSiO2またはSiONである。第1のコア1が実現される可能性がある材料は、例えば、GeドープのSiO2である。
【０１４０】
第1の導波路1aおよび第2の導波路2aの屈折率および厚さに関するより好ましい範囲が、table 2(表2)に列挙されている。第1の導波路および第2の導波路がtable 2(表2)の上に列挙した範囲に含まれる屈折率およびコア厚さを有する、本発明の第1の好ましい実施形態か、第2の好ましい実施形態か、第3の好ましい実施形態のいずれかによる変換器100は、2つのファセット当たり2dBよりも低い光損失を示す。
【０１４１】
【表２】
2011513773.tif 000005
【０１４２】
動作では、変換器100を機能させることは、モード変換器100内の様々な点のところで光モードの数値シミュレーションを活用して理解されうる。とりわけ、第2の導波路と第3の導波路との間のエバネッセントカップリングが説明される。SMファイバ3fから第1の導波路1aを介して第2の導波路2aに入力され、次に第3の導波路3aにカップリングされるTMモードおよびTEモードのシミュレーションが、変換器100中のモードの進展およびカップリングを図式的に理解するために、図6aから図6d(TMモード)および図7aから図7c(TEモード)に示されている。図6a(7a)は、カップリング領域の入力部のところの、すなわち、図5aに対応する場所のところの、TM(TE)モードを示し、モードは、第2のコア2内に実質的にすべてが閉じ込められて伝えられる。図6b(7b)は、図5bの断面に対応する、カップリング領域の「中間」のところの(すなわち、図4の「MIDDLE」軸に対応する場所における)モードを示し、TM(TE)モードは、第3のコア3に部分的に伝達されるが、その実際的に意味のある部分は、まだ第2のコア2中を案内されている。第2のコアおよび第3のコアの第2の部分13'、12の端部(軸「OUT」)に、この場合には対応する、カップリング領域の出力部のところでは、図6c(7c)に示されるように、モードは、第3のコア3へ実質的に完全に伝達される。図6dは、図1の一部に実質的に類似する変換器100の長軸方向断面を表わし、エバネッセントカップリング部に沿ったTMモードの進展を可視化している。
（実施例１）
【０１４３】
nsecond core=1.483およびΔn2=2.5%を有するGeドープのSiO2(SiO2:Ge)第2の導波路コアは、150nm厚のSi導波路の上に縦に積み重ねられ(nthird core=3.4756、Δn3=40%)、1550nmにおいてncladding=1.446を有する1.2μmの酸化物層(TEOS)によってこの2つは分離される。第2のコアおよび第3のコアは、縦に位置合わせされる、すなわち、横方向位置合わせずれは、第2の導波路と第3の導波路との間には存在しない。2つのコア2、3の厚さは、本実施例による変換器100に沿っては実質的に変化しないで保たれる(すなわち、T2=2.6μmおよびT3=150nm)。
【０１４４】
この実施例では、図5aの第1の断面のところのコアの寸法は、Si導波路中に実現されたテーパ先端の幅に対応してW3IN=100nmであり、およびW2IN2=T2=2.6μmである。オーバーラップ領域の第1の部分は、500μmに等しい長さL1を有する。図5bの第2の断面のところでは、第3のコア3は、中間幅W3MIDDLE=200nmを有し、第2のコア2は、その最小幅W2MIDDLE=1.2μmのところであり、オーバーラップ領域の終わりまで一定のまま保たれる。Siコア中のテーパ付き領域は、カップリング領域の後へ延びる導波路の部分において一定のまま保たれるガイド幅W3OUT=500nmで終結する。オーバーラップ領域の第2の部分の長さL2は、500μmであり、Siコア内のテーパ付き領域の1000μmの全長Lを与える。
【０１４５】
第1の導波路1は、nfirst core=1.462およびΔn1=1.1%であるSiO2:Geコア1を有する。第1の導波路クラッドは、ncladding =1.446を有する。第1の導波路コア1の厚さT1は、一定であり、3.5μmに等しい。
【０１４６】
図2の上面図および図3a〜3dの断面図を参照すると、第1の導波路コア1および第2の導波路コア2の寸法は、下記の通りである。
W1IN=第1の導波路コアのテーパ付き領域26のテーパ先端幅=1.5μm、
W1MIDDLE=第1の導波路コアの最大幅=3.5μm、
W1OUT=第1の導波路コアのテーパ付き領域25のテーパ先端幅=3.5μm (この場合では、第1のテーパ付き領域26の終わりから導波路の端部31まで、テーパ付き領域25は実現されず、第1の導波路コア幅W1MIDDLEが一定のまま保たれる)。
第2の導波路コア2は、W2IN=テーパ24の先端幅=1.25μmを有し、
第2の導波路コアは、次に、正方形断面を有する伝播幅W2IN2=2.6μmへと拡大する。
【０１４７】
実施例1の変換器の実現のための主要ステップが、図12aから図12dを参照して説明される。商業的に入手可能なSOI構造は、基板ウェーハ5と、バッファ層7(例えば、SiO2)と、150nmの最上部Si層とを含む。Si膜は、電子ビームリソグラフィを使用することによって続いてパターニングされる。TEOS(1550nmでn=1.446)上部クラッド層4が、常圧化学気相堆積(APCVD)によってパターニングされたSiコア3の上方に堆積される。結果としてのTEOS表面は、公知の技術によってそのように平坦化される。SiO2:Ge層2およびホウ素リンドープのTEOS(BP-TEOS)クラッド層8が、次にプラズマCVD(PECVD)を使用して堆積される(図12a)。TEOSクラッド4中のトレンチ40は、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)によって層8や、層2や、層4の一部(図12b)を除去することによって定められる。第1の導波路1aのコア層1を形成する材料が、次にPECVDによって堆積され、次に選択的に除去され、それにより定められたトレンチ40内にだけ残る(図示せず)。第1の導波路のコアを形成する層および第2の導波路のクラッドの一部は、光リソグラフィを使用することによって、第1の導波路コア1の厚さを定めるレベルまで同時にエッチングされる(図12c)。好ましくは、同じエッチングステップ内で、(X、Y)面内の第1のコアおよび第2のコアのパターニングもまた、実行される。BP-TEOS最上部クラッド6が、第1の導波路コア1および第2の導波路コア2を埋めるように、次に堆積される(図12d)。結果が、図1に示された変換器100である。
【０１４８】
実施例1による変換器100のカップリング効率は、図8aおよび図8bのグラフに示され、グラフには、第2の導波路2aに入力され、第3の導波路3aへとカップリングされるTM/TEモードの規格化したパワー伝達(それぞれ、図8aおよび図8b)が、Siコアのテーパ付き領域の長さLに対して示されている。各グラフは、第3の導波路コア中に存在するTMモードパワー(TEモード)のパーセントを表わしている。2つの図からTE偏光およびTM偏光の両方が、第2の導波路コアから第3の導波路コアへ効率的に伝達され、500μmのテーパ長のところで既に、TE偏光モードパワーおよびTM偏光モードパワーの95%よりも多くが、Siコアに伝達されていることが、推定されうる。第1の導波路1aと第2の導波路2aとの間の第1の光カップリング(バットカップリング)が、モード偏光について一般に無視できるほどの効果しか持たないことが、観測される。
【０１４９】
実施例1による変換器100は、図9のグラフに明確に示されるように、偏光-保存型である。TEモードの偏光変換効率ηEMおよびTMモードの偏光変換効率ηMEは、次式のように定義される。
【０１５０】
【数２】
2011513773.tif 000006
【０１５１】
ここで、PTEおよびPTMは、それぞれ、TE偏光モードおよびTM偏光モードのカップリング領域の出力部のところでの光パワーである。TEモードおよびTMモードの偏光変換効率は、0μmと2000μmとの間のカップリング領域の任意の長さに対して実質的にゼロに等しいままで保たれ、特に関心のあるすべてのテーパ長Lに対して、入力TMモードが変換器出力部のところでTMモードとして現れ、入力TEモードがTEモードとして現れることを、暗示している。
【０１５２】
本発明の第1の好ましい実施形態または第2の好ましい実施形態による変換器が、伝わっている光モードの偏光を保存することを、出願人は見出した。
（実施例２）
【０１５３】
第2の実施例の変換器は、第2のコア寸法を除いて、実施例1の変換器と同じ変換器である。
【０１５４】
詳しくは、図5aおよび図5bに戻って参照すると、この実施例2の変換器のコアの寸法は、次の通りである。第2の導波路コア2のガイド部分は、3.6μm×1.5μmの一定断面を有し、したがって、第2の導波路については図5aに表わされた断面のところでのW2IN2=3.6μmの入力部幅にさせるが、第3の導波路コアの幅は、実施例1のように、W3IN=100nmである。2つのコア間のギャップは、依然として1.2μmである。500μmに等しいL1を有する第1の部分の終わりのところでは、すなわち、図5bの第2の断面に図示された位置のところでは、第3のコア3は、中間幅W3MIDDLE=200nmを有し、第2のコアは、それ自体の最小幅W2MIDDLE=1.2μmのところにあり、オーバーラップ領域の終わりまで一定のまま保たれる。出力部のところでは、すなわち、L2=500μmを有する第2の部分の端部のところでは、Siコアテーパ付き領域13'は、オーバーラップ領域の外部で一定のまま保たれるガイド幅W3OUT=500nmで終結するが、W2OUT=1.2μmである。
【０１５５】
この第2の実施例によって実現される変換器のシミュレーションした性能は、実施例1によって実現される変換器100の性能と実質的に変わらない。
【０１５６】
偏光を保存する第1の好ましい実施形態または第2の好ましい実施形態による変換器では、しかしながら、横方向の位置合わせずれが、断面の面内の不完全な対称性に起因して、ある偏光混合を導くことがある。2μmまでの横方向位置合わせずれに対して、すなわち、2μmまでのモード伝播方向に直交する方向の第2の導波路主コア軸と第3の導波路主コア軸との間の距離に対して、本発明の変換器の性能は、次の実施例において例示するように、横方向位置合わせずれが存在しない場合に対して実質的に変化しないことを、出願人は観測した。
（実施例３）
【０１５７】
実施例1の同じ構造が実現されている(同じ材料および導波路寸法)が、第2の導波路および第3の導波路は、1μmの横方向位置合わせずれを有する。この実施形態は、図10の断面図に示され、第2の導波路コアおよび第3の導波路コアの幾何学的な軸が、点線により模式的に示されている。変換器は、包括的に100'により示されている。1μmの横方向位置合わせずれは、2つの導波路コア軸間のX方向に沿ったd=1μmの距離を意味する。
【０１５８】
数値コンピュータシミュレーションは、偏光混合が実施例3により実現される変換器100'ではほんのわずかな量だけ生じることを示している。観測された偏光カップリングは、20%の大きさに限られ、可逆的である、すなわち、導波路内の所与の伝播距離の後で、伝わっているモードの偏光状態は、変換器の入口のところでそれ自体の入力偏光に「戻る」。第3の導波路コアのテーパ付き領域の出力部のところでは、光モードは、第1の導波路中に発せられた同じ偏光で現れる。それに加えて、偏光混合は、主に第2の導波路中で生じ、そのため偏光に依存する損失および偏光モード分散は、実質的に無視できる程度である。
【０１５９】
出願人は、本発明の第1の実施形態による、図1を参照して説明したもののような構造を有する変換器のいくつかのサンプルの総合損失を計算している。結果が図11に示されている。変換器100の総合挿入損失は、SMファイバから入力され、Si導波路コアから出力されるモードを考慮して、2つの偏光(TE/TM)についてのおよび2つのファセットについてのデバイスの全損失である。製造歩留りをシミュレーションし、計算するために、実施例1において説明した変換器のいくつかのパラメータが、サンプル毎に変更されている、例えば、第2の導波路コアおよび第3の導波路コアのテーパ先端幅、W2IN2、W1IN、W1OUT、第1の導波路の厚さおよび幅である。この分野では、90%より高い、好ましくは95%より高い製造歩留りが、本発明の変換器が使用されようとしている典型的な応用にとって許容可能であると考えられている。図11から見られるように、Δn=1.1%を有する導波路が第1の導波路1aとして使用されたときに(実線の曲線)、最善の歩留りが実現される。この場合には、大部分(99%)のサンプルが、2つのファセット当たり1.2dB未満の総合挿入損失を有する。Δn=1.5%を有する導波路が第1の導波路として使用される場合には、損失は、95%歩留りで2つのファセットに対して1.5dBであり(一点鎖線の曲線)、Δn=0.7%を有する導波路が第1の導波路として使用される場合には、損失が2つのファセットに対して1.1dBであるときには、歩留りは、95%の値を有する(破線の曲線)。第2の導波路および第3の導波路のインデックス差は、それぞれΔn2=2.5%およびΔn3=40%になるように選ばれる。本発明による変換器は、同調可能光アドドロップ多重化装置、同調可能光フィルタ、変調器、回折格子フィルタ、センサ等、などのいくつかの集積型光デバイスまたはサブシステム中に集積することができる。
【符号の説明】
【０１６０】
100  モード変換器
1  第1の導波路コア
1a  第1の導波路
2  第2の導波路コア
2a  第2の導波路
3  第3の導波路コア
3a  第3の導波路
3f  単一モード(SM)ファイバ
4  上部クラッド層
5  基板
6  上部クラッド層
7  下部クラッド層
9  端部
11  第2のテーパ付き領域
12  一定幅部分
13  テーパ付き領域
14  一定幅部分
15  一定幅部分
24  第1のテーパ付き領域
25  第2のテーパ付き領域
26  第1のテーパ付き領域
30  端部ファセット
31  端部
【図１】
2011513773.tif 000007
【図２−３ｄ】
2011513773.tif 000008
【図４】
2011513773.tif 000009
【図５ａ−５ｂ】
2011513773.tif 000010
【図６ａ−６ｂ】
2011513773.tif 000011
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
2011513773.tif 000013
【図７ａ】
2011513773.tif 000014
【図７ｂ】
2011513773.tif 000015
【図７ｃ】
2011513773.tif 000016
【図８ａ】
2011513773.tif 000017
【図８ｂ】
2011513773.tif 000018
【図９】
2011513773.tif 000019
【図１０】
2011513773.tif 000020
【図１１】
2011513773.tif 000021
【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
2011513773.tif 000023
【図１２ｃ】
2011513773.tif 000024
【図１２ｄ】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年2月4日(2011.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主長軸方向に沿って延び、光ファイバにカップリングするように構成された端部ファセットを含む第１の端部を有する第１の導波路であって、第１のコア及び第１のクラッドを含み、第１の屈折率差を有する、第１の導波路と、
第２のコア及び第２のクラッドを含み、第２の屈折率差を有する第２の導波路であって、該第２の導波路の端部が前記第１の導波路の第２の端部にバットカップリングされる、第２の導波路と、
前記第２の導波路とのエバネッセント光カップリングを実現するように前記第２の導波路に対して配列される第３の導波路であって、第３のコア及び第３のクラッドを含むと共に、第３の屈折率差を有し、且つ前記第３のコアが前記エバネッセント光カップリングがなされる少なくとも一部にテーパ付き領域を含む、第３の導波路と、
を備え、
前記第１の屈折率差が前記第２の屈折率差よりも小さく、前記第２の屈折率差が前記第３の屈折率差よりも小さく、前記第３の屈折率差が１８％以上である、光モード変換器。
【請求項２】
前記第２のコアが、前記第３の導波路と前記エバネッセント光カップリングがなされる少なくとも一部にテーパ付き領域を含む、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項３】
前記第２のコア及び前記第３のコアが前記第１の主長軸方向と実質的に直交する方向にギャップによって分離される、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項４】
前記ギャップが実質的に一定の高さを有する、請求項３に記載の光モード変換器。
【請求項５】
前記第２のコアと前記第３のコアとの間に配置されたマイクロヒータを更に備える、請求項３に記載の光モード変換器。
【請求項６】
前記第１のコア及び前記第２のコアが前記第１の主長軸方向に沿ってギャップによって分離される、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項７】
前記第２のコア及び前記第３のコアが、前記第１の主長軸方向に沿って少なくとも部分的にオーバーラップして、オーバーラップ領域を形成する、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項８】
前記第３のコアの一側面の長さが、前記オーバーラップ領域において前記第３のコアの別の側面の長さの８０％以下であり、前記第３のコアの前記一側面及び前記第３のコアの前記別の側面の両方が前記オーバーラップ領域に位置すると共に前記第１の主長軸方向に直交する、請求項７に記載の光モード変換器。
【請求項９】
前記第２のコアの前記テーパ付き領域と前記第３のコアの前記テーパ付き領域の少なくとも一部が前記オーバーラップ領域内に配置される、請求項７に記載の光モード変換器。
【請求項１０】
前記第２のコアの一定幅部分が前記オーバーラップ領域内に更に配置される、請求項９に記載の光モード変換器。
【請求項１１】
前記第３のコアの前記テーパ付き領域及び前記第２のコアの前記テーパ付き領域には互いに反対方向にテーパが付けられている、請求項９に記載の光モード変換器。
【請求項１２】
前記第３の屈折率差が４０％よりも大きい、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項１３】
前記第３のコアの屈折率が３より大きい、請求項１２に記載の光モード変換器。
【請求項１４】
前記第２のコア及び前記第３のコアが前記第１の主長軸方向に実質的に直交する方向にギャップによって分離されており、前記ギャップが０．１μｍと３μｍとの間に含まれる、請求項１２に記載の光モード変換器。
【請求項１５】
前記第３の屈折率差が１８％と３０％との間に含まれる、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項１６】
前記第３のコアの屈折率が１．８より大きく２．４より小さい、請求項１５に記載の光モード変換器。
【請求項１７】
前記第３のコアがワイド−バンドギャップ半導体を含む、請求項１５に記載の光モード変換器。
【請求項１８】
前記第２のコア及び前記第３のコアが前記第１の主長軸方向に実質的に直交する方向にギャップによって分離されており、前記ギャップが０．１μｍと５μｍとの間に含まれる、請求項１５に記載の光モード変換器。
【請求項１９】
前記第１のコアが第１のテーパ付き領域を含む、請求項１に記載の光モード変換器。
【請求項２０】
前記第１のコアの前記第１のテーパ付き領域及び前記第１のコアの第２のテーパ付き領域には互いに反対方向にテーパが付けられている、請求項１９に記載の光モード変換器。
【国際調査報告】
2011513773.tif 000027
2011513773.tif 000028
2011513773.tif 000029