(57)【要約】　　　（修正有）【課題】小型で容易に製作可能な導波路光周波数ルータ１０を提供する。【解決手段】ルータ１０は、送信コア領域１２と、スラブ領域１８内に形成された複数の受信コア領域１４とを備え、光エネルギ２０を送信コア領域１２と受信コア領域１４との間にてスラブ領域１８を介して結合すべくコア領域１２、１４内に形成された分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤｓ）アレイ１６を更に備えている。ＤＢＤｓアレイ１６は、光波長及び伝搬角度に基づいて光エネルギ２０を受信コア領域１４の間で分配する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路光周波数ルータにおいて、
スラブ領域（ｓｌａｂ　ｒｅｇｉｏｎ）内に形成された送信コア領域と、
スラブ領域内に形成された複数の受信コア領域と、
コア領域内に形成されたブラッグ格子アレイ（ａｒｒａｙ　ｏｆ　Ｂｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓ）であって、光エネルギを送信コア領域と受信コア領域との間にてスラブ領域を介して結合し、該格子アレイが光エネルギを、伝搬角度に基づいて受信コア領域の間で分配し得る前記ブラッグ格子アレイとを、
具備することを特徴とする導波路光周波数ルータ。
【請求項２】
請求項１のルータにおいて、受信コア領域が、
送信コア領域に隣接して配置された第一の受信コア領域と、
第一の受信コア領域と送信コア領域との間に配置された第二の受信コア領域とを備え、
前記受信コア領域が送信コア領域に対し平行である、ルータ。
【請求項３】
請求項１のルータにおいて、
送信コア領域内に形成された送信分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤ）（ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　ｄｅｆｌｅｔｏｒ）であって、第一の波長を有する光エネルギを第一の角度にてスラブ領域内に回折し且つ第二の波長を有する光エネルギを第二の角度にてスラブ領域内に回折する前記送信分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤ）と、
第一の受信ＤＢＤ（ｒｅｃｅｉｖｅ　ＤＢＤ）であって、第一の角度にて伝搬する第一の波長の光エネルギを第一の受信コア領域内に回折する前記第一の受信ＤＢＤと、
第二の受信ＤＢＤであって、第二の角度にて伝搬する第二の波長の光エネルギを第二の受信コア領域内に回折する前記第二の受信ＤＢＤとを更に備える、ルータ。
【請求項４】
請求項３のルータにおいて、
受信ＤＢＤｓが所定の縞パターンを画成する格子周期及び格子角度を有する、ルータ。
【請求項５】
請求項３のルータにおいて、
コア領域が、光に露出させることにより改変可能である屈折率を有する材料を含む、ルータ。
【請求項６】
請求項１のルータにおいて、
スラブ領域の底面に結合された第一のクラッド領域と、
スラブ領域の頂面に結合された第二のクラッド領域と、
第一のクラッド領域の底面の下方に位置する基板とを更に備え、
前記クラッド領域が、光エネルギがスラブ領域及びコア領域内に封じ込まれるように所定の屈折率を有する、ルータ。
【請求項７】
導波路光ルータに対する分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤｓ）アレイを製作する方法において、
送信コア領域内で送信ＤＢＤを形成し、該送信ＤＢＤが第一の波長を有する光エネルギを第一の角度にてスラブ領域内に回折し、第二の波長を有する光エネルギを第二の角度にてスラブ領域内に回折するようにする工程と、
第一の受信コア領域内で第一の受信ＤＢＤを形成し、該第一の受信ＤＢＤが第一の角度にて伝搬する光エネルギを第一の受信コア領域内に回折するようにする工程と、
第二の受信コア領域内で第二の受信ＤＢＤを形成し、該第二の受信ＤＢＤが第二の角度にて伝搬する光エネルギを第二の受信コア領域内に回折するようにする工程とを備える、分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤｓ）アレイを製作する方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、
所定の縞パターンを受信コア領域上にホログラフィ法により投影する工程と、
所定の縞パターンに従った周期及び角度を有する格子を発生させる工程とを更に備える、方法。
【請求項９】
請求項７の方法において、
フォトレジストを使用して格子を発生させる工程を更に備える、方法。
【請求項１０】
請求項７の方法において、
光に露出させることにより改変可能な屈折率を有する材料から受信コア領域を製作する工程と、
所定の縞パターンに従って材料の屈折率を改変する工程とを更に備える、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、米国空軍から発注された契約第Ｆ３０６０２−９６−Ｃ−０２７３号に基づく政府の援助にて為されたものである。政府は、本発明に特定の権利を有している。
【０００２】
本発明は、全体として、光周波数ルータに関する。より具体的には、本発明は、分布ブラッグ偏向器アレイを有する導波路光周波数ルータに関する。
【０００３】
【従来の技術】
電子戦争及び電気通信のような多くの新たな用途は、光ビームの周波数に依存して光信号を特定の目的地に向ける能力を利用する。例えば、高密度の波長分割多重化（ＤＷＤＭ）の必要条件は、周波数が５０ＧＨｚだけ相違する光搬送波を分離しなければならないことである。光子無線周波数（ＲＦ）スペクトル分析器に対してより厳格な条件が存在し、この場合、ＲＦ信号にて変調された光搬送波を１ＧＨｚ幅又はより小さい周波数チャネルに区分することが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
波長分割多重化への１つの方策は、バルク回折格子を使用することを含む。この方策の下、幾つかの光波長を保持する入力信号は平行化レンズに向け、該平行化レンズは、入力信号を１つ又はより多くの回折格子に投影する。回折格子は、互いに極めて狭い間隔とされた複数の平行な線又は溝を備えている。これらの線に入射する光は、虹スペクトルを発生させ、その波長の各々は、回折の結果として異なる角度にて拡がる。回折された光を光子検出器又は光ファイバに収束する（用途に依存して）ため、追加的なレンズを使用することができる。バルク回折格子の方策の１つの特別な短所は、環境上の影響を受け易い比較的大型の装置となる点である。実際上、特定の用途の１ＧＨｚの分解能条件を実現するためには、約５．０８ｃｍ（２インチ）×７．６２ｃｍ（３インチ）×５．０８ｃｍ（２インチ）の装置が必要とされよう。
【０００５】
波長分割多重化の別の方策は、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）を使用することを含む。ＡＷＧの方策は、典型的に、数百チャネルの導波路を基板上に製作することを含む。各チャネル導波路の長さを正確に制御することによって、ＡＷＧは、光エネルギを基板上に形成された色々な出力チャネル導波路間の波長に従って分配することができる。１ＧＨｚの光周波数の分解能を実現するためには、チャネル導波路の長さを光波長のある率以内に制御しなければならないことを認識することが重要である。このため、ＡＷＧは複雑であり且つ製作が極めて難しい。
【０００６】
更に、上記の方策の双方に対するチャネル応答特性は、過度の複雑さ及び追加的な光学的損失を伴わずに特別に適合させることは困難である（また、場合によっては、不可能である）。このため、小型、単一体であり、１ＧＨｚの範囲内で光周波数の分解能を実現することができる導波路光周波数ルータを提供することが望ましい。また、その周波数応答性を多岐に亙る用途の必要性に合うように容易に特別に調節し、また、容易に製造可能である導波路光周波数ルータを提供することも望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記及びその他の目的は、本発明による導波路光周波数ルータによって実現される。該ルータは、平面状の光導波路スラブ領域内に形成された送信２元光導波路コア領域を有している。複数の受信コア領域もまた、スラブ領域内に形成されている。ルータは、送信コア領域と受信コア領域との間にてスラブ領域を介して光エネルギを結合するようにコア領域内で形成されたブラッグ格子アレイを更に備えている。スラブ領域、コア領域及びブラッグ格子は、共に分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤ）を構成する。ＤＢＤアレイは、波長及び伝搬角度に基づいて光エネルギを受信コア領域内で分配する。このため、ＤＢＤアレイは、小型であること及び光周波数の高分解能を提供する。
【０００８】
更に、本発明によれば、ＤＢＤアレイが提供される。該アレイは、送信コア領域内に形成された送信ＤＢＤを有している。送信ＤＢＤは、第一の波長を有する光エネルギを第一の角度にてスラブ領域内に回折し、また、第二の波長を有する光エネルギを複数の光波長に対するものと同様の第二の角度にてスラブ領域内に回折する。第一の受信ＤＢＤは、第一の角度にて伝搬する第一の波長の光エネルギのみを第一の受信コア領域内に回折する。第一の受信ＤＢＤは、また、その他の全ての光エネルギを第一の受信コア領域を通じて且つスラブ領域内に透過させる。１つの好ましい実施の形態において、第二の受信ＤＢＤが形成され、該第二の受信ＤＢＤは、第二の受信ＤＢＤの場合と同様の第二の角度にて伝搬する第二の波長の光エネルギを第二のコア領域内に回折する。
【０００９】
本発明の別の面において、ＤＢＤアレイを製作する方法が提供される。この方法は、送信コア領域と、スラブ領域内に形成されたブラッグ格子とを備える送信ＤＢＤを形成する工程を含む。送信ＤＢＤは、第一の波長を有する光エネルギを第一の角度にて回折し且つ第二の波長を有する光エネルギを複数の波長に対する場合と同様の第二の角度にて、スラブ領域内に回折する。第一の受信ＤＢＤが形成され、該第一の受信ＤＢＤは、第一の角度にて伝搬する第一の波長の光エネルギのみを第一の受信コア領域内に回折する。この方法は、第二の受信ＤＢＤを形成することを更に可能にし、該第二の受信ＤＢＤは、複数の受信ＤＢＤに対する場合と同様の第二の角度にて伝搬する第二の波長の光エネルギのみを第二の受信コア内に回折する。極めて好ましい実施の形態において、所定の縞パターンを受信コア領域にホログラフィック法により投影し、所定の縞パターンに従った期間及び角度を有する格子を形成することにより受信ＤＢＤ用の回折格子が形成される。
【００１０】
上記の全体的な説明及び以下の詳細な説明の双方は、本発明の単に一例であり、特許請求の範囲に記載した本発明の性質及び特徴を理解するための概説又は骨格を提供することを意図するものであることが理解される。添付図は、本発明を更に理解するために含められたものであり、また、本明細書に含められ且つ本明細書の一部を構成するものである。図面は、本発明の色々な特徴及び実施の形態を示すものであり、以下の説明と共に、本発明の原理及び作用を説明する働きを果たすものである。
【００１１】
本発明の色々な有利な点は、以下の明細書及び請求の範囲を読み且つ添付図面を参照することにより当業者に明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
先ず、図１を参照すると、本発明の１つの方策がより詳細に図示されている。全体として、導波路光周波数ルータ１０は、平面状の光導波路スラブ領域１８内に形成された送信２元光導波路コア領域１２を有している。複数の受信コア領域１４もまた、スラブ領域１８内に形成されている。ルータ１０は、送信コア領域１２と受信コア領域１４との間にてスラブ領域１８を介して光エネルギを結合するため、コア領域１２、１４内に形成されたブラッグ格子アレイを更に備えている。スラブ領域１８、コア領域１２、１４及びブラッグ格子は、共に、分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤ）アレイ１６を形成する。光エネルギ２０は、複数の波長（４つの波長が図示）の間にて分配されるようにすることが理解できる。以下により詳細に説明するように、ＤＢＤアレイ１６は、スラブ領域内の各波長の伝搬角度に基づいて受信コア領域１４間にて光エネルギを分配する。
【００１３】
ルータ１０の幾何学的配列は、従来の方策の配列と全く相違することが理解されよう。例えば、第一の受信コア領域１４ａは送信コア領域１２に隣接して配置される一方、導波路格子アレイ（ＡＷＧ）は、複数の凹状スラブ及び複雑な導波路アレイによって入力コア領域と出力コア領域とを分離する。更に、第二の受信コア領域１４ｂが第一の受信コア領域１４ａと、送信コア領域１２との間に配置され、受信コア領域１４は送信コア領域１２に対して平行である。この幾何学的配列は、上述したバルク回折格子又はＡＷＧ方策の何れかの下にて利用可能なルータよりも遥かに小型のルータ１０とすることを許容する。以下に、受信コア領域１４と送信コア領域１２との間にて光エネルギ２０を結合することに関して詳細に説明する。
【００１４】
図示したルータ１０は、説明の目的のため極めて簡略化されていることを認識することが重要である。例えば、光エネルギ２０は４つの異なる波長を有するものとして図示されているが、特定の用途は数百の周波数をルーティングすることを必要とすることが極めてあり得る。受信コア領域１４の数は、通常、波長の数に相応するため、数百の受信コア領域１４もまた必要とされよう。しかし、受信コア領域１４の数は必ずしも波長の数に相応する必要は無いことを理解することも重要である。このことは、光エネルギ２０内の幾つかの波長のみが対象となる場合であろう。更に、本発明は主として光エネルギ２０の多重分波に関して説明するが、ルータ１０は双方向であることが理解されよう。このように、エネルギを受信コア領域１４内に導入し、また、多重化機能が所望であるならば、送信コア領域１２から除去することもできる。
【００１５】
しかし、熱的に酸化させたケイ素基板４８の頂面に導波路及びＤＢＤが製作されることが好ましい。ケイ素酸化物はその上にスラブ領域１８及びコア領域１２、１４が製作される高品質の基板層として機能する。典型的に、ルータ１０の光学的処理能力及び機械的堅牢さを向上させるため、ルータ１０の全体にガラス保護層（図示せず）が施される。光導波路は、低圧化学気相成長法又はスパッタ堆積法によって形成されるガラス層から製作することができる。光導波路はまた、ゾル−ゲルガラスとして堆積させ、または上記の幾つかの組み合わせにより堆積させることもできる。このようにして、１乃至２ＧＨｚだけ分離された１００のチャネルを有する光周波数チャネライザを長さが１００ｍｍ、幅が僅か６ｍｍの基板４８上にて製作することができる。次世代の５０ＧＨｚ　ＩＴＵ周波数格子にて作用する６４チャネルの高密度波長分割マルチプレクサは、長さ約６ｍｍ×幅約４ｍｍとなろう。これらの装置はまた、装置の寸法を２倍以上縮小させる半導体材料を使用して製作することもできる。
【００１６】
図２Ａ及び図２Ｂには、本発明の基礎となる理論がより詳細に示されている。例えば、ルータは、全体として、スラブ領域１８の底面の下方に位置する第一のクラッド領域２２と、スラブ領域１８の頂面の上方に位置する第二のクラッド領域２４とを有していることが分かる。クラッド領域２２、２４は、光エネルギをスラブ領域１８及びコア領域１２内に封じ込め得るような所定の屈折率ｎ０を有している。このため、スラブ領域１８は、ｎ０よりも大きい屈曲率ｎ１を有し、コア領域１２は、ｎ０及びｎ１の双方よりも大きい屈折率ｎ２を有している。
【００１７】
ＤＢＤは、全体として、一般に、スラブ結合導波路と称される単モード２元光導波路を利用する一体形光ブラッグ散乱装置であることが更に理解できる。この型式の構造体は、スラブ領域１８内に１元誘導モード２６（すなわち、一方向に境が設定されているもの）と、コア領域１２内に２元誘導モード２８（すなわち、２方向に境が設定されているもの）とを有している。適宜な周期的導波路摂動（すなわち、格子）３０をコア領域１２内に配置することにより、コア領域１２内を伝搬する２元モードをスラブ領域１８内で１元モードに結合することができる。
【００１８】
ＤＢＤが図２Ｂ及び図３に示すように作動されたとき、我々は、これを送信ＤＢＤと称する。この場合、スラブモードに対する伝搬方向は、極めて波長に依存し且つ格子の位相適合状態によって決定することができる。
【００１９】
【数１】
2004004567.tif 000003
【００２０】
ここで、λは、光波長、ΛＴＧは、格子周期、ΦＴＧは格子３０の角度である。Ｎｇ１、Ｎｇ２は、スラブ領域及びコア領域内をそれぞれ伝搬する誘導光モードに対する有効屈折率である。上付き符号Ｔは、送信ＤＢＤを示す。提案された着想において、格子３０は、公称中心波長λＴ０の場合、スラブモードの角度が０°（すなわち、コア領域に対して垂直）であるような形態とされる。この場合、次式が得られる。
【００２１】
【数２】
2004004567.tif 000004
【００２２】
また、伝搬角度は次式で与えられる。
【００２３】
【数３】
2004004567.tif 000005
【００２４】
背中同士を合わせたＤＢＤ３２、３４から成る極めて選択的な光導波路フィルタの作用は、図４に図示されている。入射する多数波長光３６は、送信ＤＢＤ３２によってスラブ領域３８内で広い角度に亙って分散される。我々が受信ＤＢＤ３４と称する第二のＤＢＤは、特定の波長を受け入れ且つ次式で与えられる角度（又は、これに極近い角度）にて伝搬することのみを条件として、その波長をスラブモードからコアモードに結合するような形態とされている。
【００２５】
【数４】
2004004567.tif 000006
【００２６】
ここで、上付き文字Ｒは、受信ＤＢＤであることを指す。送信ＤＢＤのコア領域内を伝搬する入射光は、スラブモードに結合し且つ次に、送信角度θＴが受信角度θＲに等しいことのみを条件として、受信ＤＢＤのコアモードに結合する。これらの角度を等しくすれば、入射ビームから抽出された波長に対する次式が得られる。
【００２７】
【数５】
2004004567.tif 000007
【００２８】
上記の状況は、入射光３６が３つの異なる波長を含む場合の図４に図示されている。格子位相適合状態は、特定の波長及び伝搬角度λ＝λ２に対して満足され、このため、波長は受信ＤＢＤ３４のコア領域４０内に結合されることが分かる。入射波長がλ２から相違すると、これらの波長は、送信ＤＢＤ３２によって受信ＤＢＤ３４の位相適合状態に一致しない角度にて偏向され、これらの波長は、コア領域４０に結合されない。このため、これらの波長は、スラブ誘導モードのままである。
【００２９】
１つから隣りのものへと、多数の受信ＤＢＤを製作し且つ格子の周期及び角度を漸進的に変化させることにより、対象とする全波長範囲を亙る多数のフィルタを製作することができる。このようにして製作されたフィルタの場合、光通過帯域の幅は、ＤＢＤ内の格子の長さによって決まる。光波長の点にて、次式が得られる。
【００３０】
【数６】
2004004567.tif 000008
【００３１】
ここで、Ｌは、ＤＢＤの格子の長さ、ρは、フィルタ応答の形状及び隣接するチャネル間のクロストークの所望の抑制度のようなパラメータに依存する分解能ファクタである。典型的に、２＜ρ＜４である。フィルタ帯域幅を光周波数νの項として表現することもできる。この場合、上記の等式は次式となる。
【００３２】
【数７】
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【００３３】
ここで、ｃは光の真空速度である。
フィルタの応答形状は、主として、スラブの平面内でのスラブ誘導光波内での光エネルギの空間的分布関数である。提案された着想において、この分布状態は、ＤＢＤの長さに沿った格子の結合効率の振幅及び位相を変化させることによって容易に制御することができる。結合効率を適宜に特別に適合させることにより、任意の所望のフィルタ応答性を得ることができる。
【００３４】
図５には、周知のホログラフィック技術を使用して格子周期及び角度の必須の変化機能を有するフィルタアレイを製作する技術が図示されている。破線は、光ルータの表面に投影された光縞パターン４２を示す。所望の縞パターンを形成すべく干渉する不均一な波面を発生させるため筒形光学素子の組合せ体を使用することができる。製作過程の詳細に依存して、縞パターン４２は、コア領域４０、４４、４６の表面に堆積させ、その後に、エッチングしてレリーフ格子を形成したフォトレジストに複製するか又は感光性であるコア領域に直接、転写することができる。すなわち、コア領域４０、４４、４６は、光に露出させることにより改変可能である屈折率を有する材料にて製作される。かかる感光性導波路コアは、適宜に被覆された石英ガラス又はゾル−ゲルガラスを含むことが可能であろう。
【００３５】
このため、導波路光周波数ルータは、小型、単一体であり、１ＧＨｚの範囲内の光周波数分解能を実現することができる。具体的には、導波路長さ（ＡＷＧの方策の場合のように）と異なり、伝搬角度に基づいて光エネルギを分布させることは、ルータが、多岐に亙る用途に合うように容易に特別に適合される周波数応答性を有するようにする手段を提供し且つルータを容易に製作することを可能にする。かかる装置は、非限定的に、光波長分割マルチプレクサ及び多重分波器、光無線周波数信号チャネライザ、スプリッタレス光同報通信スイッチ、多数増幅器モードロックレーザ、又は極めて精密な独立同調可能なレーザを含む、多数の用途にて有用である。
【００３６】
当業者には、本発明の広い教示は、多岐に亙る形態にて具体化可能であることが上記の説明から明らかであろう。このため、本発明は、その特定の実施の形態に関して説明することができるが、図面、本明細書及び特許請求の範囲を考察することによりその他の実施の形態が当業者に明らかになるであろうから、本発明の真の範囲は、そのように限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による導波路光周波数ルータを示す斜視図である。
【図２】２Ａは、本発明の原理によるコア領域及びスラブ領域を示す端面図である。２Ｂは、図２Ａに図示したコア領域及びスラブ領域を備え、コア領域がブラッグ回折格子を有する、分布ブラッグ偏向器の頂面図である。
【図３】図２Ｂに図示した分布ブラッグ偏向器の斜視図である。
【図４】別個の波長を有する光エネルギを送信コア領域と受信コア領域との間にて結合する状態を示す線図である。
【図５】本発明の原理に従いホログラフィック法により投影された縞パターンを示す線図である。
【符号の説明】
１０　導波路光周波数ルータ　　　　１２　送信２元光導波路コア領域
１４　受信コア領域　　　　　　　　１４ａ　第一の受信コア領域
１４ｂ　第二の受信コア領域
１６　分布ブラッグ偏向器（ＤＢＤ）アレイ
１８　光導波路スラブ領域　　　　　２０　光エネルギ
２２、２４　クラッド領域　　　　　２６　１元誘導モード
２８　２元誘導モード　　　　　　　３０　格子
３２　送信ＤＢＤ　　　　　　　　　３４　受信ＤＢＤ
３６　多数波長光／入射光　　　　　３８　スラブ領域
４０、４４、４６　コア領域　　　　４２　光縞パターン
４８　ケイ素基板
【図１】
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【図２】
2004004567.tif 000011
【図３】
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【図４】
2004004567.tif 000013
【図５】
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【外国語明細書】
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