(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同調可能な光デバイスであって、
第１基板上に作製され、第１伝播軸を有し、前記第１伝播軸が前記第１基板の第１平面型表面から第１距離にあり且つ前記第１基板の第１結合表面と交差する第１導波路セグメントと、
前記第１基板と接続された第２基板上に作製され、第２伝播軸と、該第２伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第２導波路セグメントであって、前記格子が配置された第１部分と残りの第２部分とを備える第２導波路セグメントと、
前記第２基板上に作製され、第３伝播軸を有し、前記第３伝播軸が前記第２基板の第２平面型表面から第３距離にあり且つ前記第２伝播軸と実質的に平行である第３導波路セグメントであって、前記第２導波路セグメントに近接して配置され、前記第３導波路セグメントの端部で前記第２基板の第２結合表面と交差し、前記第３導波路セグメントのテーパ形部分が横断方向寸法においてテーパ付けされ、前記横断方向寸法が、前記テーパ形部分の端部の第１幅から、前記端部から或る選択された距離の第２幅まで、第３伝播軸に実質的に直交する第３導波路セグメントと、
前記第２導波路セグメントの前記格子が配置された前記第１部分に沿って前記第２基板上に作製され、前記第２導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第１ヒータ・トレースと、
前記第２導波路セグメントの前記残りの第２部分に沿って前記第２基板上に作製され、前記第２導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第２ヒータ・トレースと、
を備え、
前記第１結合表面と前記第２結合表面との間の間隙にわたって前記第１導波路セグメントと前記第３導波路セグメントとを結合するために、前記第１平面型表面及び前記第２平面型表面が、前記第１距離及び前記第３距離の合計に実質的に等しい距離だけ離間されてなる光デバイス。
【請求項２】
前記第１基板が前記第２基板に載置される、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
選択された厚さを有する取付け層が、前記第１基板と前記第２基板との間に配置される、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記取付け層が前記第１基板上に形成され、前記第１基板が前記第２基板への載置のために裏返される、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記取付け層がはんだ層を含む、請求項４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記第１基板がレーザ・ダイオード・チップを備え、前記第１導波路セグメントがレーザ導波路を備える、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記第１導波路セグメントにおける第１垂直モード・サイズと前記第３導波路セグメントの当接結合領域における第３垂直モード・サイズとをさらに含み、前記第１垂直モード・サイズが前記第３垂直モード・サイズに実質的に等しい、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項８】
前記第１導波路セグメントにおける第１垂直モード・サイズと前記第２導波路セグメントにおける第２垂直モード・サイズとをさらに含み、前記第１垂直モード・サイズが少なくとも２倍だけ前記第２垂直モード・サイズと異なる、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第３導波路セグメントの前記テーパ形部分が、前記第２結合表面から延びる前記第３伝播軸に沿って、前記第３導波路セグメントの第３伝播定数を第１値から第２値に漸進的に変化させ、前記第２値は前記第１値よりも前記第２導波路セグメントの第２伝播定数に近い、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記間隙に配置された屈折率整合材料をさらに含む、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記第３導波路セグメントが酸化物材料を含む、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記第３導波路セグメントが、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ及びポリマーからなる群から選択された材料を含む、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記第２導波路セグメントがＳｉＯ２構造を含む、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記第２導波路セグメントがシングル・モード導波路である、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記第１導波路セグメントがシングル・モード導波路であり、前記第３導波路セグメントの当接領域がシングル・モード導波路である、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記第２導波セグメントに光学的に結合された光ファイバをさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記第１伝播軸が、前記第１結合表面の垂直軸に対して少なくとも５度の角度を形成する、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１８】
同調可能な光デバイスであって、
作製表面及びダイ載置表面を有する基板と、
前記基板上に作製され、第１伝播軸と、第１モード・サイズと、前記第１伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第１導波路セグメントであって、前記ダイ載置表面が前記第１伝播軸から選択された距離にあり且つ前記第１伝播軸に実質的に平行であり、前記格子が配置された第１部分と残りの第２部分とを備える第１導波路セグメントと、
前記基板上に作製され、前記第１伝播軸に平行な第２伝播軸を有し、且つセグメント化されたテーパ部分を含む第２導波路セグメントであって、前記セグメント化されたテーパ部分が、前記セグメント化されたテーパ部分の端部において第２モード・サイズを有し、前記端部から選択された距離に第３モード・サイズを有しており、前記第３モード・サイズが前記第２モード・サイズより前記第１モード・サイズに近い値を有し、少なくとも前記セグメント化されたテーパ部分内で前記第１導波路セグメントと光エネルギーを交換するように結合される第２導波路セグメントと、
前記第１導波路セグメントの前記格子が配置された前記第１部分に沿って前記基板上に作製され、前記第１導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第１ヒータ・トレースと、
前記第１導波路セグメントの前記残りの第２部分に沿って前記基板上に作製され、前記第１導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第２ヒータ・トレースと、
を備える光デバイス。
【請求項１９】
前記セグメント化されたテーパ部分が、複数のクラッド部分セグメントによって分離された複数のコア部分セグメントを含む、請求項１８に記載の光デバイス。
【請求項２０】
前記複数のコア部分セグメントのそれぞれがコア部分長を有し、前記コア部分長が前記複数のコア部分セグメントのそれぞれについて実質的に一定であり、
前記複数のクラッド部分セグメントのそれぞれがクラッド部分長を有し、前記クラッド部分長が前記クラッド部分セグメントのそれぞれについて実質的に一定である
請求項１９に記載の光デバイス。
【請求項２１】
同調可能なレーザ・ダイオード・チップであって、
第１基板上に作製され、第１伝播軸を有し、前記第１伝播軸が前記第１基板の第１平面型表面から第１距離にあり且つ前記第１基板の第１結合表面と交差する第１導波路セグメントと、
前記第１基板と接続された第２基板上に作製され、第２伝播軸と、該第２伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第２導波路セグメントであって、前記格子が配置された第１部分と残りの第２部分とを備える第２導波路セグメントと、
前記第２基板上に作製され、第３伝播軸を有し、前記第３伝播軸が前記第２基板の第２平面型表面から第３距離にあり且つ前記第２伝播軸と実質的に平行である第３導波路セグメントであって、前記第２導波路セグメントに近接して配置され、前記第３導波路セグメントの端部で前記第２基板の第２結合表面と交差し、前記第３導波路セグメントのテーパ形部分が横断方向寸法においてテーパ付けされ、前記横断方向寸法が、前記テーパ形部分の端部の第１幅から、前記端部から或る選択された距離の第２幅まで、前記第３伝播軸に実質的に直交する第３導波路セグメントと、
前記第２導波路セグメントの前記格子が配置された前記第１部分に沿って前記第２基板上に作製され、前記第２導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第１ヒータ・トレースと、
前記第２導波路セグメントの前記残りの第２部分に沿って前記第２基板上に作製され、前記第２導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第２ヒータ・トレースと、
を備え、
前記第１結合表面と前記第２結合表面との間の間隙にわたって前記第１導波路セグメントと前記第３導波路セグメントとを結合するために、前記第１平面型表面及び前記第２平面型表面が、前記第１距離と前記第３距離との差に実質的に等しい距離だけ離間されてなるレーザ・ダイオード・チップ。
【請求項２２】
同調可能な光デバイスであって、
載置表面を有する基板と、
前記基板の前記載置表面上に載置された第１導波路セグメントを有し、前記第１導波路セグメントが、前記第１基板の第１結合表面と交差する第１伝播軸を有するレーザ・ダイオード・チップと、
前記基板上に作製され、第２伝播軸と、該第２伝搬軸に平行に配置された格子と、負の熱光学係数とを有する第２導波路セグメントであって、前記格子が配置された第１部分と残りの第２部分とを備える第２導波路セグメントと、
前記基板上に作製され、前記第１伝播軸と実質的に同軸な第３伝播軸をする第３導波路セグメントと、
前記第２導波路セグメントの前記格子が配置された前記第１部分に沿って前記基板上に作製され、前記第２導波路セグメントを加熱して前記格子の最大同調範囲を実現する第１ヒータ・トレースと、
前記第２導波路セグメントの前記残りの第２部分に沿って前記基板上に作製され、前記第２導波路セグメントを加熱して光路長及び自由スペクトル領域を調整する第２ヒータ・トレースと、
を具備し、
前記レーザ・ダイオード・チップが前記載置表面上に載置されて前記第３導波路セグメントと光学的に結合し、
前記第３導波路セグメントが前記第２導波路セグメントに隣接して配置され、
前記第３伝播軸が前記第２伝播軸に実質的に平行であり、
前記第３導波路セグメントがその端部で前記第２基板の第２結合表面と交差し、
前記第３導波路セグメントのセグメント化されたテーパ形部分が約０．７ミクロンより大きい幅を有する
光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】  関連出願の相互参照
本願は、デービッド  Ａ．Ｇ．ディーコンの「統合導波管用レンズ状構造（ＬＥＮＴＩＣＵＬＡＲ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ）」という名称の米国特許出願第  ／          号（整理番号９９１０ＵＳ）と同時に提出され、その開示をすべての目的で本明細書に組み込まれる。
【０００２】  連邦支援研究開発の下になされた発明に対する権利に関する声明なし
発明の背景
テーパ形光導波路は、様々な次元のモードをサポートする導波路を効果的に相互接続するために有用である。半導体レーザ・チップは、一般に光学モードを厳密にガイドする導波路を含むが、、レーザ光を伝送する光ファイバは弱くガイドするため、レーザをファイバに直接接続した場合は、モードが整合しにくい。多数の手法が、そのような相互接続の効率を改善するために使用されてきた。縦型、横型、及び屈折率テーパは、Ｒ．ローガンの１９７６年８月３１日の米国特許第３，９７８，４２６号、Ｒ．Ｋ．ウィン他のＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ＭＴＴ２３  ９２（１９７５年）、及びＰ．Ｇ．ズコスキ・ジュニア他のＪ．Ｌｉｇｈｔ．Ｔｅｃｈｎｏ１ｏｇｙ、ＬＴ５  １２４６（１９８７年）によって示された。導波路のクラッド及びファイバはテーパ化された。これについては、Ｊ．ハマーの１９８８年９月２７日の米国特許第４７７３７２０号、及びＨ．シュナイダの１９８９年１月３日の米国特許第４，７９５，２２８号を参照されたい。垂直方向及び長手方向での多段テーパは、Ｔ．コッホの１９９０年６月５日の米国特許第４，９３２，０３２号、及びＰ．メルマンの１９９３年１１月９日の米国特許第５，２６１，０１７号によって示された。単一及び複数の水平及び垂直テーパを有する結合型導波路の対は、Ｙ．シャニ他のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５５  ２３８９（１９８９年）、Ｅ．カポンの１９９２年１月７日の米国特許第５，０７８，５１６号、ゼンガール他のＥｌｅｃｔ．Ｌｅｔｔ．２８  ６３１（１９９２年）、Ｂ．ステグミユエラの１９９３年３月３０日の米国特許第５，１９９，０９２号、及びＲ．スミス他のＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔ．８  １０５２（１９９６年）によって示された。セグメント化されたテーパは、Ｚ．ワイスマン他のＪ．Ｌｉｇｈｔ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１１１８３１（１９９３年）、及びＲ．アダーの１９９６年１１月１９日の米国特許第５，５７７，１４１号によって示されている。最近、半導体レーザにおける一体化されたテーパの最適化にも相当な努力が払われている。しかし、特定の実施に当てはまる実際的な制約により、材料及び幾何形状に応じて様々な結合手法が必要とされる傾向がある。すなわち、製品を製造しパッケージ化するために使用される工程は、互いに両立し、使用材料及び構成要素レイアウトと両立しなければならない。ハイブリッド構成で平面型導波路チップと当接結合されるレーザ・チップの間で結合を最適化するために、テーパ及び導波路の特有の幾何形状が必要とされる。
【０００３】  発明の概要
本発明によれば、第１の基板から第１の距離だけ上方に作製される第１の導波路は、第２の基板から第２の距離だけ上方に作製され且つ第２の導波路に平行結合される第３の導波路により、第２の基板上に作製される第２の導波路と効果的に結合され得る。２つの基板は、それぞれ２つの結合表面間の間隙を横切ってエネルギーを結合するように接続される。一つの実施の形態では、第１導波路基板を第２導波路基板に対して裏返し、２つの基板が第１及び第２の距離の合計だけ離間される。他の直立型の実施の形態では、２つの基板が、第１及び第２の距離の差だけ離間される。他の一つの実施の形態では、第１基板がキャリア基板に結合され、キャリア基板は、第２導波路基板に取り付けられる。特定の一つの実施の形態では、第１導波路が、第２導波路にフリップチップ結合されるシングル・モード半導体レーザ導波路であり、第２導波路は、半導体レーザにエンドファイア結合されたシングル・モード・タンタラ（ｔａｎｔａｌａ）構造である第３導波路に平行結合されるシリカ導波路構造である。導波路結合は、２つのチップ間の間隙において高屈折率材料を用いて最適化することができ、導波路の熱特性は、導波路構造内でポリマーを使用することによって改善することができる。これは、ボンディング及び堆積を含む後続のステップに工程温度制約を強いる。
【０００４】  本発明は、添付の図面と共に以下の詳しい説明を参照することにより、一層良好に理解できよう。
特定の実施の形態の説明
熱光学材料は好都合かつ丈夫であり、ヒータの作動時に作動又は同調する光デバイスに組み込むことができる。しかし、通信などの応用分野の場合、信頼性のために熱に感じないデバイスが必要とされる。本発明は、熱感応性の高い同調構成要素を、その動作の重要な局面で温度に不感のデバイスに含める特有の方法について記述するものである。本発明の一つの実施の形態においては、温度に依存しない１組の準備された周波数の間でチャネル切替えされる、光を放出する周波数同調可能レーザについて述べられる。本発明の他の実施の形態では、温度に依存しない１組の準備された周波数の間でチャネル切替えされる周波数を交差接続する周波数同調可能交差接続デバイスについて記述される。
【０００５】 同調可能レーザの動作
当技術分野で周知のように、レーザ同調は、典型的に相互依存する２つの要因、すなわち、ａ）その相互作用帯域内で動作が起こる格子など周波数選択要素を同調させること、及び、ｂ）周波数選択要素の帯域内でレーザ光を発する正確な光周波数を決定するレーザの長手モードを同調させることを必要とする。例えば、ＤＢＲ（分布型ブラッグ反射器）では、チップ温度を変化させると、格子周波数及びモード周波数が、典型的には異なる率でシフトし、モード・ホッピング挙動を招く。
【０００６】  本発明では、キャビティを、高信頼性のために温度に依存しない自由スペクトル領域（ＦＳＲ）にする手段が記述される。さらに、キャビティ往復光路長を本明細書で述べる方法に従って調整し、ＦＳＲを指定された周波数チャネル間隔に等しく調整することができる。それにより、キャビティは所望の光周波数でレーザ光を発するように準備される。キャビティを無熱であるように設計する場合は、環境温度のドリフトに依存しないで通信チャネル周波数に絶対周波数基準を提供することもでき、ウェーブロッカ（wavelocker）など外部基準デバイスを設ける必要はない。キャビティの自由スペクトル領域は、
【０００７】
【数１】
0005226167.tif 000002
によって得られ、ただし、往復光路長（ｎＬ）ｅｆｆは、
【０００８】
【数２】
0005226167.tif 000003
であり、ただし、ｎｉ  ｅｆｆは、キャビティ内で光が横切るｉ番目のセグメント内のモードの有効屈折率、Ｌｉはｉ番目のセグメントの物理的長さであり、合計は、キャビティの往復で横切られる全体の経路セグメントである。導波路内の光学モードの有効屈折率は、平面波に対して同じ伝播定数
【０００９】
【数３】
0005226167.tif 000004
又は波数（ただし、モードの電界は、伝播の方向に沿ってＥ∝ｏｃｅｉβｚで変動する）を与える等価の均一な媒体の屈折率である。
【００１０】  本発明の一つの態様においては、キャビティの自由スペクトル領域は、システム・インテグレータ又はＩＴＵ（国際電気通信連合）によって設定される所定のＤＷＤＭチャネル間隔に等しいように設計することができる。その好ましい実施の形態では、ＦＳＲは５０ＧＨｚであるため、キャビティの有効往復光路長は６０００ミクロンである。図１に示す線形キャビティと、屈折率約３．３かつ長さ４００ミクロンの好ましいＩｎＰ半導体レーザ・チップを用いると、レーザ・チップの縁部と格子の始点との間における導波路経路の光路長は、約１６８０ミクロンである。導波路の有効屈折率が約１．４５である場合、２つの導波路間の小さな当接結合間隙を無視すると、その物理長は約１１６０ミクロンである。
【００１１】  好ましい実施の形態の一つの変形形態では、キャビティの自由スペクトル領域は、所望の通信チャネル間隔の有理分数に等しいように設計される。すなわち、
【００１２】
【数４】
0005226167.tif 000005
である。ただし、ｎ及びｍは整数である。例えば、所望のチャネル間隔が５０ＧＨｚの場合は、ＦＳＲ＝５０・ｎ／ｍＧＨｚである。これは、ｎ／ｍ＜１の場合に、共振器の物理的長さをｍ／ｎ倍に増加させるならば有用であり、設計及び作製の問題が単純化される。一例では、ｎ＝１及びｍ＝２の場合、有理分数は１／２であり、所望のキャビティ往復光路は１２０００ミクロンとなり、熱補償材料、テーパなどのために共振器内で２倍を超える空間を可能にする。この状況においては、格子同調要件はなお同じであるが、レーザ周波数は、格子が連続同調される場合には、２５ＧＨｚずつホップし、１つ置きのホップによる光周波数が所望の通信チャネルになる。（通信システムによっては、２５ＧＨｚチャネル間隔を使用できるものがあり、その場合はこのキャビティ長についてはｍ＝１である。）または、ｎ＞１の場合には、アドレスされた周波数チャネルを連続的にインターリーブすることが有用である。他の例では、ｎ＝２及びｍ＝１の場合、有理分数は２であり、レーザは１つ置きの通信チャネルに連続的にホップし、これは、２つのデバイスを周波数ドメイン内でインターリーブするために、又は摂動、エージング及びドリフトに対してデバイス安定性を高めるために、有用な場合がある。これらの手法はまた、他の例のように、往復光路が９０００ミクロンになるｎ＝２及びｍ＝３と組み合わせることができ、動作期間でのレーザ周波数は、中間的な通信チャネルである＋３３．３ＧＨｚへ、次いで＋６６．６ＧＨｚへホップし、次いで開始チャネルから２つの５０ＧＨｚ間隔を隔てる通信周波数＋１００ＧＨｚにホップする。
【００１３】 無熱キャビティ
本発明の他の態様では、熱光学ポリマーの領域をレーザ共振器に組み込むことができ、負の熱光学係数を利用して無熱の自由スペクトル領域を生成する。ＦＳＲを無熱にする、すなわちデバイス温度に依存しないようにするために、デバイス・パラメータを許容範囲内で、
【００１４】
【数５】
0005226167.tif 000006
【００１５】の関係を満たすように選択することができ、ただし、合計は、光路に沿うキャビティの異なる長手方向セグメント全てにわたって取られる。これについては、Ｋ．タダ他のＯｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  １６、４６３（１９８４年）を参照されたい。これらの数量は、シリカ、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ガラス、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどを含む一般的な非ポリマー材料において正であるため、ハイブリッドの又は複数材料の手法が必要である。温度補償を達成するための従来の手法は、上記加算での長さＬｉ（通常は空気中の経路長）の１つにおける大きな負のｄＬ／ｄＴを、２つの大きな長さ（通常は支持構造内の張出し部材であり、一方はキャビティから外側に向かい、他方はキャビティの内側に向かう）間の差に等しくすることであった。内側に向かう部材を、対応する外側に向かう部材より大きな熱膨張係数を有するように選択することにより、支持構造を温度が上昇するにつれて経路長Ｌｉが減少するように構成することができる。これについては、例えば、Ｗ．モレイの１９９１年８月２７日の米国特許第５，０４２，８９８号「ブラッグ・フィルタ組み込み型温度補償光導波路デバイス（Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｆｉｌｔｅｒ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｄｅｖｉｃｅ）」、及びＪＭ．バーディエルの１９９９年２月９日の米国特許第５，８７０，４１７号「導波路ＤＢＲレーザ源のための温度補償器（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ＤＢＲ  ｌａｓｅｒ  ｓｏｕｒｃｅｓ）」を参照されたい。
【００１６】  本発明の好ましい実施の形態においては、ポリマー材料を使用して導波路のクラッドに負の熱光学係数が提供され、導波路設計は、温度による屈折率の負の正味変化に対して調整される。ポリマー製のキャビティ内セグメントの長さは、許容範囲内で、式（５）が本質的に満たされるまで調整されることができる。使用材料は厳密にポリマーとする必要はなく、必要なのは負の熱光学係数だけであることに留意すべきである。この材料は、式（５）の加算に影響を与えるためにキャビティ内に配置される。これは式（５）に現れる有効屈折率であるので、光学モードで伝播する光エネルギーが往復光路の１セグメント内で負の係数の材料を横切ることで十分である。ポリマー材料は、クラッド又はコアにおいて、又は、光導波路の両方の部分で使用することができる。ポリマーの熱光学係数は大きくなろうとする傾向にあるため、光キャビティの横断において光学モードによって掃引される光学モード体積の一部分だけがポリマーによって占有される必要がある。
【００１７】  キャビティはまた、そのＦＳＲを変化させることなく無熱にすることが好ましい。この目的を達成するために、好ましい手法は、光路長を所望のＦＳＲにとって必要とされる値に保ちながらオーバーラップ・ファクタ及びポリマーの熱係数を調整することである。上記の長さの場合、ダイオード・レーザを介する往復は、式（５）の第１項に約０．２ミクロン／℃だけ貢献する。熱補償は、ポリマー導波路によって、その正味熱係数（つまり、温度の上昇による有効屈折率の変化）が約−９×１０-5℃-1である場合に達成される。（式（５）の第２項は小さい。）好ましい実施の形態のコア材料は正の熱係数を有し、ビームの最も強い部分によって横切られるが、ポリマー・クラッド材料は大きな負の係数を有するため、キャビティ全体を補償するのに効果的であり得る。
【００１８】  ポリマー内を伝播して材料を補償する、導波路内の光学モード・パワーの成分は、オーバーラップ・ファクタΓｃ、すなわち、
【００１９】
【数６】
0005226167.tif 000007
によって得られる。これは、導波路コアの設計及び光ポリマーの配置に依存して、最高４０％の１０分の１の幾つか又はそれ以上の範囲内にある。好ましい、シリカ・クラッド上の２平方ミクロン高コントラスト２％シリカ導波路の場合、モードの指数尾部（exponential tail）は、コアからポリマー・クラッド内へ侵入する。好ましい実施の形態において、ポリマーの屈折率が純粋なシリカの屈折率に等しいように（例えば、ハロゲン化及び／又は混合によって）調整されたと仮定すると、オーバーラップ・ファクタは約Γ＝４０％である。これは、ポリマー材料が長方形導波路コアの４つの側部のうち３つでクラッドを形成するためである。約−２３×１０-5℃-1のｄｏ／ｄＴを有するポリマー材料が、この共振器の熱補償を達成する。より大きい負のｄｎ／ｄＴを有する材料は、比例的に小さいオーバーラップ・ファクタを有する設計又は負のｄｎ／ｄＴ材料を通る比例的に小さい物理的長さを有する設計と共に使用することができる。例えば、３４×１０-5℃-1のｄｎ／ｄＴを有する材料を使用する場合、所望のオーバーラップ・ファクタは、上述の構造内で２６％に減少する。
【００２０】  式（５）が満たされる許容範囲は、応用分野に依存する。通信の応用分野の場合は、通信チャネル間隔の何分の１というモード周波数シフト、例えば５ＧＨｚは、動作温度の温度範囲にわたって許容されるが、これは、温度調節されたデバイスについては１度の数分の１でしかないこともあれば、温度調節されていないパッケージについては５℃、５０℃又はそれより高いこともある。５０℃範囲は、式（５）における約±０．００１ミクロン／℃の許容範囲を意味することになる。現実のデバイスでこの許容範囲を達成するためには、導波路長及びポリマーのｄｎ／ｄＴを１パーセントの何分の１かの精度で制御することが好ましい。パラメータ値に依存して、キャビティ長の許容範囲は（例えば、広い４００ＧＨｚチャネル間隔の場合には）約１０ミクロンまで大きくなることもあれば、（狭いチャネル間隔の場合には）１ミクロンより小さくなることもある。
【００２１】  上述した熱補償型導波路設計に格子を一体化する場合は、有利な広い同調範囲が得られる。ポリマー・クラッド格子１３０又は１３２の同調範囲は、ポリマーの熱光学係数とモード・オーバーラップ・ファクタとが大きいために大きい。格子ポリマーの温度を１００℃の範囲にわたって走査するとき、−２３×１０-5℃-1及び４０％オーバーラップ・ファクタを有する上述の場合のポリマー材料に対する格子波長は、約９ｎｍにわたって同調する。
【００２２】  動作の際、デバイスは、共振器の光路に沿う所与の温度プロフィールに落ち着く。レーザ増幅器は発熱し、ポリマー導波路の温度より高い温度に上昇する。図２を参照して述べる基板ヒータ又はＴＥクーラなどの、デバイスに付加されるヒータ又はクーラも、利得部及びキャビティ内導波路の温度を変化させる。動作中のデバイスが平衡に達すると、熱プロフィールは導波路に沿って空間的に変化するが、時間的には一定である。周囲温度の変化は、ほぼ一定量だけプロフィール全体を変化させる。具体的には、好ましいシリコン基板の場合などのように、基板の熱伝導度が大きい場合には、周囲温度の変化は、空間的に均一な変化を熱プロフィールに発生させる。このような温度の変化は、式（５）で述べられたように、無熱キャビティにおいてはモード位置又はＦＳＲを実質的に変化させない。
【００２３】 レーザの実施の形態
図１は、ハイブリッド型同調可能レーザ・チップ１００の好ましい実施の形態を示している。半導体レーザ・チップ１１０は基板チップ１２０に裏返して接着され、２つの一体化された導波路チップのハイブリッドを生成する。このレーザ・チップは、１５５０ｎｍ領域又は１３１０ｎｍ領域で発光するようにＩｎＰで作製されることが好ましい。導波路１１２、１１４は、十分な注入電流によって励振されたとき、１５５０、１３１０、９８０、８６０、７８０、６３０又は５００ｎｍ或いは他の有用な波長領域などの所望の波長を含む光周波数の動作帯域にわたって光増幅を行う。１５５０ｎｍレーザの場合、典型的な利得帯域幅は約５０ｎｍ（例えば、１５２０〜１５７０ｎｍ又は１５６０〜１６１０ｎｍ）であり、従来の帯域又は拡張動作帯域の１つでＥｒドープ型ファイバ増幅装置の増幅帯域幅の一部分とオーバーラップする。利得帯域幅は、注入電流を小さくするにつれて小さくすることも、高注入電流及び適切な量子井戸設計に対しては１２０ｎｍ以上の大きさとすることもできる。レーザ・チップの２つの導波路１１２、１１４は、基板チップ上に作製された２つの（利得を提供しない）受動導波路１２２、１２４に当接結合するよう、ｘ−ｚ平面内で整列される。レーザ導波路１１２、１１４から放出されるエネルギーの実質的に一部分は、平らな一体型導波路１２２、１２４に結合され、その結合損失は１０ｄＢ未満、又は４ｄＢ未満でさえあることが好ましい。レーザ・チップ１１０の垂直方向（ｙ方向）の整列は、レーザ・チップ及び基板におけるプロセス層の厚さを制御することによって達成される。レーザ導波路１１２、１１４から放出される光は、整列され且つ当接結合された結合領域で導波路１２２、１２４に結合される。代替の利得領域は、半導体ダイオード・レーザ、一般にファイバ・レーザ、色素レーザ、色中心レーザ、固体レーザや有用な周波数帯域にわたって光学利得が得られる他の増幅媒体の能動領域の変形形態を含む。
【００２４】  テーパ形導波路セグメント１２６、１２８は、形状の異なる導波路１１２、１１４と、１２２、１２４との間の結合効率を改善するために使用されることができる。図３、図４、図７Ａ、図７Ｂ及び図８を参照されたい。
【００２５】  導波路１２２、１２４は、様々な一般的な作製技法の１つによって基板１２０上に一体化することができる。好ましい手法においては、当技術分野で周知のように、シリカ導波路は火炎加水分解法を使用して、低損失で且つ良好な再生可能性で作製される。火炎加水分解法では、火炎内で発生した粒子（シリカのすす）の層が、火炎への入力によって決まる化学的組成で表面上に堆積される。典型的には、固体膜への粒子の圧密は、後続の高温固化工程期間に行われる。そのような導波路は、０．４％、０．７５％、２％を含むＧｅドープ型コア材料を使用した様々な屈折率の対比において市販されている。Ｇｅドープ型材料は、当技術分野で周知のように、ＵＶ照射に対して感度を有するという更なる利点を有し、パターン化された光ビームで露光することにより、屈折率の高められたパターン領域（格子など）を作製することを可能にする。他のドーパントもまた、光感応性の屈折率を有することが知られており、これは原子価状態の変化の結果として起こり得る。所望により、１〜１０ミクロン又はこれを越える範囲のコア厚、及び数ミクロン〜数百ミクロンの範囲のクラッド厚を含む最も有用な層厚が使用可能である。チャネル導波路は、顧客の設計に従って商業的に作製され得る。典型的には、チャネル導波路は、下部クラッド材料上にコア材料を堆積させた後で、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって作製される。ＲＩＥのステップは、光導波を確立するために保持（retention）が望まれるマスク領域の外側の高屈折率コア材料を除去する。チャネル導波路作製の後、顧客の所望に従って、シリカの上部クラッドが設けられ又は設けられない。設けられる場合には、典型的には、上部クラッド材料は、コア材料の側部全てをクラッドで囲む下部クラッド材料（純粋なシリカ）と屈折率が同一である。好ましい実施の形態においては、発明者等は、チャネル寸法２×２ミクロンを有する高コントラストの２％導波路コア材料を選択した。
【００２６】  代りに、導波路は、コア層に対して大きい屈折率で化学的に選択され且つＲＩＥでパターン付けされた、スピンオンされたポリマー層で作製され得る。代替の基板は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ガラス、シリカ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどを含む。代替の導波路材料は、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2，ＳｉＯ2などの酸化物と、シリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体と、ポリマーと、上記材料全てをリン、水素、チタン、ホウ素、窒素などを含む様々なドーパントでドーピング又は混合したものとを含む。代替の作製方法は、拡散（indiffusion）、スパッタリング、蒸着、ウェット及びドライ・エッチング、レーザ・アブレーション、漂白その他を含む。多くの様々な導波路構造もまた使用可能であり、平面型、長方形、楕円形、リッジ、埋込みリッジ、反転リッジ、拡散型、エア・クラッド、中空、被覆、クラッド・ストリップ型、３層、４層、５層などを含む。上述の材料、方法、構造の組み合わせは、プロセス・フローに両立性があり（すなわち、半加工物品の材料に分解、剥離又は許容できない化学変化もしくは物理的修正が起こらず）、光学的損失が適度に低く（すなわち、非常に短いチップについて１０ｄＢ／ｃｍ未満、より長い導波路について約１ｄＢ／ｃｍ未満）、完成した構造の横断方向屈折率プロフィールが、少なくとも１方向で隣接する材料と比べて局所的に高い屈折率を有し、少なくとも、光を１方向でガイドする平面型導波路又は光を２方向でガイドするチャネル導波路を生み出す限り、使用可能である。
【００２７】  好ましい一つの実施の形態では、導波路１２２、１２４は、クラッド下のシリカ、パターニングされたＧｅドープ型シリカ・コア、及び、（約１．５％未満の許容範囲内で）屈折率がクラッド下のシリカの屈折率にほぼ等しいように選択されたポリマー材料のオーバー・クラッドで作製されたポリマー構造を有する。好ましいポリマー材料は、組成（Ｇ）、（Ｈ）、（１３）、（１４）、（１８）、（２０）、（２３）又は（２４）としてＭ．アマノの１９９７年９月３０日の米国特許第５，６７２，６７２号に述べられている如き重水素化及びハロゲン化ポリシロキサンである。他のポリマー材料もまた使用することができ、その中には、オプションの重水素化又はハロゲン化を行って赤外線の光学的損失を低減させ、屈折率を調整し、他の層との付着性を調整した、ポリシロキサン、アクリレート、ポリイミド、ポリカーボネートなどが含まれる。層厚、導波路ストライプ幅及び屈折率に依存して、実質的に僅かなモード・エネルギーがポリマー・クラッド内を伝播する。この小部分は、１パーセントのうちの極めて小さい値から数十パーセントまで変わり得る。
【００２８】  導波路１１２、１１４は、当接結合された界面が導波路内で光の伝播方向と角度をなして配置されて結合領域からのフィードバックを減少させるよう、レーザ・チップの前面ファセット１１８付近で湾曲されることが好ましい。代わりに、前面ファセット１１８は反射防止被覆や屈折率整合などがされてもよい。これらの対策は、格子１３０及び１３２からの周波数選択フィードバックに対して前面ファセットからのフィードバックを減少させ、システムの安定性を高める。
【００２９】  図５は、ダイオード・レーザ・チップ１１０と導波路１２２との間の結合領域の詳細な上面図を示す。レーザ導波路構造１１２は、ファセット１１６から導波路に反射されて戻る光を良好に結合するために、ほぼ垂直の入射で、ダイオード・レーザのＨＲ被覆された後部ファセット１１６と出会う。しかし、導波路は、角度θｉで前面ファセット１１８（後部ファセット１１６と平行であることが好ましい）と出会うよう、領域５１０内で曲率Ｒで湾曲されることが好ましい。湾曲した導波路ダイオードの性能は、Ｃ−Ｆ．リン他のＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．ＴｅＣｈ．Ｌｅｔｔ．８，２０６，（１９９６年）に若干詳述されている。角度θｉは、ファセット１１８の界面からの反射が導波路に再進入して該界面からのフィードバックを妨げることがないよう十分大きく（約８°が好ましい）選択される。所望の最小角度は、導波路の差異及び寸法に依存するが、大雑把な経験則として、厳格な導波路については約５°より大きく選択することができる。レーザ・チップ内の有効光学屈折率は約ｎ＝３．３であり、テーパ形導波路コア１２６の有効屈折率は約１．４９であるため、出力導波路の角度θrは約１８°である。
【００３０】  図３を参照して述べるように、屈折率整合材料は、レーザ・チップ１１０と導波路構造１２６、１２２との間の間隙に設けられることが好ましい。この間隙は、図３を参照すると、導波路３３０と導波路３２０との間に一層明確に示される。界面領域は２つの界面を含み、一方は導波路３２０と間隙内の材料との間、他方は間隙内の材料と導波路３３０との間にある。間隙は、空気や真空であっても、導波路３２０、３３０の有効屈折率の幾何学平均に近いがそれより幾らか高いことが好ましい屈折率を有する材料で充填してもよい（導波路構造１２２、１２６を、ダイオード・レーザを基板に取り付けた後で作製する場合は、この界面部に間隙がない）。
【００３１】  図１に示す２つの導波路間の当接結合構成の代替として、当技術分野で周知のように、レンズ結合、格子結合、平行結合（垂直結合を含む）及び格子補助結合を含む多数の他の結合手法を使用することができる。垂直結合の場合には、導波路１２２をダイオード・レーザ導波路上で直接作製するときのように、導波路１２２はダイオード・レーザ導波路１１２と平行に且つそこから垂直に分離されて配置される。２つの導波路間の結合は、広帯域方向性結合器による結合、又は、狭帯域の格子補助型結合器による結合とすることができる。
【００３２】  モニタ・フォトダイオード１４０、１４２は、レーザ・チップから生成された光の一部を受け取るように、この場合にはレーザの後部ファセット１１６に近接して配置される。後部ファセットは、好ましくは高反射（ＨＲ）被覆されているが該ファセットに入射する光の一部を伝送する、図のように、モニタ・フォトダイオード１４０、１４２は、レーザ導波路１１２、１１４に当接結合された導波路検出器であることが好ましい。この当接結合は重要ではない。これは、レーザ・パワーが高く、高い検出器効率は決定的ではないためである。５０ミクロンまたはそれ以上のオーダーでの、レーザとモニタ・チップとの間の大きい分離が許容されるので、このチップに対する位置決め許容範囲が低減される。所望により、表面フォトダイオードの配置に対する多数の周知の構成の１つを代わりに使用してもよい。
【００３３】  格子領域１３０、１３２は、導波路１２２、１２４を伝搬する光の一部分を反射する同調可能周波数選択フィードバック構造であり、レーザ・チップにフィードバックを提供し、レーザが発振する波長領域を決定する（Ｅ．Ｉ．ゴードンの１９８８年１１月２２日の米国特許第４，７８６，１３２号「ハイブリッド分散ブラッグ反射器レーザ（Ｈｙｂｒｉｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒ）」を参照されたい）。格子１３０、１３２、並びにレーザ・チップの後部ファセット１１６は、ハイブリッド型外部キャビティ格子安定化レーザのレーザ発振器のためのキャビティ・ミラーを形成する。導波路１１２、１１４、当接結合領域及びテーパをそれぞれ含む導波路１２２、１２４のセグメントは、共振器内で光エネルギーが伝播するためのキャビティ内光路を形成する。これらの格子領域１３０、１３２は、テーパ形結合領域１２６、１２８からの導波路１２２、１２４の別個のセグメントで示されている。導波路のこれらの別個セグメントは、構造および材料において、導波路の他のセグメントと同一にすることも、異なるものとすることもできる。格子構造は、コア層１１４０、クラッド層１１４２、１１４２、１１４４うちの１つ又は複数の層において作製される。
【００３４】  レーザ導波路１１２を介する駆動電流が閾値を超える場合は、提供される利得は発振器の往復の光学的損失を超え、レーザ動作が得られる。図１の線形キャビティのＦＳＲは、第１格子要素とレーザ増幅器チップの後部ファセット１１６との間の光路長によって決まる。他の格子要素からの反射波の一部が、格子反射のスペクトル特性を決めるよう同相で加わる。併せて、これらの部分的な波は、第１の格子要素の場所で格子反射係数の振幅及び位相を確立する。格子内の屈折率の変化は、これら屈折率の変化が均一であろうと、加熱、電気光学材料への電界の印加、応力の付加などにより複雑なプロフィールを有するものであろうと、そのスペクトルには影響するが、キャビティのＦＳＲには影響しない。
【００３５】  高度帯域幅通信に必要とされるような単一周波数動作の場合、格子の相互作用帯域の幅は、増幅器の利得帯域幅よりはるかに小さいが、増幅導波路を含む共振器のＦＳＲに匹敵することが好ましい。主格子反射帯域の最大半値幅が長手方向モード間隔に等しい場合は、一時に１つのモードしかレーザ光を発しない。隣接するモードは低い利得を有し、格子帯域が２つの隣接するモードのモデル利得を等化するよう十分に同調されるまで閾値より下でクランプされる。同調期間に２つのモードについて利得が等しくなった場合は、レーザの動作周波数は、発振モードから、格子が同調しようとしている隣接モードへ突然ジャンプする。格子帯域最大半値幅がＦＳＲより実質的に大きいことで十分とすることができるが、レーザ安定性は、帯域幅が著しく大きくなるにつれて損なわれ始める。帯域幅を長手方向モード間隔より小さくすることには利点があるが、同調が進むにつれてレーザは電力変調され又は消えるようにさえなる。
【００３６】  駆動電流を変調することによって、レーザ強度が変調され、それにより、導波路１２２、１２４の結合された出力パワーが変調されて出力ファイバに入れられる。導波路１２２、１２４は、複数の独立した出力チャネルを提供するように、別個のデータで変調されても、例えばデータ通信保護目的のために所望の宛先に独立して経路指定できる２重出力デバイスを提供するように、同じデータ・ストリームで同時に変調されてもよい。レーザ変調は、ストライプ型の導波路１２２、１２４を介して駆動電流を変調することにより、又は当技術分野で周知のように外部的に行うことができる。直接変調は、この構成で低いチャープで行われる。これは、駆動電流の変化が格子１３０又は１３２の屈折率を変調しないからであり、キャビティの大半の光路の有効屈折率が変調されないからである。最大変調率は、典型的には、キャビティ内往復時間によってＦＳＲの何分の１かに制限されるので、ＦＳＲが５０ＧＨｚに設定されている場合は、変調率は１０〜２０ＧＨｚに制限され得る。
【００３７】  増幅器チップは発熱するため、平均駆動電流の変化もまた、長手方向モード位置を変化させる。したがって、動作中に維持される平均駆動電流を確立することが好ましい。必要な場合には例えば遷移キー変調方式を使用して、一定の駆動電流を変調期間に維持することができる。レーザが老化するにつれて、その平均駆動電流を上げて一定の出力パワー及び良好な変調特性を維持しなければならない。例えば、１５０、１５２のようなキャビティ内電極に補償レベルの電流を加えて、エージングに関連したレーザの温度上昇にかかわらず、チャネル周波数を維持することが望ましい。
【００３８】  格子領域１３０、１３２は、当技術分野で周知のように、位相マスクを介してパターン形成された露光によって作製されることが好ましい。格子は、水素又は重水素で増感した後にＧｅドープ型コアにおいて作製され、又は、クラッド材料がなおも架橋などによる化学変化を受けるように完全硬化前にポリマー・クラッドにおいて作製される。代替の格子作製方法は、干渉ビームでの露光、パターン形成及びドライ／ウェット・エッチング又は直接パターン形成エッチングを含み、これらはすべて当技術分野で周知であり、コア材料にもクラッド材料にも適用することができる。純粋に周期的な格子の場合、図示された逆反射構成におけるピーク反射に対するブラッグ波長λ／Bは、
【００３９】【数７】
λB＝２ｎeffΛ／ｍ  （７）
によって得られ、ただし、Λは格子周期、ｎeffはモードの局所有効屈折率、ｍは反射次数である。得られる式（７）は、位相整合を達成するために、格子の波数２π／Λが、導波路における前進波の波数と、導波路における後進波の波数との和に等しくなければならないという要件から得られる。有効屈折率が約１．４４６の場合、１５５２ｎｍ及び１３１０ｎｍのブラッグ波長は、それぞれ５３７ｎｍ及び４５３ｎｍの格子周期で得られる。正確な動作波長は、光学モードの光エネルギーが横切る膜の屈折率及び厚さと格子周期とを含む、導波路の光学パラメータ全てに依存する。
【００４０】  実際的なデバイスでは、格子が厳密に周期的であることは稀であり、格子周期、格子屈折率変調及び導波路有効屈折率を導波路長に沿って変えることで、サイドモード反射を減少させることが知られるアポダイゼーションなどの様々な効果を達成し、スーパーストラクチャ格子やサンプル型格子などで知られる複数の格子ピークを作り出し、又は一般的に、反射スペクトルの形状を作ることができる。レーザ共振器（又は発振器もしくはキャビティ）では、Ｐ．Ａ．モートン他のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４  ２６３４（１９９４年）に示された強化発振器の場合、及び、Ａ．グナッゾ他のＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，ｐ．４１０（１９９６年）に示される格子反射帯域上の縮小サイドローブ増幅の場合に、より短い周期に向けて（増幅導波路セグメントから遠ざかる光伝播方向で）格子周期をチャープされることが好ましい。横方向ガイド幅などの導波路パラメータは空間的に変えられ、当技術分野で周知のように有効屈折率及び格子周波数を変化させる。
【００４１】  反射が起こる光周波数帯域は、単一の狭いピーク、広いピーク又は一層複雑な多ピーク構造を有し得る格子スペクトルの形状に従って、極めて様々な形態を取ることができる。スペクトルの形状は、格子構造に沿った光学的位相進行の詳細設計に依存する。単一ピーク型格子は、単一チャネルを選択するために使用され、広帯域型又は多ピーク型格子は、複数のチャネルを選択するため又はバーニヤ同調を実現するため等に使用することができる。
【００４２】  格子は、その格子周期又は格子を介して伝播する光の有効屈折率を変化させることによって同調（光と相互作用するための波長範囲をシフト）させることができる。格子周期は、機械的引張り又は圧縮、加熱又は冷却、音響励振などを含む幾つかの手段の１つ又は複数により材料を伸張することによって変化させることができる。格子の有効屈折率は、好ましい熱光学効果、電気光学効果、圧電効果などを含む幾つかの手段の１つ又は複数によって変化させることができる。熱、電界、圧縮、せん断その他の加えられた変化に応答してその屈折率を変化させる材料が使用可能であり、その中には非線形光学材料、水晶、液晶及び当技術分野で周知の他のタイプの材料が含まれる。格子に沿って光モードの光エネルギーが横切る材料の任意の部分は、格子スペクトルの変化に影響するように変化させることができる。熱光学効果は、大きいｄｎ／ｄＴを有する信頼性のあるポリマー材料が使用可能なことに起因して、近い将来の製品において反射帯域をシフトさせるために好ましい。
【００４３】  熱光学効果は、温度でその屈折率を変化させる材料の特性である。ポリマー導波路のセグメントを加熱すると、熱光学効果によって有効屈折率が主に変化する。熱膨張の効果は比較的小さい。ＩｎＰレーザの能動導波路などの少数の材料は大きな熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ）を有し（ｄｎ／ｄＴ＝２５×１０-5℃-1）、シリカなど少数の材料は、温度で屈折率の変化する率が小さい（ｄｎ／ｄＴ＝１×１０-5℃-l）。ポリマー材料は、その熱光学係数が負で大きい（−１０から−３５×１０-5℃-1の範囲のｄｎ／ｄＴ）点で珍しく、例えば、Ｒ．Ｓ．モシュレフザデー他のＪ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．１０  ４２０（１９９２年）を参照されたい。本発明では、発明者等は光路に沿うポリマー層を使用して格子相互作用周波数を同調させ、共振周波数を同調させ、光エネルギーが横切る他の材料の屈折率における正の熱変化を補償することによってデバイスを無熱にする。共振器など熱に不感の構造と、ポリマー格子など強く熱で同調可能な構造との組み合わせを特に含む有用なデバイスが作り出される。
【００４４】  格子の温度変化は、格子の熱的空間プロフィールの共振キャビティへの実質的な「漏れ」がない場合には、実質的にＦＳＲに影響しない。好ましい実施の形態では、キャビティ全体が無熱とされる（均一な温度変化に対して不感となるように補償される）。しかし、キャビティ内の個々のセグメントは、なおも実質的な熱係数を有し得る。好ましい実施の形態では、導波路１２２の構造は、テーパ１２６と格子１３０との間のキャビティと格子１３０とにおいて同じである。ヒータ１６０からの熱的空間プロフィールの一部分がレーザ・キャビティと重なり合う範囲までヒータ１６０で格子を同調させることは、なおもモード周波数の残余の変化を発生することになる。理想的には、格子の温度同調は、格子の温度は変化させるがキャビティ内導波路構造の温度は変化させない急激な空間的熱プロフィールによって達成される。格子長の外側のキャビティ内導波路領域を低温加熱するようヒータ電極１６０、１６２を設計することにより、シリコンなど高熱伝導性基板１２０を設けることにより、及び、プロセス層の厚さを格子導波路と基板（他の制約を受ける）との間で薄く保つことにより、不要のモード同調を１つのＦＳＲの許容可能な小部分などの許容範囲に制限しながら格子の最大同調範囲を実現するように、長手方向モードでの格子の熱同調の影響を最小限に抑えることができる。代りに、格子に隣接するキャビティ内導波路のセグメントを格子熱プロフィールの「漏れ」の領域で無熱に設計することができる。
【００４５】  そのような条件下で、ヒータ・ストライプ１６０、１６２を介して流れる電流によって格子１３０、１３２のブラッグ波長を同調させると、長手方向モード周波数を変化させることなく、１つの長手方向モードから次の長手方向モードへ、レーザ出力の一連の個別周波数ジャンプ（モード・ホップ）が発生する。動作光周波数は、キャビティの長手方向モード間の周波数範囲を横切ることなく、不連続にデジタル的に同調される。長手方向モードが通信周波数チャネルと一致する場合は、ヒータ・ストライプの電流はアナログ的に連続的に変化することができるが、デバイスは通信チャネルをデジタル的に変化させる。デジタル同調の場合、チャネル精度は、同調アクチュエータ（例えば、ヒータ電流）の精度ではなくチャネル周波数の指定精度に依存する。
【００４６】  １対の蛇行ヒータ・トレース１５０、１５２は、格子領域１３０、１３２と出力ファセット１１８との間の場所で導波路１２２、１２４の周りに配置される。ヒータ・トレース１５０、１５２は、電極１５４、１５６並びに１５８、１５９においてそれぞれ終了する。電極対１５４、１５６を介して電流を注入することによりヒータ・トレース１５０が励起され、ヒータ・トレース１５０のパターンとトレースから（最後には）基板への熱の拡散とによって決まる、導波路１２２の一部分の長さ方向の温度を上昇させる。同様に、電極対１５８、１５９を介して電流を注入することによりヒータ・トレース１５２が励起され、導波路１２４の一部分の温度を上昇させる。ヒータ・トレースは、プラチナ、ニッケル、ニクロム、導電性ポリマーなど抵抗性材料のストライプで作製することができ、所望の導電性、すなわち下部層へのワイヤボンディング又は接着を作り出すために、又は、レーザ・アブレーション、エッチングなど後続の工程ステップに対する電極応答を修正するために必要な、単層又は多層の形態とすることができる。ストライプは、当技術分野で周知のように、抵抗性材料の液体又はドライ・エッチング（例えば、化学的又はＲＩＥエッチング）及びレジストの剥離などが後続するフォト・レジスト・パターニングなどのリソグラフィ手段によってパターン形成される。これらの電極及びヒータ・トレースは、ハイブリッド型外部キャビティ格子安定化レーザの往復光路の光路長を調整するために使用することができる。ただし、往復光路長は、（格子又は結合から増幅導波路セグメントへの反射などのような）共振器の位相空間における同じ点を通る連続的な経路間での共振器を介する光学モードが従う経路であって増幅器導波路セグメントを横切る経路であり、ｎi effは、キャビティにおいて光が横切るｉ番目のセグメントのモードの有効屈折率であり、Ｌｉはｉ番目のセグメントの物理的長さであり、合計は、横切られる全経路セグメントについてのものである。ヒータは、該ヒータに隣接する熱流によって決められる領域において、ポリマー・クラッド材料の熱光学効果により導波路の有効屈折率を下げる。これは、共振器の光路長を短縮し、ＦＳＲを増大させ、長手方向モードを一層高い周波数に同調させるが、他のファクタは全て一定である。
【００４７】  本発明の一つの実施の形態では、いくつかの共振器長手方向モード周波数が１組の所望の通信周波数チャネルと一致するように、ヒータ１５０、１５２によって往復光路長が調整され、光路長及び自由スペクトル領域が調整される。又は、ヒータ１５０、１５２を使用して、連続アナログ的にデバイスの動作周波数を同調させてもよい。
【００４８】  蛇行ヒータ・トレース１６０、１６２は、格子領域１３０、１３２内の場所で、実質的に格子領域全体を横切って、導波路１２２、１２４の周りに配置される。ヒータ・トレース１６０、１６２は、電極１６４、１６６、１６８、１６９で終了する。電極対１６４、１６６を介して電流を注入すると、ヒータ・トレース１６０が励起され、ヒータ・トレース１６０のパターンとトレースから（最後には）基板への熱の拡散とによって決まる、格子領域１３０に沿う導波路１２２の温度を上昇させる。この場合も、ヒータは、ヒータに隣接する熱流によって決まる領域において、ポリマー・クラッド材料の熱光学効果によって導波路の有効屈折率を下げる。格子領域の有効屈折率の変化は、式（７）のように格子の周波数応答を同調させ、格子セグメントの加熱はその相互作用周波数を高める。格子は、それぞれのヒータ電流又は電力を制御することによって、一緒に又は別々に同調される。
【００４９】  ヒータ・トレース１６０、１６２のストライプ・パターンは、格子長に沿って均一なヒータ電流の関数として熱変化を形成するよう均一であり、それによって格子相互作用のスペクトル形状を十分に維持することが好ましい。図に示すように、ストライプ・パターンは格子領域で導波路の両側を横切り、そのため熱変化もまた導波路の横寸法にわたって一層均一である。導波路に沿って単一のヒータ・ストライプを使用することは、格子全てを一方の端部で共に接地できるという利点をもたらす合理的な代替手段である。
【００５０】  ヒータ・ストライプ１５０、１５２もまた蛇行するように示されているが、共振器の往復光路長を同調させるために均一性は要件とされない。電極又はパッド１５４、１５６、１５８、１５９、１６４、１６６、１６８、１６９は、接続リードのヒータ電源（図示せず）への結合を高めるために、酸化に耐性のある金その他の材料で構成することが好ましい。これらの電極の場所は決定的ではないのであって、電極の場所とヒータ・トレースとの間の接続が低抵抗であって不要な電力消費を低減するならば、チップ上で他の場所に移動させることができる。上述の目的を達成するために、多数の他のヒータ及び電極設計が使用可能であり、有用である。
【００５１】  本発明の一つの変形形態では、ヒータ・ストライプによって誘導される導波路に沿う熱プロフィールは、ストライプの幅を変えること、導波路軸からのストライプの距離を変えることなどを含む様々な手段によって、格子の長さに沿って非均一にすることができ、それにより、ヒータ電流の関数として分布熱誘導位相シフトによって格子相互作用のスペクトル形状を変化させることができる。
【００５２】  熱光学的に同調可能な格子の場合、キャビティを無熱とすることができるが、格子自体は無熱とすることができない。そのため、基板の絶対温度を安定化させ、格子の周波数感応性を周囲温度の変化に制限することが望ましい。基板が熱的に安定化されている場合には、格子に供給されるヒータ電力はまた、絶対動作周波数を決定するために使用することができる。格子周波数の若干のドリフトは、モード・ホップを引き起こさないならば許容可能なので、基板安定化要件はあまり厳格ではない（電気光学、圧電などのデバイスでは、格子を本質的に無熱に設計し、基板熱安定化の必要性をなくすことが好ましい）。基板温度を安定させるために、基板に又はその付近に単純な温度センサを取り付け、当技術分野で周知のように電子制御フィードバック・ループを設けて、ヒータ及び／又はクーラ（ＴＥクーラ２１２など）を作動させ、温度を所望の範囲内で調節することができる。
【００５３】  角度θrだけ導波路を逆に曲げるよう、チップ１００上の導波路１２２、１２４に湾曲した導波路領域１７８を設けて、ダイオード・レーザ・チップに平行である１組の光ファイバに結合する出力を提供し、同じチップ上の複数のレーザに対する設計を容易にスケーリングすることができる。チップを横方向に（ｘ方向に）伸張することにより、３つ又は４つ以上の導波路を有する幅広レーザ・チップを設け、テーパ、格子、ヒータ部及び出力ファイバＶ字溝により、既存の導波路に隣接して配置された追加の導波路に結合させることができる。これは、２重湾曲構成により、各別個の導波路に対して同じ長さセグメントで実施される。領域１７８の湾曲型導波路の半径は、曲げ損失を最適化するように選択され、２％コントラスト・シリカ導波路に対する良好な選択は、約２ｍｍ以上の曲率半径である。曲げ部は、共振キャビティの長さを短縮するため（その変調帯域幅を増大する）、及び、その損失を減少させるために、共振キャビティの外側に配置される。この曲げ部をテーパの前又は後に、ただし格子の前（したがってキャビティの内側）に組み込む代替の設計（図示せず）は、格子領域もまたレーザ・チップと平行であるので、一層小型になるという利点を有する。
【００５４】  Ｖ字溝１７０、１７２は、１対のファイバ（図示せず）を導波路１２２、１２４の出力端部に結合するのを助けるために設けられる。Ｖ字溝はボンディング・スロット１７６の両側に延びており、垂直側壁が出力ファイバと導波路１２２、１２４の当接結合を可能にする整列スロット１７４で終了する。Ｖ字溝の深さ及び位置は、出力ファイバのコアが整列スロット１７４で導波路１２２、１２４とほぼ同軸に整列するように調整される。
【００５５】  図６は、導波路１２２とＶ字溝１７０との間における結合領域の詳細な上面図を示す。整列スロット１７４は、導波路コア１２２が終了するほぼ垂直な側壁６１０と共に作製されることが好ましい。ファイバは、Ｖ字溝１７０において、Ｖ字溝の２つの角度をなす側部に静かに押し付けられ、前方向で側壁６１０に静かに押し付けられるように配置される。接着剤は領域１７９に配置され（図１参照）、硬化されてファイバを定位置に固定する。ボンディング・スロット１７６は、接着剤がファイバ又はＶ字溝に沿って側壁６１０部の光学界面に向かって逃げないようにする。ｘ−ｚ平面内のＶ字溝の位置、角度及びＶ字溝の深さは、取り付けられたファイバが導波路コァ１２２と同軸に整列するように設定されることが好ましい。シリコン、シリカ及び他の基板においてＶ字溝を作製することは、複数の代替法による実現を提供する、スロット設計及びファイバ取付け工程のように、当技術分野で周知である。
【００５６】  レーザの裏面への共通接続との電気接続、及びダイオード・ストライプのための電気接続は、それぞれ中間電極１８１、１８２、１８３、・・・・にワイヤボンド接続を介して行うことが好ましい。モニタ・フォトダイオード１４０、１４２との接続もまた、接続パッド（又は電極）１８４、１８５、・・・・とのワイヤボンドにより、恐らくは共通接続として１８１を使用して、行うことができる。共通接続が電気的に望ましくない場合には、ノイズに弱い一部の電子回路で見られるように、各共通機能に対して別々の電極を使用することができる。例えば、モニタ・ダイオードは、１つ又は２つの別々の共通電極（図示せず）を有することができる。
【００５７】  図２は、ハイブリッド・チップ・アセンブリ１００のためのパッケージ構成２００の破断図を示す。チップ・アセンブリ１００は、その下部表面１０２部で、直列に結合された２つの熱電（ＴＥ）クーラ２１２、２１４に結合されることが好ましい。２つのクーラは、チップ１００と周囲温度との間で大きい温度差を可能にして、チップ１００をその所望の狭い温度範囲内に維持しながら、動作が得られる広い周囲温度範囲を可能にするよう用いられることが好ましい。より広い又はより狭い動作範囲について、より多い又はより少ないクーラを使用することができる。周囲温度変動の範囲が５℃と同程度である場合は、クーラは必要でない。ＴＥクーラは、図のヒート・シンク２２０に、銅、アルミニウム、ＫＯＶＡＲ（登録商標）、セラミックなどの適切な熱伝導性材料の１つで構成されたパッケージの一部として結合される。このヒート・シンクは、周囲空気への熱伝導を改善するため、フィンを有し又はフィン（図示せず）に取り付けられ得る。図では、電気接続２３０〜２３３は、絶縁領域２３６を通って現れるパッケージ２３４のリード線とチップとの間で行われる。接続２３０〜２３３は、電極１６４〜１６９などのチップ上の電極に直接に行われても、モニタ・ダイオード１４０又は１４２又はレーザ・ダイオード１１２、１１４などのハイブリッド一体型要素上の電極領域に対して直接又は間接に（電極１８１〜１８５．．．を介して）行われても良い。チップ・アセンブリ１００に接続されたファイバは、コネクタ又は封止部（図示せず）を介し、パッケージを通って出る。封止板２４０は、例えば湿気を締め出すために密封シールが望ましい場合にはパッケージの残りの部分にはんだ付け又は溶接されるが、密封が必要とされない場合には接着剤で封止したり、製陶材料で置き換えられる。
【００５８】  代わりに、周波数選択フィードバック構造は、同方向（codirectional）結合又は反射結合の格子補助型結合器、バルク光学格子、バルク形態又は導波路の共振器又はエタロン（例えば、導波路フレネル反射器を形成するよう、導波路を横切って２つの平行なファセット又はトレンチをエッチングして作製される）、又は、バルク光学系、導波路又は他の一体型光構成要素を含む光学構造によって増幅器媒体ヘフィードバックされる光周波数範囲内でスペクトルを選択することができる他のデバイスであってよい。これらの構造の幾つかは、単純なリング、相互接続を有する複数のリング、３次元導波路構造の一層複雑なトポロジを含むリング・レーザの実施の形態と両立する。
【００５９】 テーパ形結合
図３は、テーパを含むハイブリッド一体型結合装置の好ましい実施の形態を示しているが、図５の導波路の曲げ等の他の複雑さは無視されている。例えば、ＨＧ．アンガーの１９８３年１１月１５日の米国特許第４，４１５，２２７号に述べられている単純なテーパは、シングル・モード導波路を大きく異なるモード次元と結合するためには不十分であることが多い。導波路の正規化伝播定数Ｖ、すなわち、
【００６０】
【数８】
0005226167.tif 000008
は、そのモード挙動を決定するのに役立つ。ただし、ｋｏ＝２π／λであり、Ｔは導波路の最小横断寸法にほぼ等しく、ｎｆはその導波路のコア層の屈折率であり、ｎsは導波路に隣接する下側の層の屈折率に近い。例えば、導波路の１つが正規化伝播定数Ｖ＝２．５でシングル・モード領域の中央で動作する場合は、２の係数のアップテーパが多モード挙動において生じる。一方、そのような導波路のダウン・テーパは、モード次元を減少させるのに効果的でない。問題は、半導体ダイオード・レーザにおける小さな高コントラスト・シングル・モード導波路を、平面型導波路チップにおける大きな低コントラスト・シングル・モード導波路に整合させることである。一層容易に製造される受動導波路基板上でテーパを作製することが望ましい。屈折率が小型導波路又は大型導波路の屈折率の中間である第３の材料を使用して、第３の導波路を動作波長についてカットオフより低くする末端テーパを使用する３本導波路手法が設計された。
【００６１】  導波路のカットオフは、それを過ぎるとモードの横断方向の閉込めが失われ、エネルギーがコアからガイドの伝播軸の横断方向で伝播する重要なパラメータ値（例えば、波長、幅、有効屈折率など）として定義される。カットオフの状況は、良く定義された（そうでない場合はカットオフより下の）導波路間でエネルギーが交換される、良く定義された導波路間の結合とは区別される。
【００６２】  ダイオード・レーザ・チップ３１０は、基板３１４上で作製された導波路部３２０を含む。レーザ・チップ３１０は、１５５２ｎｍなどの或る範囲の波長に関して正味の増幅を実現する。ダイオード・レーザ・チップ３１０は、波長及び材料システムに従って選択され、１５５０ｎｍレーザの場合には厚さ５００ミクロン、導波路の方向で長さ４００ミクロン、幅４００ミクロンである寸法を有する。後部ファセット３１２は、レーザ・キャビティの一方の端部を形成する。レーザは光学軸３２４に沿ってレーザ光を発する。レーザ・キャビティの他方の端部は、逆反射格子（図１の１３０、１３２参照）の場所で導波路３４０の内部にある。レーザ導波路３２０の寸法は可変であるが、典型的にはｙ方向で約０．７ミクロン、ｘ方向で約２．１ミクロンであり、光学モード・サイズはそれぞれ０．５５ミクロン及び１．６５ミクロンである。典型的には、モード・サイズは強度の１／ｅ2半幅と見積られる。モードの全体の幅はモード・サイズの約２倍であり、ビームの半値全幅は、モード・サイズの約１．１８倍である。導波路３２０に沿うレーザ伝播軸３２４は、基板３７０上にボンディング及び整列に備えて、レーザ基板３１４より上に垂直距離３２５で固定される。
【００６３】  レーザは、図３に示すように、はんだで基板に取り付けられることが好ましい。レーザの下部表面は、接着層３５２、バリヤ層３５４、キャップ層３５６と共に準備される。基板３１４が図の上部にあるため、図３ではレーザ・チップが裏返しであることに留意されたい。接着層は０．１ミクロンのＴｉ、バリヤ層は０．４ミクロンのＰｔ、キャップ層は０．１ミクロンのＡｕであることが好ましい。基板３７０のボンディング表面は、接着層３５８、バリヤ層３６０、キャップ３６２と同様な形で準備され得る。はんだ層３５０は、便宜上、基板のキャップ層上で準備され、融点約２８０℃を有する数ミクロンのＡｕＳｎはんだで作製される。レーザ導波路はｘ−ｚ平面内で整列されて定位置に押し下げられ、酸化物の形成を妨げ且つレーザ・チップを結合させるよう、ギ酸などの適切なガス内で短時間だけ加熱される。はんだ層３５０及び他の層の厚さは、ボンディング後のレーザ基板３１４が、良好な光結合のための許容範囲内で、導波路基板３７０から所望の垂直分離３２６を有するように制御されることに留意されたい。レーザ導波路３２０は、レーザを作製する際に工程シーケンスに従ってレーザ基板３１４より上に固定距離で配置され、導波路３３０は、導波路３３０を作製する際に工程シーケンスに従って導波路基板３７０より上に固定距離３３５で配置される。したがって、ボンディング層３５０、３５２、３５４、３５６、３５８、３６０、３６２及びボンディング工程を制御することにより、２つの基板３１４、３７０の間の分離を調整且つ制御することによって、導波路３２０、３３０の相対垂直位置を調整且つ制御することができる。垂直分離３２６は、垂直許容範囲内で、導波路３２０の垂直高さ３２５及び導波路３３０の垂直高さ３３５の合計に等しくなるように調整される。
【００６４】  作製される導波路３４０は、標準光ファイバとの結合の効率、クラッド内で伝播するモードの割合、曲げを含む構造を介した伝播損失を含む他の要因を最適化するように選択された寸法を有する。この場合も、この導波路の寸法は、これらの要因及び屈折率差など作製要因に依存して３倍から１０倍で変わり得るが、コア対クラッド屈折率差２％で導波路寸法２ミクロン×２ミクロンとするためには導波路３４０に対して商業用シリカ技術が選択される。
【００６５】  ２つの導波路３２０、３４０の寸法の不均衡は、導波路３２０を導波路３４０に直接当接結合するならば、整列が完壁であっても高い結合損失をもたらす（４ｄＢに近い）。ハイブリッド格子レーザでは、この損失はキャビティ内であるため、閾値を高めて出力パワーを減少させることになる。テーパ形導波路部３３０は、結合効率を３ｄＢより良好に、好ましくは１ｄＢ、又はさらに０．５ｄＢ未満に改善するように設けられることが好ましい。導波路３３０は、導波路３２０には当接結合し、テーパ形導波路３３０には該導波路の屈折率をカットオフより低くする特殊なテーパで平行結合することが好ましい。理想的には、導波路３３０の入力端部３３２は、３３０の入力セグメント内で伝播する最低次数の光学モードの横方向寸法が、ダイオード・レーザ導波路３２０から出る最低次数の光学モードの横方向寸法に等しい、又はそれに近いように設計される。２つの導波路間の間隙に屈折率整合材料を設けることにより、２つの導波路端部からのフレネル反射及び光散乱を最小限に抑えることができる。図３は、導波路３３０を導波路３４０上で直接作製することが好ましいことを示すが、代替設計では、導波路３４０より下にすることも追加層によって分離することもできる。
【００６６】  導波路３３０のテーパ形部分は、導波路３３０の伝播定数を導波路３４０の伝播定数に近づけ、エネルギーが導波路間で結合することを可能にする。テーパは、導波路３３０がカットオフより低くなるまで続く。レーザ導波路３２０から出て伝播する光は、テーパ形導波路３３０の端部内に当接結合される。ダウン・テーパ形領域内では、光は平行な導波路３４０内に横断方向で結合される。導波路３４０内で反対方向から戻る光は、レーザに向かって伝播する光に対してアップ・テーパの形の導波路３３０の同じ部分において横断方向で結合され、ダイオード・レーザ・チップの導波路３２０に当接結合される。導波路３４０は、屈折率ｎ2を有する材料で作製する。周囲材料は、シリカの屈折率ｎ1に近い、できれば同一の低い屈折率を有する。導波路３４０の強さΔは、局所横断方向寸法、クラッド３４２の屈折率（シリカの屈折率と異なる場合）及び屈折率差
【００６７】
【数９】
0005226167.tif 000009
に依存する。これらのパラメータに基づいて、導波路３４０は、ほぼｎ1＜ｎcff＜ｎ2の範囲内にある有効屈折率ｎeffを有する最低次数の光学モードをガイドすることになる。
【００６８】  図４は、テーパの動作によって発生する屈折率の変化を示す。導波路３３０が機能するためには、その屈折率ｎ3はｎ2より大きい。図４に領域４６０に示すように、導波路３３０の第１セグメントのｎeff４３０は、導波路３４０の第１セグメントのｎeff４４０より大きい。テーパは、領域４７０にわたって導波路の強さを減少させ、ｎeff４３０を低下させ、モード形状を変化させる。テーパは、局所横断方向寸法及び屈折率差を変えることによって達成できるが、作製期間に導波路パターンを決定するために使用されるマスクを変更することによって導波路の横幅を変える方が容易である。導波路３３０は依然として比較的強いが、テーパは、図３及び４の範囲Ｔ1のz軸に沿った領域に示すように、急勾配にすることができる。しかし、テーパが進むにつれて、導波路３３０のモードは、結合領域４５０において導波路３４０のモードと結合し始める。
【００６９】  結合は、導波路３４０の最低次数モードで最強となる。これは、その有効屈折率が最も近いためである。エネルギー交換は、２つのモード屈折率が互いに接近し且つそれぞれの屈折率が虚数部分を得るzにおける限定された領域４５０にわたって発生する。増加するzという伝播方向を見ると、テーパが進むにつれて、２つのモードが互いにより強く摂動し、結合が一層強くなる。ついには導波路３３０のモードが消え（カットオフより下）、屈折率の虚数部分がゼロに戻り、エネルギー交換が終わり、導波路３４０の最低次数モードの摂動が消える。導波路３３０から導波路３４０へ効率的なエネルギーの移動を達成するためには、モードが結合している間はテーパを緩やかにし、エネルギー交換を完了するために十分な相互作用時間を与えることが望ましい。それゆえに、領域Ｔ2は、典型的には領域Ｔ1より大きい。
【００７０】  特定の導波路及びテーパ設計を選択する際にすべき数多くの選択がある。上部及び下部の導波路のための材料は、安定していて加工可能であり、融和性があることが好ましい。材料の組の所与の選択内でさえ、多数のオプションと若干の自由度が残る。この応用分野に好ましいテーパ設計は、導波路３４０及び０２下部クラッドにはシリカ（ＳｉＯ2）材料システムを、ポリマー上部クラッド３４２を有するテーパ形導波路３３０にはタンタラ（Ｔａ2Ｏ5）コアを使用する。
【００７１】  上部導波路３３０については、その安定性、低損失性、１．５５ミクロンでｎ3＝２．０３の高屈折率のため、タンタラが選択される。正確な屈折率は、膜を堆積するために使用する工程に応じて決まることに留意されたい。テーパ特性は屈折率に敏感に左右されるため、本明細書で引用する数字はすべてｎ3＝２．０３で計算されるが、所与の製造工程にとって望ましい性能を得るために経験的に調整することが好ましい。
【００７２】  導波路３３０の入力端部３３２の垂直寸法は、（ｙ方向で）約０．０８ミクロンとなるように選択され、ダイオード・レーザにおいてガイドされるモードの垂直寸法にほぼ整合する約０．８ミクロンの垂直モード・サイズを有する非常に弱い垂直ガイドを作り出すことが好ましい。横寸法は（x方向で）約２ミクロンであり、約１．６５ミクロンのダイオード・レーザのモード・サイズに十分近い約１．３ミクロンの横モード・サイズを作り出すことが好ましい。このガイドの有効屈折率は、約ｎeff＝１．４９でカットオフより極くわずかに高く、それによって、モード全幅が、特に垂直方向でコア寸法より実質的に大きいことが好ましい。
【００７３】  初期テーパの長さは、Ｔ1＝１００ミクロンの領域などにおいては短くすることができ、テーパの大部分をここで達成して、特定の設計に依存して、２又は１０以上にすることができる係数で導波路の幅を縮小することができる。この領域内のテーパの正確な長さ及び量は、光学的損失を最小限に抑えながら、モード・サイズ縮小量を最適化するように経験的に調整することができる（長さＴ1を増加させて光学的損失を減少させることができる）。実質的に結合のない多くのテーパは、この急速なテーパ部で実現されることが好ましい。第２テーパは、Ｔ2＝５００ミクロン等のように長くすることができ、十分なテーパは、モード間の結合を開始し、カットオフ以下の上部導波路モードを運び、下部導波路の摂動を減結合して実質的に減少させるために設けられる。ガイドのこの部分を５０％だけテーパ付けすることで十分である。この場合も、この領域でのテーパの正確な長さ及び量は、モード間のエネルギー移動の量を最適化するために経験的に調整され得る（長さＴ2を増加させて光学的損失を減少させることができる）。初期の無テーパ部分は極めて短く又は長さゼロとすることができ、複数のテーパ形部分を設けることができる。
【００７４】  好ましいテーパ設計は、厚さ０．０８ミクロンのタンタラと、横導波路幅が距離Ｔ2＝６００ミクロンにわたって２ミクロンから０．７ミクロンへ漸減する単一テーパ（すなわちＴ1＝０）とを使用する。マスク幅が約１ミクロンより小さくなるにつれて、リソグラフィ解像度及びマスク・アンダーカットなどの要因により、小さな構造を再現するのがますます困難になる。マスクは横寸法でテーパを提供するが、マスクを再現し且つ導波路幅を規定する工程は、０．７ミクロンより幾分狭い横方向の構造と、導波路３３０の小さい端部で一層顕著な自然な垂直テーパとをもたらす。それゆえに、テーパの機能に対する作製機器の効果を考慮することが好ましく、それに応じて寸法が調整される。実際、この事実を設計で利用して、導波路の薄い端部において、マスク設計で要求されているよりも低い有効屈折率を実現することができる。テーパの端部では、導波路３３０はカットオフより低く、コアの領域において光エネルギーがほとんど残らないため、導波路３３０を急激に終端することができる。別法として、マスク・テーパを引き続き幅ゼロにすることができ、リソグラフィ工程によって導波路を自然に終端させることができる。
【００７５】  図８は、導波路の設計にセグメント化が含まれる代替のテーパ設計を示す。基板８７０は、屈折率ｎ2の導波路コア８４０、屈折率約ｎ1の上部クラッド８４２、屈折率約ｎ1の下部クラッド８４４により準備される。導波路コア８４０は、少なくとも１っの光学モードをガイドするようにクラッド層より屈折率が高い。セグメント化された導波路８３０は、所望の厚さ及び屈折率約ｎ3の層により導波路８４０上に作製され、望ましくない材料を除去することにより、界面８３２で横方向に一層広いことが好ましいテーパ形の幅にパターン形成され、領域８３８の材料を除去することにより、セグメント化されたパターンにパターン形成される。図では、材料の除去は完全であるとして示されているが、導波路８４０のコア材料内へ或る程度まで除去を延長することができる。又は、除去を不完全として後に幾らかの材料を残し、セグメント８３６を架橋することができる（図示せず）。
【００７６】  光伝播軸８３４は、記述のように及び図３に関連して述べたように、第２チップを基板の空き部分８７２上に取り付ける準備の際に、基板８７０より距離８３５だけ上方に決定される。変形形態として、導波路８４０は導波路８３０上に作製され得、この場合は、セグメント８３６が８４２のクラッド材料内ではなく、８４０のコア材料内に埋め込まれる。デバイス８００は、デバイス３００又は１００又は他のデバイスの一部分とすることができる。
【００７７】  図８に示すように、高屈折率導波路８３０は、高屈折率材料が除去された領域８３８（セグメント）が散在する領域８３６から作製される。セグメント化の周期（光伝播方向に沿って領域８３６及び隣接する領域８３８の幅の合計）が、垂直方向及び横方向のレイリー距離
【００７８】
【数１０】
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に匹敵する又はそれより小さいとすれば、光学モードは、導波路コアが連続していて（セグメント化されず）領域８３６より屈折率が低いかのように伝播する。ただし、z0はレイリー距離、w0は1／e2光ビーム強度半幅、λはモードの真空光波長である。クラッド８４２との有効屈折率対比は、セグメント化の局所的デューティ比
【００７９】
【数１１】
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だけ減少する。セグメントと除去済み領域が等しい長さである場合に得られるデューティ比５０％は、導波路の有効屈折率を約２分の１だけ減少させる。導波路のパラメータを適切に調整することにより、セグメント化されたガイドで所望のモード・サイズが得られるが、デューティ比及びセグメント化の周期という追加の自由度が設計者にとって使用可能となる。例えば、導波路の入力近くの領域でデューティ比が５０％であり、セグメント８３６を作製するために使用するタンタラ膜の厚さが前述に比べて０．１１ミクロンへと１．４１４倍増やされる場合には、垂直及び横断方向寸法での導波路強さ及びモード・サイズは上述とほぼ同じになる。
【００８０】  デューティ比は、セグメント化された導波路８３０を作製する際に使用するリソグラフィ・マスクのパターンを変更することによって、伝播軸８３４に沿って減少させることができ、テーパを実施する際に助けとなる。上述の非セグメント化導波路に必要とされるテーパは、導波路の小さい端部で０．７ミクロンの幅を有する。そのような小さな寸法は、再現可能に作製することに対する挑戦となり得る。より大きい最小寸法が好ましい。セグメント化を使用することにより、１．０ミクロンの最小寸法が選択され、光学モードの有効屈折率の変動の点で、テーパの同一の光学効果が得られる。ここで、導波路８３０は小さい端部で幅２ミクロンから幅１ミクロンに横方向にテーパ化され、セグメント８３６の長さは１ミクロンで一定に保たれ、デューティ比は、除去領域８３８の長さを小さい端部で１ミクロンから４ミクロンに徐々に増大させることによって５０％から２５％に変わる。
【００８１】  セグメント化のテーパの機能形態について多数の変形形態が可能であり、デューティ比の線形テーパ、指数関数、双曲線、正弦、及び他のすべての数学的形態を含む他の多数が有用であることに留意されたい。また、一般的なセグメント化テーパは、レイリー範囲に匹敵する又はそれより小さいという制約に周期が引き続き従うとすれば、代替の機能的形態を持つ周期でのテーパの可能性を含むことにも留意されたい。Ｒ．アダーの１９９６年１１月１９日の米国特許５，５７７，１４１「一体型光導波路のための２次元セグメンテーション・モード・テーパリング（Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ  ｔａｐｅｒｉｎｇ  ｆｏｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）」の窪み形幾何形状、様々にセグメント化された材料の多重層など、セグメント化の幾何形状で多数の変形形態もまた使用可能である。
【００８２】  図１、３、５、８に示すタンタラ導波路は、ゲルマニア（gemania）／シリカ・コアの作製後に所望の厚さのタンタラ膜を堆積することによって作製することが好ましい。次いで、タンタラ膜は、タンタラ導波路セグメントの所望の境界を画定するよう、マスキング・ステップ後にＲＩＥによってパターン形成される。図示しないが、上部クラッドを堆積した後でタンタラ導波路を堆積することを含め、いくつかの変形形態が使用可能である。後者の場合では、タンタラ導波路構造が望ましいどこにでも、上部クラッドがパターン形成され、ゲルマニア／シリカ・コアの上面近くまで除去される。所望の導波路を生み出すためには、タンタラの所望の厚さを均一に堆積することで十分である。
【００８３】レンズ型導波路端部
図７Ａ及び図７Ｂは、２つの異なる導波路間で良好な結合効率を提供することができる好ましい代替のテーパの実施の形態を示す。この手法は、導波路端部をレンズにすることに基づく。図７Ａは、導波路コア７４０、上部クラッド７４２、下部クラッド７４４とともに準備された基板７７０を示す。導波路コア７４０は、少なくとも１つの光学モードをガイドするようにクラッド層より屈折率が高い。本明細書の他所で述べた導波路のように、この導波路は、シングル・モードを主にガイドする場合にシングル・モード導波路と呼ぶことができる。より高次のモードはカットオフされ、その場合にはガイドは厳密にシングル・モードであり、また、少数の不十分に閉込められた一層高損失のモードは弱くガイドされ、その場合にはガイドは有効にシングル・モードであり、シングル・モード光ファイバとの結合を含む多数の応用分野にとって依然として有用であり得る。
【００８４】  コア７４０の領域７５２は、表面７３２からわずかに突出する。図７Ａでは、突出が鋭い縁部を有して示されているが、これらの縁部は丸めることができる。この突出は、２ステップの選択エッチングを適用することによって作製することができる。第１に、導波路は、クラッド及びコア層を同様な割合でエッチングする非選択エッチング工程によって垂直にエッチングされ、コア７４０が表面に現れる領域で上部及び下部クラッドを露出させる。このステップでは、Ａｕ又はＣｒの金属被覆などエッチ・バリヤが半加工物品の表面上に堆積される。フォト・レジストのパターン化された層は、除去領域の所望のパターン（及び望むなら他のパターン）でエッチ・バリヤの上部に適用され、フォト・レジストのパターンをエッチ・バリヤに転写するようエッチングされる。反応性イオン・エッチング工程を使用して、パターン化されたエッチ・バリヤ層によって、露出されたままのシリカ層内にエッチングすることができる。エッチング時間は、コア７４０を通って下部クラッド７４４までエッチングするのに充分なエッチング深さを許容するように制御されることが好ましい。エッチングは、基板７７０に向かってほぼ垂直に進む。このエッチングを行うために多数の工程の代替が存在するが、好ましい方法は、圧力２０ｍＴｏｒｒで反応ガスとしてＣＨＦ3を使用することである。この段階で、半加工済みデバイスの露出表面は平坦である。
【００８５】  第２に、表面上で選択エッチングを行うことができ、これにより、クラッド層７４２及び７４４がコア７４０に比べて選択的にエッチングされる。このエッチングを行うための好ましい方法は、緩衝ＨＦ溶液（ＢＨＦ：フッ化アンモニウムとフッ化水素酸の混合物）を使用する化学エッチングを行うことである。当技術分野で周知のように、ＢＨＦはシリカを急速にエッチングするが、ＧｅＯ2はまったくエッチングせず、それにより、ＧｅＯ2リッチなコア層７４０は、純粋なシリカ・クラッド層よりゆっくりエッチングされる。この工程によって生み出される突起の正確なプロフィールは、Ｇｅの濃度プロフィールに従う。ドライ・エッチングを含め、選択エッチングの他の手段を使用することもできる。コアの中央が表面７３２から突出する距離は、エッチング・パラメータ（材料、密度、時間、温度など）に依存する。導波路７４０のために上部クラッドを使用しない、すなわち層７４２がない（図示せず）場合は、得られるレンズ状構造の形状が異なり、垂直方向で非対称となる。図３の場合のように、ダイオード・レーザ・チップは、レーザ導波路３２０又は１１２の軸が導波路７４０の軸７５４と同軸になるように整列され、基板７７０に取り付けられる（フリップチップ・ボンディングによることが好ましい）ことができる。
【００８６】  図７Ａは、単純化のために、エッチング工程によって変化しなかったコア形状を示すが、現実では、表面７３２部でコア７４０の領域の突起７５３の形状は鋭い隅部がなく、図７Ｂのように滑らかな湾曲で説明することができ、ここでｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面に沿った表面グリッド線は、滑らかに変わる表面形状の印象を与えるために示されている。図７Ｂは、表面７３２部でコア７４０の高さ（ｙ方向）及び幅（ｘ方向）が異なるため、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内の２つの異なる湾曲を有するレンズ状構造を形成する突起７５３を示す。ダイオード・レーザ・モードの広がりが、上述のように典型的なモード・サイズが異なるため２つの平面内で非常に異なるので、異なる湾曲が望ましい。小さい垂直モード・サイズは強い垂直広がりに通じ、そのため、ｙ−ｚ平面内では強く湾曲していることが望ましい。水平なビームの広がりを補償するためには、弱い水平湾曲だけ（又は湾曲なし）が必要とされる。この差に対処するために、図７Ａについて領域７５０、図７Ｂについて７５１に示すように、ほぼ方形断面の導波路７４０を幅広にすることができる。ｙ−ｚ平面内の湾曲は、選択エッチング条件によって調整することができ、一般に、他の事柄をすべて等しくしたときには、エッチング時間が大きいほど、大きな湾曲が作り出される。湾曲は、ダイオード・レーザ・ビームの垂直広がりが補償できるまで調整されることが好ましい。突起７５３の湾曲は、表面７３２内の導波路の幅のように反比例して変わり、そのため、所望の湾曲率（垂直対水平）は、幅の比（垂直対水平）を調整することによって得られる。双曲レンズ表面は球面収差がないため、作製条件は、モード・プロフィールが表面７３２と交差する軸７５４に近い領域内で、突起７５３のための近双曲的プロフィールを得るために調整されることが好ましい。
【００８７】  平面型導波路の場合には、領域７４０はその垂直幅に比べて横方向に非常に広くてｘ−ｚ平面内で複数の異なる伝播軸を支持し、レンズ状構造はｘ軸に沿って並進的に不変となり、主に垂直ｙ−ｚ平面内で合焦をもたらす。図では、表面７３２（突起は無視）は、導波路７４０のモードの伝播軸７５４に局所的に垂直である。この場合、状況の対称性により、軸７５４部での突起の局所表面は、その軸に垂直である。しかし、この表面は、ビームを逸らすように角度をなして傾斜することも、横方向で合焦するように湾曲することも、異なる目的のために他の形状を取ることもできる。
【００８８】  図７Ａにおいて、導波路の長方形部分７５０（又は図７Ｂの７５１）は、光学モードが表面７３２と導波路７４０の概ね方形の領域７６０の開始部との間で水平寸法を伸張する著しい機会がないように、長さ（伝播方向に沿って）を横方向レイリー距離より小さく保たれることが好ましい。この条件に従う場合は、導波路７５０、７６０の２つの部分の間にテーパが必要とされない。レンズ型導波路結合部を使用する際には、屈折率整合材料を使用しないことが望ましい。屈折率整合材料の使用には、フレネル反射を減少させるという利点があるが、作製時間を望ましくないほど増加させて製造公差を厳しくするという、表面７３２の湾曲を増大させることを必要とする望ましくない作用がある。
【００８９】  レンズ型表面７５３の作製の任意選択ステップにおいては、その領域を、材料７４０、７４４、７４２の軟化温度近くの温度に加熱することができる。軟化温度より高く溶融点より下では、シリカの表面張力が表面プロフィールを変化させることができる。これは表面の熱スランプと呼ばれる。制御された熱勾配をウエハに又は個々の部分に加えることにより、突起の湾曲を所望の値に減少させるのに十分な時間の間、温度を軟化温度より上げることができる。このステップは、上述の選択エッチング・ステップによって作り出された突起の空間プロフィールが（図７Ａに示すように）鋭すぎる場合に重要である。
【００９０】  熱スランプ処理の他の望ましい効果は、表面を滑らかにすること、つまり光散乱の減少である。加熱は、単一チップ、ウエハ全体、又は個々に選択された領域で行うことができる。ウエハ・スケールの加工にはオーブンを使用することができるが、個々の領域をスランプ処理することが望ましい場合には、突起７５２又は７５３の周りの領域を加熱するためにレーザを有利に使用することができる。好ましくは、表面７３２上に向けられ、部分的に表面近くのボリューム内で吸収される１０ミクロン光放射のエネルギー・パルスを提供するために、ＣＯ2レーザを使用することができる。数マイクロ秒の間に主なシリカ導波路材料の上部の数ミクロン内で約０．５〜１Ｊ／ｃｍ2の間が吸収されるように光パルスを加える場合は、熱スランプが観察される。より長いパルスの場合には、より多くのエネルギーが必要であるが、熱拡散深さはほぼ時間の平方根で変わり、そのため、必要とされるエネルギーは、数ミリ秒のパルス持続時間より上のパルス長の平方根として増加する。レーザ・パルス長及びエネルギー、（及び波長）、及びパルス数を制御することにより、所望のスランプ度を所望の湾曲に近づくように制御することができる。
【００９１】  突起７５３は、光放射を再合焦するために使用することができる。光ビームは、導波路７４０を介して突起７５３に向かって伝播する。導波路外側で界面７３２を横切る材料がコア７４０より低い屈折率を有するとすれば、ビームは、界面７３２を横切ると直ちに界面７３２の湾曲によって合焦され、収束特性を得る。より高い屈折率の突起中央部分は、界面を横切るときモードの位相面を遅らせ、位相面の湾曲を突起の湾曲に関連付け、モードを合焦する。ビームが引き続き最小ビーム径の長手方向位置に向かって伝播するにつれて、少なくとも１つのビーム寸法が引き続き収縮されて合焦される。他の導波路は、この位置に近接して整列され、それによって、再合焦されたビームは良好な結合効率を有して第２導波路に入ることができる。第２導波路が半導体レーザの能動導波路である場合は、既述の構成を、注入ロック装置、外部キャビティ共振装置、増幅装置、又は他の構造の一部とすることができる。
【００９２】  代わりに、突起７５３は、半導体レーザにおいてのように第２導波路を導波路７４０に効果的に結合する際に使用することができる。この場合、光ビームは、ダイオード・レーザ内部で発生し、突起に伝播し、突起で収束ビームから再合焦され、導波路７４０の軸７５４に沿って伝播する。この場合も、第２導波路の端部は、所望の結合効率を得るための許容範囲内で、放射ファセットが最小焦点と同位置に配置されるように、界面７３２に対して整列されることができる。第２導波路を導波路７４０と同じ基板上で作製する場合は、第２導波路の端部の整列はリソグラフィ的に達成される。第２導波路が半導体ダイオード・レーザである場合は、第２導波路端部の整列は、ダイオード・レーザの基板と基板７７０との間の取付け工程中に達成される。
【００９３】  他の好ましい代替の実施の形態においては、突起７５３の代わりに窪みを作製することができる。窪みを作製するために、コア層７４０をクラッド層７４２及び７４４に比べて選択的にエッチングする選択エッチング工程を実行することができる。このエッチングを行うための好ましい方法は、Ｈ2ＳＯ4の水性溶液による化学エッチングを行うことである。このエツチャント内のＳｉＯ2のエッチング・レートはゼロであり、一方、ＧｅＯ2のエッチング・レートは中程度であるため、３０℃又は５０℃など、室温より高い工程温度が好ましい。ＧｅＯ2リッチなコア層７４０は、純粋なシリカ・クラッド層より速くエッチングされる。この場合も、この工程によって生み出される窪みのプロフィールは、Ｇｅの濃度プロフィールに従う。次に、除去領域内に空気を有する場合、窪みは界面を通過するモードの焦点を外し、これはいくつかの応用分野にとって有用な可能性がある。導波路コア７４０より高い屈折率を有する除去領域内に屈折率整合液を有する場合、合焦が窪み部で再び得られる。突起を組み込んだ構造、及び突起の使用の一般的な説明はまた、除去領域の屈折率に従う合焦特性の反転に注意を払うとすれば、窪みにも当てはまる。
【００９４】  以上本発明について特定の実施の形態を参照しながら述べた。不必要な繰り返しを避けるため、上記の１つの図に関して述べた変形形態はまた、単一の又は組み合わされた他の図にも適用されるものとする。他の実施の形態は当業者に明らかであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲によって示されているものを除いて制限されるものではなく、特許請求の範囲は発明の説明の一部を構成するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ハイブリッド型格子安定化レーザ・チップの一つの実施の形態である。
【図２】  熱安定化集積光チップのパッケージされた一つの実施の形態の切断図である。
【図３】  テーパ形導波路に結合されたレーザ・チップの一つの実施の形態である。
【図４】  テーパ形導波路チップ内の２つの結合された導波路の有効モード屈折率におけるｚ変動を示す図である。
【図５】  テーパ形導波路アレイとの角度をなして曲がる界面を有する湾曲レーザ導波路アレイの概略上面図である。
【図６】  導波路とＶ字溝の間における結合領域の一つの実施の形態である。
【図７】  図７Ａは、導波路端部レンズの一つの実施の形態であり、図７Ｂは、導波路端部レンズの一つの代替の実施の形態である。
【図８】  テーパ形導波路結合器のセグメント化された一つの実施の形態である。
【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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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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