(57)【要約】特にタップデバイスとしての使用に適する光分波構成部品が記載される。この構成部品は、各々が少なくとも２つの導波モードをサポートする少なくとも１つのＭＭＩを含む、２つの光カプラの間に結合された２つの光導波路を有している。２つの導波路の間には実効光路長の差が存在し、カプラの少なくとも１つの結合強度は、構成部品の動作波長領域内での波長の増大に伴い単調に低下する。これは、結合強度が相対的に高く、偏光依存性が相対的に低いカプラを、構成部品内で使用可能であり、特にタップ比が低い場合に、タップ比における偏光依存変化が少ないことを意味する。さらに、カプラ内にＭＭＩを使用することによって、従来技術の分波構成部品の構成で使用される方向性カプラの場合のような、２つの導波路間の極めて小さい空隙を高度な加工許容差で製造する必要がなくなる。
2006508383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの光カプラの間に結合された２つの光導波路を備えた光分波構成部品であって、２つの導波路の間には実効光路長の差があるとともに、前記各光カプラは、少なくとも２つの導波モードをサポートするように構成された多モード干渉（ＭＭＩ）導波路を備え、前記光カプラの少なくとも１つの結合強度が、構成部品の動作波長領域における波長の増大に伴い単調に低下する、光分波構成部品。
【請求項２】
前記各光カプラの結合強度が、前記構成部品の動作波長領域における波長の増大に伴い単調に低下する、請求項１に記載の光分波構成部品。
【請求項３】
各ＭＭＩ導波路が、２つの導波モードだけをサポートするように構成される、請求項１または２のいずれかに記載の光分波構成部品。
【請求項４】
各光カプラがＭＭＩカプラを備えている、請求項１から３のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項５】
各ＭＭＩカプラが同じ結合強度を有する、請求項４に記載の光分波構成部品。
【請求項６】
各ＭＭＩカプラが異なる結合強度を有する、請求項４に記載の光分波構成部品。
【請求項７】
前記各ＭＭＩカプラの位相厚みが、９０°と１８０°の間にある、請求項４から６のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項８】
前記各ＭＭＩカプラの位相厚みが、９０°と１３５°の間にあり、前記２つの方向性カプラ間の２つの導波路間の位相遅延２θが、９０°＜θ＜１８０°で規定される、請求項４に記載の光分波構成部品。
【請求項９】
前記２つの各ＭＭＩカプラの位相厚みが、１３５°と１８０°の間にあり、前記２つのＭＭＩカプラ間の２つの導波路間の位相遅延２θが、０°＜θ＜９０°で規定される、請求項４に記載の光分波構成部品。
【請求項１０】
前記実効光路長の差が、構成部品の最短動作波長未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項１１】
各ＭＭＩカプラの形状は、カプラの最小の積分されたＲＢＥ（ＲＢＥａｖｅｒａｇｅ）を結果として生じるように最適化される、請求項４から９のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項１２】
前記２つの各ＭＭＩカプラの積分されたＲＢＥ（ＲＢＥａｖｅｒａｇｅ）の大きさが１％未満である、請求項４から９のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項１３】
前記２つの各ＭＭＩカプラの積分されたＲＢＥ（ＲＢＥａｖｅｒａｇｅ）の大きさが０．５％以下である、請求項４から９のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項１４】
構成部品は、タップ比が４％以下のタップデバイスである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項１５】
構成部品は、タップデバイスであり、該タップデバイスにおいて、波長に応じたタップ比の変化が、構成部品の動作波長領域にわたって０．１％未満である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光分波構成部品。
【請求項１６】
前記各光カプラが、２つの光導波路を備え、該２つの光導波路が、長さの少なくとも一部に沿って互いに曲がって離れ、前記それぞれのＭＭＩ導波路によって長さの少なくとも一部に沿って互いに結合され、かつ前記それぞれのＭＭＩ導波路に隣接する少なくとも１つの領域で互いに近接し、該少なくとも１つの領域で、導波路がほぼまっすぐである、請求項１または請求項２に記載の光分波構成部品。
【請求項１７】
前記導波路の少なくとも１つの載置された加熱器手段をさらに含む、請求項１６に記載の光分波構成部品。
【請求項１８】
少なくとも１つの加熱器手段をさらに含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の２つの光分波構成部品を備える光スイッチングデバイス。
【請求項１９】
２つの光カプラの間に結合された２つの光導波路を備えた光分波構成部品であって、２つの導波路の間には実効光路長の差があるとともに、前記各光カプラが、少なくとも２つの導波モードをサポートするように構成された多モード干渉（ＭＭＩ）導波路を備え、前記各光カプラが、前記光カプラの最少の偏光依存性を達成するように最適化される、光分波構成部品。
【請求項２０】
前記各光カプラの形状が、前記光カプラの最小偏光依存性を達成するように最適化される、請求項１９に記載の光分波構成部品。
【請求項２１】
導波路がシリカオンシリコン技術で製造される、請求項１８に記載の光スイッチデバイス。
【請求項２２】
２つの光導波路を備える光カプラであって、前記２つの光導波路が、長さの少なくとも一部に沿って互いに曲がって離れ、少なくとも２つの導波モードをサポートするように構成された少なくとも１つのＭＭＩ導波路によって、長さの少なくとも一部に沿って互いに結合され、かつ前記ＭＭＩ導波路に隣接する少なくとも１つの領域において互いに近接し、前記少なくとも１つの領域において、導波路がほぼまっすぐである、光カプラ。
【請求項２３】
２つの導波モードだけをサポートするように構成された単一のＭＭＩ導波路を備える、請求項２２に記載の光カプラ。
【請求項２４】
各々２つの導波モードだけをサポートするように構成された２つのＭＭＩ導波路を備える、請求項２２に記載の光カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分波デバイス（ｏｐｔｉｃａｌ  ｂｒａｎｃｈｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）に関し、特にプレーナ導波回路（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＰＬＣ）内に備えられた光分波デバイスに関する。それに限定されるものではないが、本発明は、より具体的には、タップデバイス（ｔａｐ  ｄｅｖｉｃｅ）として使用される偏光依存損失（Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｌｏｓｓ、ＰＤＬ）が少ない光分波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光カプラとしても知られている光分波構成部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）は、よく知られており、ＰＬＣ技術で使用されている。（図６に示されているような）方向性カプラ、ＭＭＩカプラ、およびＹ分波カプラを含む、異なる種類の光カプラが存在している。方向性カプラは、Ｙ分波カプラよりもパワー損失は少ないが、より大きな波長依存性、すなわち入力信号波長が異なることに応じた結合強度のより大きな変化を有する傾向がある。
【０００３】
米国特許第５，０４４，７１５号は、マッハ−ツェンダー干渉計装置に基づき、波長依存性が低いように構成された、改良型の光分波構成部品を記載している。図１は、２つの導波路を備えるこの構成部品を図示し、２つの導波路は、２つの方向性カプラを形成するように、２つの領域で互いに近接するようになされ、２つの方向性カプラの間に延在する２つの導波路間に実効光路長の差がある。この実効光路長の差は、光分波構成部品の最短動作波長未満になるように構成され、各方向性カプラは、図２のグラフに示されているように、各々の方向性カプラの結合強度Ｃ（ただし後述するようにＣ＝ｓｉｎ２φ）が、構成部品の動作波長領域内の波長の増大に伴い単調に上昇するように構成されている。このような構成は、波長依存性を低くするために提案され、波長不感受性カプラ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｒ）、すなわちＷＩＮＣと呼ばれることがある。
【０００４】
米国特許第５，０４４，７１５号に記載されているような分波デバイスの望ましい用途は、光信号入力のパワーの所望部分を分波デバイスに分岐するための光タップとしての用途である。このような構成部品をタップとして使用することの欠点の１つは、タップ比が低い場合に、個々の方向性カプラの結合強度を極めて低くする必要があることである（ただしタップ比＝Ｐｔａｐ／（Ｐｔａｐ＋Ｐｅｘｐｒｅｓｓ）、ただし、Ｐｔａｐはタップ経路の出力パワーであり、Ｐｅｘｐは高速経路（ｅｘｐｒｅｓｓ  ｐａｔｈ）の出力パワーである）。結合強度が低いことの大きな欠点は、特にＰＬＣチップが、（ＰＬＣ用の一般的な技術的基本構造である）シリカオンシリコン技術で製造される場合、相対複屈折エラー（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  Ｅｒｒｏｒ、ＲＢＥ）と呼ばれるパラメータが大きくなることである。ＲＢＥが大きいと分割比の偏光依存性が高まる（ここで、個々のカプラの「分割比、Ｐｓｐｌｉｔ」は、Ｐｓｐｌｉｔ＝Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）として定義され、ここで、Ｐ１およびＰ２は、それぞれカプラの２つの出力アームにおけるパワーである）。２つのカプラがマッハ−ツェンダー構造内で組合わされると、それは、タップ比の偏光依存性が高い偏差（＞±０．２％）となって表れる。タップ比のこのような偏光依存性は、タップチャネルの偏光依存損失、すなわちＰＤＬと呼ばれるが、厳密に述べると構成部品内の全パワーが保存され、単にタップチャネルのパワーが偏光依存性であるに過ぎないことが理解されよう。
【０００５】
この偏光依存性は、このようなタップ構成部品をシステムへ設計することを欲するシステム設計者にとって、重大な問題点を引き起こすことがある。構成部品設計者は、ＰＬＣ構成部品の性能仕様、特にこのような構成部品の偏光依存性を改良することを不断に試みている。
【０００６】
全内容が参照により本出願に組み込まれている、出願人らの係属中の英国特許出願第０２１９１４１．９は、タップチャネル内での偏光依存損失（ＰＤＬ）が少ない分波構成部品を記載している。このデバイスは、２つの方向性カプラを形成するように、２つの領域で互いに近接するようになされた２つの導波路を備え、２つの方向性カプラの間に延在する２つの導波路間に実効光路長の差があるという点で、米国特許第５，０４４，７１５号のＷＩＮＣデバイスと類似した構造を有している。しかし、このデバイスでは、２つの各ＤＣが、デバイスの動作波長領域で波長の増大に伴い単調に低下する結合強度を有している。偏光不感受性カプラ（ＰＩＮＣ）と呼ばれるこの構成部品は、各方向性カプラの結合された導波路間に極めて小さい空隙を有する傾向がある。その欠点の１つは、この小さい空隙の製造に関する加工の問題があること、すなわち必要とされる小さい空隙のサイズを、反復的にかつ精密に製造することが困難であることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記の欠点の１つまたは幾つかを無くし、または最小限に抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、２つの光カプラの間に結合された２つの光導波路を備えた光分波構成部品であって、２つの導波路の間には実効光路長の差があるとともに、前記各光カプラは、少なくとも２つの導波モードをサポートするように構成された少なくとも１つの多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＭＭＩ）導波路を備え、前記光カプラの少なくとも１つの結合強度が、構成部品の動作波長領域内の波長の増大に伴い単調に低下する、光分波構成部品が提供される。好適には、各光カプラの結合強度は、構成部品の動作波長領域内の波長の増大に伴い単調に低下する。
【０００９】
特に分波構成部品がタップとして使用される場合の本発明の構成部品の利点は、所定のタップ比に関して、米国特許第５，０４４，７１５号のＷＩＮＣ構成部品で使用されるＤＣよりも高い結合強度を有する光カプラを、本発明の構成部品に使用できることにある。結合強度が高いこれらのカプラは、後述するように従来型のＷＩＮＣよりも低いＲＢＥを有するように、シリカオンシリコン技術で製造でき、それによって少ないＰＤＬを達成可能である。
【００１０】
さらに、別の利点は、ＭＭＩ導波路の形態のシングルコア導波路を使用することによって、出願者らの係属中の英国特許出願第０２１９１４１．９号のＰＩＮＣ構成部品における、各々の方向性カプラの結合された２つの導波路の間に小さい空隙を製造することに関連する加工上の問題が、回避されることである。
【００１１】
各光カプラは、便利にはＭＭＩカプラからなるものでよい。好適には、各ＭＭＩカプラにおけるＭＭＩ導波路は、２つの導波モードだけをサポートするように構成されている。このようなカプラは、２モード干渉（Ｔｗｏ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＴＭＩ）カプラと呼ばれる。その代わりに、限定された数のさらにより高い次数のモードをサポートするＭＭＩ導波路も可能であるが、デバイスの性能は劣ることが判明している。ＭＭＩ導波路およびＭＭＩカプラは、当技術分野でよく知られている技術であり、例えばＬ．Ｂ．Ｓｏｌｄａｎｏら著の「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｓｅｌｆ−Ｉｍａｇｉｎｇ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（自己イメージングに基づく多モード光干渉デバイス：その原理と応用）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｔ  第１３巻、４号、１９９５年４月）に詳細に記載されている。
【００１２】
各ＴＭＩカプラの形状は、好適には、各個々のＴＭＩカプラに関して、所望の最小偏光依存性が達成されるように選択される。それによって、一般に比較的強力なカプラが得られる。そこで各カプラの正確な結合強度と共に、必要ならばデバイスの所定の動作波長窓内でデバイスの任意の波長感度が最小限になるように、ＴＭＩカプラの間に結合された２つの導波路間の実効光路長の差が、構成部品設計者によって最適化されてもよい。例えば、所定の動作波長（例えば最低動作波長、または中心動作波長）で、ＴＭＩカプラの波長感度が、デバイスの動作波長窓にわたって光路長の差の波長感度によって実質的に相殺されるように、実効光路長の差を選択してもよい。
【００１３】
本発明のさらに別の発明的特徴は、請求項に記載されている。
【００１４】
ＴＭＩカプラの代わりに、分波構成部品内の光カプラの双方または一方は、方向性カプラ（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｕｐｌｅｒ、ＤＣ）およびＭＭＩカプラの組み合わせに基づくハイブリッドカプラ構成でもよい。このようなハイブリッド構成の例は、図１２ａから図１２ｃに示されている。このように、本発明の別の態様によれば、２つの光導波路を備えている光カプラが提供され、２つの光導波路は、光導波路の長さの少なくとも一部に沿って互いに曲げられて離れ、少なくとも２つの導波モードをサポートするように構成された少なくとも１つのＭＭＩ導波路によって、それぞれの長さの少なくとも一部に沿って互いに結合され、かつ２つの光導波路は、導波路がほぼまっすぐなＭＭＩ導波路に隣接する少なくとも１つの領域で、互いに近接している。前記ＭＭＩ導波路または各ＭＭＩ導波路は好適にはＴＭＩ導波路である。
【００１５】
この新規な構成のカプラでは、例えば製造中の加工上の変動に起因する、導波路のコア幅の変化に対する依存性が低減する。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、２つの光カプラの間に結合された２つの光導波路を備えた光分波構成部品であって、２つの導波路の間には実効光路長の差があるとともに、前記各光カプラは、少なくとも２つの導波モードをサポートするように構成された多モード干渉（ＭＭＩ）導波路を備え、前記各光カプラは、前記光カプラの最少の偏光依存性を達成するように最適化されている光分波構成部品が提供される。
【００１７】
ここで本発明の好適な実施形態を、ほんの一例として添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態による光分波構成部品（または「光カプラ」）を示している。構成部品は、２つのＭＭＩカプラ１３、１４の間に結合された、長さが異なる２つの導波路１０、１２を備えている。各ＭＭＩカプラは、方向性カプラ（ＤＣ）構成に基づいており、「デュアル導波路コア」ＤＣの中心部は、ＭＭＩ導波路の形態のシングルコア導波路に置き換えられている。このように各ＭＭＩカプラは、ＭＭＩ導波路３、４、ＭＭＩ導波路の入力側に結合された分岐する２つの入力導波路１、２、およびＭＭＩ導波路の出力側に結合された分岐する２つの出力導波路５、６を備えている。各ＭＭＩ導波路は、２つの導波モードだけをサポートするように構成されている。このようなカプラは２モード干渉（ＴＭＩ）カプラとして知られている。長さが異なる２つの導波路１０、１２は各々が、一方のＭＭＩカプラ１３のそれぞれ１つの出力導波路５、６に一体に接続されている一端と、他方のＭＭＩカプラ１４のそれぞれ１つの入力導波路１、２に一体に接続されている他端とを有している。図３の実施形態では、すべての導波路が、同じ材料から製造されており、ＭＭＩ導波路を除くすべてが、同じ形状的構造（すなわちコアの寸法）を有するシングルモード、またはほぼシングルモードの導波路である。２つのＴＭＩカプラ１３、１４の間に延在する２つの導波路１０、１２の間に、実効光路長の差ｎΔＬがあり、ただしΔＬは２つの導波路間の物理的長さの差であり、ｎは各導波路の（実効）屈折率である。図１のＷＩＮＣデバイスとは異なり、本発明によるデバイスでは、図５に示されまた後に詳細に説明するように、ＴＭＩカプラは、２つの各ＴＭＩカプラの（パワー）結合強度が、デバイスの動作波長領域において波長の増大に伴い単調に低下するように構成されている。
【００１９】
光導波路は、シリカオンシリコン技術を利用してシリコン基板上に形成されたシリカベースの導波路である。図４は、火炎堆積法を利用してシリコン基板１６上に堆積されたシリカベースの材料のコア層からエッチングされたコア１５を備える、このような導波路の（長さに沿った）一部を示している。下部クラッド層１７は、一般にコア層の堆積前にシリコン基板上に備えられ、酸化物層、またはシリカベース材料の形態でよい。上部クラッド層１８は、導波路のコアを覆いかつ埋め込み、火炎堆積法を利用して形成される。好適な実施形態では、コア１５は、コア幅ｗを有する方形の断面である（図４のｘおよびｙ方向）。
【００２０】
相対複屈折エラー（ＲＢＥ）と呼ばれる数値は、図１に示されているデバイスのような、２つの方向性カプラを組み込んだマッハ−ツェンダー干渉計装置をベースにした光カプラの性能に大きく影響することが示されることができる。ＲＢＥは、偏光に依存するカプラの位相厚さ（ｐｈａｓｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）の便利な指標として利用でき、出願人らはＲＢＥを下記のように定義する。
【００２１】
ＲＢＥの定義
方向性カプラ（ＤＣ）の性能は、カプラ全体の位相厚さによって決定される。例えば図６に示されているＤＣのような、（２つの導波路間の空隙および導波路のコア幅に関して）絶えず変化する導波路構造を備えた対称的なカプラの場合、この位相厚さは、カプラ内の基本モードと一次モードとの位相ずれの半分として定義することができる。これは、数学的に下記のように表すことができる。
【数１】
2006508383.tif 000003
【００２２】
ただし、Ｋは、（Ｎｉｓｈｉｈａｒａら編の「光集積回路」４２ページ、およびＤｏｎｅｌｌｙ＆Ｓｏｎｓカンパニー編の６０−６１ページに定義されているように）カプラ内の位置ｚにおける結合係数であり、
ｋ０＝２π／λは真空中の波数であり、
Ｌはカプラ全体の位相厚さに寄与する結合長さであり、
ｎ０は（光信号ビーム場の）基本モードの屈折率であり、
ｎ１は（光信号ビーム場の）一次モードの屈折率であり、
Ｇ（ｚ）はｚの関数として導波路間の空隙の幅を定義する関数である。
【００２３】
したがって、空隙およびコア幅の関数としてｎ０−ｎ１の偏光依存性が判明していれば、位相厚さの偏光依存性を、下記から決定可能である。
【数２】
2006508383.tif 000004
【００２４】
ただし、
Δ｜ｋ｜は、ＴＭ偏光における結合係数の大きさ（｜Ｋ｜ＴＭ）と、ＴＥ偏光における結合係数の大きさ（｜Ｋ｜ＴＥ）との差であり、
【数３】
2006508383.tif 000005
は、導波路の形状的構造（すなわち寸法）に起因するｉ番目のモードの複屈折であり、
【数４】
2006508383.tif 000006
は、導波路内の応力に起因するｉ番目のモードの複屈折である。
【００２５】
偏光依存作用が、基本モードおよび一次モードの伝播定数（すなわちｋ０）の差と比較して小さいものと想定すると、便利な相対数値を、下記のように定義可能である。
【数５】
2006508383.tif 000007
【００２６】
これは、カプラ内の局部ＲＢＥである。この定義を用いて、カプラの位相厚さの偏光依存性の積分された尺度が得られる。すなわち、
【数６】
2006508383.tif 000008
【００２７】
ただし、
Δφは、異なる２つの偏光モードＴＭ、ＴＥにおける方向性カプラの位相厚さの差である。
【００２８】
この数値は、カプラの積分さｒたまたは平均ＲＢＥ（ＲＢＥａｖｅｒａｇｅ）と呼ばれる。すなわちＲＢＥａｖｅｒａｇｅ＝Δφ／φである。実際に、Δφは、方向性カプラ内の導波路が、まっすぐであるか曲がっているかに応じて大きく変化する。図６に示されているように、典型的にはＤＣ内の導波路は、２つの導波路がまっすぐでありかつ平行であるＤＣの中央部２０のどちら側でも、互いから曲がって離れる。導波路は、互いに逸れて離れる曲がり領域でも、ある距離ｄを越えて逸れるまでは光学的に結合されたままであり、ある距離ｄで導波路はもはや光結合されない。入力および出力導波路が円形の曲がりを有している例では、カプラの曲がり部分では、空隙Ｇ（ｚ）は下記の式によって得られる。
【数７】
2006508383.tif 000009
【００２９】
ただしＲ＝曲げ半径である。
【００３０】
その他の重要な定義には下記が含まれる。
結合長さＬｃ
【数８】
2006508383.tif 000010
曲がり部分に起因する位相厚さ
【数９】
2006508383.tif 000011
曲がり部分の結合長さＬＢ
【数１０】
2006508383.tif 000012
【００３１】
図７は、マッハ−ツェンダー干渉計型のパワータップデバイスのＤＣに関する、カプラの直線部分Ｌｓでの２つの導波路間の空隙Ｇに応じた、ＲＢＥの変化を示すグラフである。異なる３つの導波路コア幅ｗ＝４μｍ、５μｍ、６μｍのそれぞれについて、３つのグラフが示されている。これらのグラフは、すべてモードおよび応力のコンピュータシミュレーションに基づいている。これによって、空隙が大きいほどＲＢＥが大きくなり、したがってＰＤＬが大きくなることが明確である。これは３つのコア幅ｗのすべてについて当てはまる。コア幅が大きいほど、ＲＢＥも大きくなる。目標は、カプラの各部での（局部的）ＲＢＥのできる限り小さい値を達成し、特にＲＢＥａｖｅｒａｇｅを計算するための上記の式を用いて、積分されたまたは平均ＲＢＥのできる限り小さい値を達成することにある。
【００３２】
図８は、マッハ−ツェンダー干渉計型のパワータップにおけるＰＤＬとＲＢＥとの線形関係を示すグラフであり、簡明にするため２つのＤＣが同じＲＢＥを有しているものと想定されている。グラフの勾配は、タップ比および他のデバイスのパラメータ選択に依存する。このグラフも、モードおよび応力のコンピュータシミュレーションに基づいている。ＰＤＬは、ＲＢＥの上昇に伴い線形に増大することが明確にわかり、遅延線の複屈折は無視するものと想定されている。
【００３３】
米国特許第５，０４４，７１５号に記載のＷＩＮＣカプラの場合は、例えば数パーセントまたはそれ未満の低いタップ比を達成するために、結合強度が極めて小さい方向性カプラ（ＤＣ）を使用する必要がある場合である。その理由は、（ＷＩＮＣの場合には）ＤＣの結合強度が、波長の増大に伴い単調に上昇する必要があるからである。結合強度が低いＤＣの大きな欠点は、このようなカプラのＲＢＥが大きくなることである。特に導波路が、シリカオンシリコン導波路のような低い屈折率コントラストの技術で製造される場合、このようなＷＩＮＣのＰＤＬは、大きくなり、典型的には空隙のサイズに応じて０．５ｄＢまたはそれ以上となる。その理由は主として、（提案されている波長不感受性を得るために）必要な「単調に上昇する」状態を達成するために、各ＤＣ内の導波路間の空隙Ｇが、典型的には３μｍと比較的大きく、したがって、導波路のコア幅も、典型的には単一モードの導波路の最大幅より大きくなければならないからである。上記のように、空隙のサイズＧが大きいほど、および／またはコア幅ｗが大きいほど、ＲＢＥは大きくなる。
【００３４】
これとは対照的に、本出願者らの係属中である英国出願第０２１９１４１．９号に記載されている発明の光分波デバイスにおいて、各ＤＣは、デバイスの動作波長領域で、波長の増大に伴い単調に低下する結合強度を有している。その利点は、（例えば数パーセントまたは数パーセント未満のような）低いタップ比が必要である場合でも、ＤＣカプラの結合強度は、ＷＩＮＣデバイスの場合よりも大きくなることである。このことは、ＤＣを、導波路間のより小さい空隙Ｇ、および／または導波路のより小さいコア幅ｗを有するように構成できることを意味している。空隙のサイズおよび／またはコア幅が縮小すると、カプラの結合強度は増大するが、出願者らのカプラでは、（所定の低タップ比を達成するため）より高い結合強度が許容されるので、このことは受け入れられる。上記のように、空隙幅Ｇが小さく、かつ／または導波路のコア幅ｗが小さければ、ＲＢＥが低くなり、したがってＰＤＬが低減する。
【００３５】
本発明では、図３に示されているように、それぞれ２つの方向性カプラの代わりに２つのＭＭＩカプラが使用される。２つのＤＣ内の直線部分の代わりに、２つのＭＭＩ（特に２モード干渉計、すなわち「ＴＭＩ」）を使用することによって、ＤＣの直線部分の２つの導波路間の空隙をゼロまで効果的に低減した。空隙の必要性をなくすることによって、構成部品の製造は、加工上の変化に対してさらに強くなり、したがって構成部品の歩留まりは増加する。数学的には、これらのＴＭＩカプラは、直線部分の空隙のサイズがゼロまで低減された方向性カプラであると見なすことができる。したがって、波長に伴い単調に低下する結合強度を有するようにＴＭＩカプラを構成する方法は、出願者らの係属中である英国出願第０２１９１４１．９号に記載した、波長に伴い単調の低下する結合強度を有するようにＤＣを設計する方法と同じであり、したがって下記の通りである。
【００３６】
ＤＣ（またはＴＭＩカプラ）に対する「結合強度」という用語は、本明細書ではカプラのパワー結合強度Ｃを意味するものと理解され、ただしＣは下記のように定義される。
Ｃ＝ｓｉｎ２φ、ただしφは、前述のようにＤＣ（またはＴＭＩカプラ）の位相厚さである。
【００３７】
実際には、図１および図３の分波デバイスは、３つのパラメータによって定義される。
２つのカプラ（の間の２つの導波路）間の位相遅延２θ
第１のカプラの位相厚さφ１
第２のカプラの位相厚さφ２
【００３８】
位相遅延は、下記の式によって２つのカプラ間の実効光路長の差ｎΔＬに関連する。
２θ＝２π・ｎΔＬ／λ
【００３９】
適切なθの値を選択することによって、位相遅延２θの波長依存性で、各カプラの波長依存性を補償することを試みることが可能である。これは、位相厚さφの２つの同一のカプラが使用される状況を見ることによって、最も明確に説明できる。マッハ−ツェンダー干渉計型の分波構成部品全体のパワー結合強度ＣＴは、下記によって得られる。
ＣＴ＝ｓｉｎ２（２φ）・（１＋ｃｏｓ２θ）／２、ただし２つの同一のＤＣが、デバイス内で使用されている場合。
【００４０】
各ＤＣの結合強度が波長の増大に伴って単調に上昇する、図１のＷＩＮＣデバイスの必要な条件があれば、これは、φの可能な数値範囲を設定する（例えば０＜φ＜９０°、または１８０°＜φ＜２７０°）。次にｓｉｎ２（２φ）項の波長依存性が、（１＋ｃｏｓ２θ）／２の項の波長依存性によって相殺され、それによってＷＩＮＣデバイスの全結合強度ＣＴが、波長不感受性になるように、θの値を最適化することが可能である。例えば、０＜φ＜４５°である場合、ｓｉｎ２（２φ）項は、波長の増大に伴い増加するので、（１＋ｃｏｓ２θ）／２の項が、波長に伴い減少するように、９０°＜θ＜１８０°である必要がある。米国特許第５，０４４，７１５号は、θが、デバイスの最短動作波長で、１８０°に近いが、やや下回る値に設定されることを提案している。
【００４１】
２つのＤＣは必ずしも同一でなくてもよく、各々が異なる位相厚さφ１、φ２を有していてもよく、その場合はＷＩＮＣの全結合強度ＣＴは、下記によって得られる。
ＣＴ＝ｓｉｎ２（φ１＋φ２）・（１＋ｃｏｓ２θ）／２＋ｓｉｎ２（φ１−φ２）・（１−ｃｏｓ２θ）／２
【００４２】
本発明による分波デバイスの一実施形態では、各ＴＭＩカプラの位相厚さは、
９０°≦φ１≦１８０°
９０°≦φ２≦１８０°
であるように設定される。
【００４３】
この場合、各ＴＭＩカプラの結合強度Ｃ＝ｓｉｎ２φは、図５に示されているように、構成部品の動作波長領域で波長の増大に伴い単調に低下する。φ１およびφ２のこれらの値で、カプラの積分されたまたは平均ＲＢＥ（ＲＢＥａｖｅｒａｇｅ）は、小さくなり、すなわち１％未満、おそらくははゼロに近づくことが判明した。ＲＢＥが小さいことは、（遅延線の複屈折が無視されるものと想定すれば）ＰＤＬが少ないことを意味している。その際に、任意の波長感度を最小限にするため、この場合も、（双方のＴＭＩカプラが、同じ位相厚さを有しているか否かに応じて）分波デバイス全体の全結合強度ＣＴを定義する上記の適切な式を用いることによって、ＴＭＩカプラの波長感度が、光路長の差の波長感度により実質的に補償されるように、θの値が選択される。例えば、双方のＴＭＩカプラが同じ位相厚さを有しており、また、この位相厚さφが９０°と１３５°の間にある場合は、９０°＜θ＜１８０°とすることによって、波長に伴う（１＋ｃｏｓ２θ）／２の項の低下によって、波長に伴うｓｉｎ２（２φ）項の上昇は実質的に補償される。しかし、位相厚さφが、１３５°と１８０°の間にある場合は、０°＜θ＜９０°とすることによって、波長に伴う（１＋ｃｏｓ２θ）／２の項の上昇によって、波長に伴うｓｉｎ２（２φ）項の低下が実質的に補償されるようにすることが望まれよう。
【００４４】
本発明の好適な実施形態では、下記の数値が用いられた。
θ＝９２．９°
φ１＝１０９．５°
φ２＝９８．０°
【００４５】
図９は、図３に示され、各ＴＭＩカプラのＲＢＥａｖｅｒａｇｅが０．４％である、４％パワータップとして構成された種類の分波構成部品に関して、波長領域が、約１５２０ｎｍから１６３０ｎｍの間のＰＤＬ対波長のグラフである。下側の線は、ＰＩＮＣを通る高速信号経路におけるＰＤＬを示し、上側の線は、タップ経路でのＰＤＬを示している。所定の波長でのタップ比の偏光依存性の尺度であるＰＤＬを定義する方法は多いが、本明細書では、それを、所定の波長でのｄＢ単位の最小タップ比と、前記所定の波長でのｄＢ単位の最大タップ比との差であると定義した。
【００４６】
図９のグラフは、経験的な（すなわち実験による）データから得られたものである。ＰＤＬの値が極めて低く、各タップ経路および高速経路のＰＤＬの値が、０．１５ｄＢ未満であることが明確にわかる。図１０も、経験的なデータから得られた同様のグラフであり、この場合は、これも４％のタップとして構成された従来技術のＷＩＮＣデバイス内の高速およびタップ経路について作図されており、ＷＩＮＣの各方向性カプラ（ＤＣ）の直線部分の導波路間の空隙は３μｍであり、各ＤＣのＲＢＥは４％である。この場合は、タップ経路内のＰＤＬの値が、図９の本発明のデバイスの場合よりもはるかに大きく、０．２５ｄＢ未満では決してなく、場合によっては０．４５ｄＢより大きいことがわかる。
【００４７】
図１１は、図３に示されている種類の本発明の例の波長依存性を示している。この図は、波長の関数としてデバイスのタップ比の変化を示している。このグラフも、（約）３％のタップの場合である。波長範囲１５２０ｎｍから１６４０ｎｍにわたるタップ比は、３．２％±０．１％であり、変動は比較的少ない。このように図９および図１１から、本発明の分波構成部品は、本発明の構成部品の所望の動作波長範囲である、少なくとも１５２０ｎｍから１６４０ｎｍの範囲で比較的波長に不感受性であるタップ比を有していることに加えて、偏光依存損失（ＰＤＬ）が極めて少ないことが容易にわかる。
【００４８】
図１２ａは、本発明の分波構成部品で使用されるカプラの代替の構成を示している。カプラのこの構成は、基本的に方向性カプラとＴＭＩカプラとのハイブリッドである。方向性カプラ構成に基づくこのハイブリッドカプラ５０では、方向性カプラの直線部分は、２つの真直な導波路とＴＭＩ導波路との組み合わせからなっている。この構成のカプラの利点を、ここで説明する。
【００４９】
実際には、カプラは、コア幅の変化に依存する傾向がある。下記の表１は、従来の「デュアルコア」カプラ（すなわち方向性カプラ）、およびＴＭＩカプラの形態の「シングルコア」カプラに関する導波路のコア幅の変化に、結合長さＬｃの依存性を示している。
【表１】
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【００５０】
Ｌｃの変化の大きさが、デュアルコアカプラとシングルコアカプラで同様であることが明白である。しかし、変化の符号は逆である。例えば、ウエーハが双方の種類のカプラを含んでいるものとし、またこのウエーハ上に製造されたすべての導波路が、実際には設計上で意図されたものよりやや広いとすると、デュアルコアカプラの結合長さはやや小さくなり、一方、シングルコアカプラの結合長さはやや大きくなるであろう。したがって、双方の種類のカプラをハイブリッドカプラ構造で適宜に組み合わせる場合は、結合長さの正味の変化を小さくすべきであり、したがってコア幅変化への依存性が低下されることが提案される。
【００５１】
このような組み合わせカプラの１つが、図１２ａに示されているカプラ５０である。このカプラは、２つの光導波路５１、５２からなっており、これら光導波路は、その長さの第１の部分に沿ってＴＭＩ導波路５４によって互いに結合され、ＭＭＩ導波路の片側５５の近傍の領域５３で互いに近接し、この領域５３で、導波路がほぼ直線である。ＴＭＩ導波路の他方の側５６、および直線の導波路領域５３の他方の側では、２つの導波路は、従来の方向性カプラの場合と同様に（すなわち従来のＤＣの中央部の両側と同様に）互いに離れるように曲がる。
【００５２】
組み合わせカプラの別の２つの例が、図１２ｂおよび図１２ｃに示されている。図１２ｂでは、２つの導波路５１、５２が、ＴＭＩ導波路５５の両側に上記のような２つの直線導波路領域５３ａ、５３ｂを形成している。図１２ｃでは、２つの直線導波路を備える直線導波路領域５３によって、端と端とをつなげて結合された２つのＴＭＩ導波路５５ａ、５５ｂがある。ＴＭＩ導波路の代わりに、他のより高次モードのＭＭＩ導波路を使用することも可能であろうが、２つ以上の導波モードがサポートされると、デバイス性能が劣化するので好ましくない。
【００５３】
特許請求されている本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態のさまざまな修正および変形が可能である。例えば、波長依存損失（ＷＤＬ）およびＰＤＬに関してそれほど良好な性能が得られないにせよ、導波路の寸法および材料の変更が可能である。さらに、導波路は、必ずしもＦＨＤおよびエッチング技術を利用して製造される必要はなく、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）のような他の加工技術を使用することもできよう。
【００５４】
その代わりに、またはそれに加えて、知られている態様で、分波構成部品からの信号出力（単数または複数）を能動的に制御するように、導波路の１つまたは幾つかの経路長さを（ヒーター（単数または複数）に印加される電気信号（単数または複数）に応答して）変更するために、１つ以上のヒーター素子をデバイスに備えてもよい。例えば、このようなヒーターを使用することによって、スイッチング動作を行うために、分波構成部品を使用することが可能になる。図１３は、デバイスの２つの導波路によってそれぞれ形成された２つの遅延経路４４、４６により分離された、本発明による２つの分波構成部品４０、４２を組み込み、かつ各遅延経路にヒーターａ、ｂを備えたスイッチングデバイスの一実施形態を示している。
【００５５】
さらに、本発明の利点の少なくとも幾つかは、１つだけのＴＭＩカプラまたはハイブリッドカプラが、構成部品の動作波長領域での波長の増大に伴い単調に低下する結合強度を有するように、構成されることにより達成可能である。このような場合は、そのタップ構成に関するタップ比の最小の偏向依存性を達成するように、双方のカプラの形状、および２つのカプラ間の光路長の差が、まだ設計者によって最適化されてもよい。
【００５６】
さらに、上述発明は、小さいタップ比を有するように構成されたタップ構成部品向けに特に有利であるが、これは、例えば５０％タップのようなより大きいタップ比、または３ｄＢカプラを有する構成部品にも同様に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】ＰＬＣ上の、先行技術のＷＩＮＣ構成部品の概略平面図である。
【図２】波長が変化している、図１の先行技術のＷＩＮＣ構成部品内の各方向性カプラの結合強度における変化を示したグラフである。
【図３】本発明による光分波構成部品の概略平面図である。
【図４ａ】ＭＭＩカプラの概略平面図である。
【図４ｂ】図３の構成部品内の導波路の一部の斜視図である。
【図５】図３の本発明の構成部品における各ＭＭＩカプラの結合強度の変化を示したグラフである。
【図６】方向性カプラデバイスの概略平面図である。
【図７】モードおよび応力の計算に基づいて、異なる３つの導波路コア幅について、図１に示されているマッハ−ツェンダー干渉計型のパワータップデバイス内の各方向性カプラの直線部分の２つの導波路間の空隙Ｇの関数とした、ＲＢＥを示す３つのグラフである。
【図８】マッハ−ツェンダー干渉計型の典型的なパワータップデバイス内のＲＢＥの関数とした、ＰＤＬを示したグラフである。
【図９】本発明によるＰＩＮＣ−ＴＭＩタップ構成部品の一実施形態に関する、波長に伴う測定されたＰＤＬの変化を示したグラフである。
【図１０】図１および図２と同様の先行技術の種類のＷＩＮＣ構成部品に関する、波長に伴う測定されたＰＤＬの変化を示したグラフである。
【図１１】図９のグラフと同一のＰＩＮＣ−ＴＭＩタップ構成部品に関する入力信号波長に伴うタップ比の変化を示すグラフである。
【図１２ａ】本発明の別の態様による光カプラ構成例の概略平面図である。
【図１２ｂ】本発明の別の態様による光カプラ構成例の概略平面図である。
【図１２ｃ】本発明の別の態様による光カプラ構成例の概略平面図である。
【図１３】本発明の別の実施形態によるスイッチ素子の概略平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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