(57)【要約】コアとクラッドの境界部に、コアとクラッドの境界部荒さによる散乱損失を低減するためのグレーデッドインデックス層を持つプレーナ導波路である。コアとクラッドの境界部における屈折率は、グレーデッドインデックス層を持つことでコアのものからクラッドのものへ緩やかに変化する。グレーデッドインデックス層はコアとクラッド間の急激な境界部における荒さの影響を抑えることにより、導波路を通過する光の散乱を低減する。適切な設計を使うことで、グレーデッドインデックス層はまた導波路を通過する光モードのモード及び偏光分散を最小限にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体導波路であって、
基板上の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられたコアと、
前記コア上に設けられたグレーデッドインデックス層と、
前記グレーデッドインデックス層上に設けられた第２クラッド層と、を備えることを特徴とする誘電体導波路。
【請求項２】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層が前記コアと分離して作られることを特徴とする導波路。
【請求項３】
請求項第１の導波路であって、前記コアはパターニングされた層を備えることを特徴とする導波路。
【請求項４】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は散乱損失を低減することを特徴とする導波路。
【請求項５】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は偏光またはモード分散を低減することを特徴とする導波路。
【請求項６】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層の屈折率は断面において前記コアのものから前記第２クラッドのものへ変化することを特徴とする導波路。
【請求項７】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は断面において線形または非線形の屈折率プロファイルを持つことを特徴とする導波路。
【請求項８】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は断面において連続的または分割された屈折率プロファイルを持つことを特徴とする導波路。
【請求項９】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は材料を加える方法により作られることを特徴とする導波路。
【請求項１０】
請求項第９の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は薄膜成長または蒸着により作られることを特徴とする導波路。
【請求項１１】
請求項第１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は材料の化学組成を変質する方法により作られることを特徴とする導波路。
【請求項１２】
請求項第１１の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は化学反応により作られることを特徴とする導波路。
【請求項１３】
請求項第１の導波路であって、前記第１及び第２のクラッド層は前記コアよりも低い屈折率の材料領域を持つことを特徴とする導波路。
【請求項１４】
請求項第１の導波路であって、前記コア及び前記グレーデッドインデックス層は化学組成に珪素と窒素を備えることを特徴とする導波路。
【請求項１５】
請求項第１の導波路であって、前記コア及び前記グレーデッドインデックス層は化学組成にゲルマニウムを備えることを特徴とする導波路。
【請求項１６】
プレーナ誘電体導波路であって、
基板上の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられたコアと、
前記コア上に設けられたグレーデッドインデックス層と、
前記グレーデッドインデックス層上に設けられた第２クラッド層と、を備え、
前記コア及びクラッド層は、モード場サイズが、屈折率差が０．３以上であるチャンネル導波路と同等の５０％以内の面積差である、高屈折率差導波路を形成することを特徴とするプレーナ誘電体導波路。
【請求項１７】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は前記コアと分離して作られることを特徴とする導波路。
【請求項１８】
請求項第１６の導波路であって、前記コアはパターニングされた層を備えることを特徴とする導波路。
【請求項１９】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は散乱損失を低減することを特徴とする導波路。
【請求項２０】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は偏光またはモード分散を低減することを特徴とする導波路。
【請求項２１】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層の屈折率は断面において前記コアのものから前記第２クラッドのものへ変化することを特徴とする導波路。
【請求項２２】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は断面において線形または非線形の屈折率プロファイルを持つことを特徴とする導波路。
【請求項２３】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は断面において連続的または分割された屈折率プロファイルを持つことを特徴とする導波路。
【請求項２４】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は材料を加える方法により作られることを特徴とする導波路。
【請求項２５】
請求項第２４の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は薄膜成長または蒸着により作られることを特徴とする導波路。
【請求項２６】
請求項第１６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は材料の化学組成を変質する方法により作られることを特徴とする導波路。
【請求項２７】
請求項第２６の導波路であって、前記グレーデッドインデックス層は化学反応により作られることを特徴とする導波路。
【請求項２８】
請求項第１６の導波路であって、前記第１及び第２のクラッド層は前記コアよりも低い屈折率の材料領域を持つことを特徴とする導波路。
【請求項２９】
請求項第１６の導波路であって、前記コア及び前記グレーデッドインデックス層は化学組成に珪素と窒素を備えることを特徴とする導波路。
【請求項３０】
請求項第１６の導波路であって、前記コア及び前記グレーデッドインデックス層は化学組成にゲルマニウムを備えることを特徴とする導波路。
【請求項３１】
誘電体導波路を作成する方法であって、
基板上に第１クラッド層を設けるステップと、
前記第１クラッド層上に導波路コアを設けるステップと、
前記コア上にグレーデッドインデックス層を設けるステップと、
前記グレーデッドインデックス層上に第２クラッド層を設けるステップと、を備えることを特徴とする誘電体導波路を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は光学機器の分野に関し、特に光導波路に関する。
【０００２】
（背景技術）
ラフネス散乱は誘電体導波路における伝送損失の主な原因のひとつである。屈折率の急激な変化が起こる、コアとクラッドの境界部における荒さがこのような散乱の原因である。これは、散乱損失は屈折率差に対応するので、高屈折率差（コアとクラッド間の屈折率の差）導波路において特に激しい。伝送損失と屈折率差の関係については、光波技術ジャーナル１２（７９０−７９６（１９９４）鈴木他）に記載されている。
【０００３】
高屈折率差導波路の屈折率差は通常、スクエアチャンネル導波路構造における０．３以上である。チャンネル導波路は、コアがコアよりも低い屈折率の材料で構成されたクラッドで囲まれた誘電体導波路であり、光学強度のピークがコアにある。高屈折率差導波路は他の導波路の構成内に規定することができる。チャンネル導波路とは異なる導波路構造において、高屈折率差導波路は高屈折率差チャンネル導波路（断面部において５０％以内の差）と同等のモード場サイズを持ったものとして規定されている。これらの導波路では、クラッドが光モードのエバネセント場が存在する領域として規定されている。
【０００４】
グレーデッドインデックス導波路は従来、モード分散を最小化するための光ファイバに使われてきた。カーネベール他の米国特許第４，４１２，７２２には、屈折率を周方向に勾配を緩くして総分散が低くなるようにした光ファイバ導波路が示されている。その屈折率勾配は分散処理によって達成される。
【０００５】
プレーナ導波路のコアとクラッドの境界部における屈折率の勾配を緩くすることは従来技術でも示されている。応用光学（２５巻、第９号、１９８６年５月、ダンコ他）及び国際光工学会の会報（２９４３巻、アウグシウク他）を含む多くの発表によると、グレーデッドインデックスチャンネル導波路がイオン交換処理により作製されることが示されている。イオン交換処理では、目標領域内にイオンを挿入し導波路をアニールして前の材料よりも高屈折率の新しい化学化合物を形成することで、導波路コアの屈折率を導波路クラッドより上げる。
【０００６】
国際光工学会の会報（１７７４巻、シー他）には、フォトリソグラフィによるグレーデッドインデックス導波路の形成が示されている。感光性ポリマーは、その上に入射する光の強度に従って屈折率を変更する導波路材料として使われる。
【０００７】
従来の技術では、導波路は目標領域の屈折率を増加させる方法により形成され、その領域は導波路の他の部分に対するコアとなる。これらの方法の結果、屈折率がコアからクラッドへ勾配を緩くされる。
【０００８】
（発明の開示）
本発明のグレーデッドインデックス導波路は、散乱損失でのコアとクラッドの境界部の影響を減らし、その結果、損失を減少させる。コアとクラッドの境界部の屈折率を徐々に変化させることで、コアからクラッドへ急上昇した屈折率は境界部のグレーデッドインデックス層の存在により抑えられるので、散乱損失は最小限にされる。境界部での屈折率の緩やかな変化は、導波路を通過するモードがコアとクラッドの境界部で受ける屈折率差が少ないので、散乱損失がより少なくなる。
【０００９】
一実施例によれば、本発明は誘電体導波路コアとクラッドの間にグレーデッドインデックス層を持ったプレーナ導波路であり、最終クラッドを付ける前に蒸着、成長、又は化学反応により作られる。グレーデッドインデックス層は導波路のコアを形成してから作られる。ここが、導波路のコアが形成されている時に屈折率分布プロファイルが自動的に形成されるという従来の技術と異なる。本発明では、屈折率分布プロファイルがコアとクラッドの境界部にあり、境界部の荒さによる散乱損失を低減する。
【００１０】
本発明は、プレーナ導波路のコアのものからクラッドのものへの急激な屈折率上昇を変化させて、境界部での屈折率の勾配を緩くすることで、散乱損失を最小限に抑えることを目的とする。導波路のコアとクラッドにおける多くの屈折率プロファイルが、導波路損失の低減に対して可能である。本発明のもう一つの目的は、このようなコアとクラッド間の屈折率分布境界部は、導波路コアへの薄膜成長や蒸着といった材料付加の方法により達成できることを示すことである。このようなコアとクラッド間の屈折率分布境界部は、導波路コア表面上における化学反応などの材料変質方法により達成される。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は本発明によるグレーデッドインデックスプレーナ導波路１００の代表的な実施例の断面図である。この導波路は機械的サポート基板１０５、第１低屈折率クラッド１０４、高屈折率コア１０１、グレーデッドインデックス層１０３、及び第２低屈折率クラッド１０２を備える。コア１０１の屈折率ｎ１はクラッド１０２及び１０４の屈折率（ｎ２及びｎ４）より大きい。この導波路独特の特徴は、コア１０１とクラッド１０２の間に存在するグレーデッドインデックス層１０３であり、その屈折率が高屈折率コアのものから低屈折率クラッドのものへ緩やかに変化する。コアとクラッド間の粗い境界部による光の散乱は、コアからクラッドへの屈折率変化が緩やかなので、最小限に抑えられる。
【００１２】
図１のコア、クラッド、グレーデッドインデックス層の屈折率断面は図２に明示されている。グレーデッドインデックス層の屈折率プロファイルは図２に示すように線形でなくてもよい。コア１０１内の屈折率はクラッド１０２内のものよりも高い。グレーデッドインデックス層内の屈折率は勾配を緩くしてあるので、コアとクラッド間の屈折率の急激な上昇が少ない。グレーデッドインデックス層の屈折率は、曲線や階段ステップといったあらゆる屈折率プロファイルを使って、屈折率の低高領域間で変化させることができる。境界部でのコアからクラッドへの屈折率上昇を抑えるプロファイルはいずれも散乱損失を低下させる。グレーデッドインデックス層は、損失を最適に最小限にするように設計されるものとする。同時に、その設計はグレーデッドインデックス層の存在による閉じ込め係数（導波路コア内にどれくらいしっかりと光を閉じ込めておくか）の変化に対処するものとし、ベンドといった導波路装置において役割を果たす。グレーデッドインデックス層が適切に設計されていれば、モードや偏光分散も低減することができる。
【００１３】
コア１０１とクラッド１０４間の境界部が荒ければ、その間にさらにグレーデッドインデックス層を挿入することができる。この層により導波路がさらに対称的に見えるようになり、偏光分散を低減する。
【００１４】
図３は、本発明によるグレーデッドインデックス導波路の作製処理の図である。パターニングされた導波路コア１０１には、使用されたパターニング技術より生じる荒いエッジがある。その後、グレーデッドインデックス層１０３が蒸着される。蒸着処理の間、この層の屈折率はコアのものからクラッドのものへと変化する。この層の化学組成を変化させることで屈折率の勾配を緩くすることができる。最後に、クラッド層１０２を上部に蒸着する。
【００１５】
このような屈折率の勾配は薄膜成長法により得ることもできる。成長処理の間、導波路コアの表面に衝突する材料の組成を変化させて屈折率の勾配を緩くすることができる。
【００１６】
グレーデッドインデックス導波路のもう一つの作製方法は、導波路コアの表面の原子組成において勾配を化学反応より得ることである。導波路コアの組成は、所定の波長に対して透明な生成物を生み出す化学反応によって変質させることができ、コアよりも屈折率が低い。化学反応の反応物質の濃度は表面が最も高く、コア内部に向かっては反応物の拡散により急激に減少するので、生成物の濃度勾配が、表面から始まってコア材料の内部へできる。表面近くの屈折率は化学組成勾配により勾配が緩くされる。
【００１７】
このタイプの導波路の例として、グレーデッドインデックス窒化珪素導波路がある。図１に示すように、この場合のグレーデッドインデックス層は屈折率が窒化珪素コアのものから二酸化珪素クラッドのものへ変化する酸窒化珪素である。屈折率の変化は、酸窒化珪素層の酸素と窒素の割合を変えることで達成される。この層を蒸着するには、化学的気相成長やスパッタリングなどの蒸着技術を使うことができる。
【００１８】
薄膜成長技術により得られるグレーデッドインデックス導波路の例が、グレーデッドインデックスゲルマニウム（Ｇｅ）／珪素（Ｓｉ）導波路である。ゲルマニウムがコア材料で珪素がクラッド材料である場合、ＳｉｘＧｅｉ−ｘがグレーデッドインデックス層とすることができ、その屈折率は成長処理の間に勾配が緩くなる。
【００１９】
化学反応を使ってグレーデッドインデックス層を得る例は、コアが窒化珪素でクラッドが二酸化珪素である導波路により説明することができる。パターニングされた窒化珪素導波路のコアを酸化剤にさらすことで、酸窒化珪素層が表面に形成される。この処理は窒化珪素導波路コア内への酸化剤の拡散により制御されるので、酸素と窒素の濃度勾配が表面に作られて表面の酸素レベルが最も高くなる。酸素濃度は、導波路コア内部へ向かって減少し、一方で窒素濃度が増加するする。
【００２０】
本発明を好適実施例を参照して表示説明してきたが、発明の主旨範囲を逸脱しない範囲で種種の変更、省略、追加をその形状や細部に行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるグレーデッドインデックスプレーナ導波路の代表的な実施例の断面図である。
【図２】図１に示す屈折率断面に沿った屈折率プロファイルのグラフである。
【図３】本発明による薄膜蒸着技術を使ったグレーデッドインデックス導波路の作製処理ステップの図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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