(57)【要約】本Ｉ／Ｏポートは、（ａ）少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、（ｂ）少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、（ｃ）パターン形成されていないスーパーストレイトとパターン形成されていない基板の間にはさまれた少なくとも１つの中間層とを備える（１）積層構造と、（２）少なくとも１つの中間層内にあり、少なくとも１つの光散乱素子の配置を備える結合領域と、（３）少なくとも１つの出力導波路とを備える。本Ｉ／Ｏポートは、平衡型光回路および非平衡型光回路で効果的に使用することができる。
2004525417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、パターン形成されていない前記スーパーストレイト及びパターン形成されていない前記基板の間には挟まれた少なくとも１つの中間層とを有する積層構造と、
（ｂ）前記少なくとも１つの中間層内に存在し、少なくとも１つの光散乱素子の配置を備える結合領域と、
（ｃ）少なくとも１つの出力導波路とを備える光入出力ポートであって、
前記少なくとも１つの光散乱素子が、１よりも大きいか、又は、ほぼ１に等しい屈折率コントラストを有することを特徴とする光入出力ポート。
【請求項２】
少なくとも１つの出力領域をさらに備える、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項３】
少なくとも１つの面内反射体領域をさらに備える、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項４】
パターン形成されていない前記基板が反射体として作用する、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光散乱素子が、円筒形の穴、楕円形の穴、半球形の穴、直線状のトレンチ、円錐形の穴、傾斜した円筒形の穴、傾斜した半球形の穴、傾斜した楕円形の穴、傾斜した直線状のトレンチおよび傾斜した円錐形の穴からなる群からの幾何形状を有する、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項６】
少なくとも１つの光散乱素子の配置が均一である、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項７】
パターン形成されていない前記スーパーストレイトの前記少なくとも１つの層が、空気、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓを含む合金、ＩｎＧａＡｓＰを含む合金、ＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＡｓを含む合金および酸化アルミニウムからなる群からの材料を含む、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項８】
パターン形成されていない前記基板の前記少なくとも１つの層が、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓを含む合金、ＩｎＧａＡｓＰを含む合金、ＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＡｓを含む合金および酸化アルミニウムからなる群からの材料を含む、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項９】
前記少なくとも１つの中間層が、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓを含む合金、ＩｎＧａＡｓＰを含む合金、ＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＡｓを含む合金および酸化アルミニウムからなる群からの材料を含む、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項１０】
少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない前記基板が、ＧａＡｓを含む層とＡｌＡｓを含む層とが交互に配置される少なくとも１対の追加の基板層の上に配置される、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項１１】
少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない前記基板が、ＧａＡｓを含む層とＡｌＧａＡｓの合金を含む層とが交互に配置される少なくとも１対の追加の基板層の上に配置される、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項１２】
少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない前記基板が、Ｓｉを含む層とＳｉＯ２を含む層とが交互に配置される少なくとも１対の追加の基板層の上に配置される、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの出力導波路がリッジ導波路である、請求項２に記載の光入出力ポート。
【請求項１４】
出力境界をさらに備え、少なくとも１つの光散乱素子の配置が２つ以上の光散乱素子を備え、散乱材料が出力境界又はその近傍の領域に近づくに従って、前記散乱材料の容積が徐々に減少する、請求項１に記載の光入出力ポート。
【請求項１５】
入力光が光回路の上面からオフノーマル入射で進入するところの光回路における、請求項１に記載の光入出力ポートの用途。
【請求項１６】
入力光が光回路の上面から約±１２°の入射角で進入するところの光回路における、請求項１に記載の光入出力ポートの用途。
【請求項１７】
入力光が光回路の上面から約±８°の入射角で進入するところの光回路における、請求項１に記載の光入出力ポートの用途。
【請求項１８】
（ａ）第１光入出力ポート及び第２光入出力ポートであって、各入出力ポートが、
ｉ．少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、パターン形成されていない前記スーパーストレイトとパターン形成されていない前記基板との間に挟まれた少なくとも１つの中間層とを備える積層構造と、
ｉｉ．前記少なくとも１つの中間層内に存在し、少なくとも１つの光散乱素子の配置を含む結合領域とを備え、
前記少なくとも１つの光散乱素子が、１よりも大きいか、又は、ほぼ１に等しい屈折率コントラストを有するところの第１光入出力ポート及び第２光入出力ポートと、
（ｂ）第１出力導波路と、
（ｃ）第２出力導波路と、
（ｄ）第３出力導波路と、
（ｅ）第４出力導波路と、
（ｆ）第１光学素子と、そして、
（ｇ）第２光学素子と
を備える平衡型光回路であって、
前記第１出力導波路が前記第１入出力ポートを前記第１光学素子に接続し、前記第２出力導波路が前記第１入出力ポートを前記第２光学素子に接続し、前記第３出力導波路が前記第１光学素子を前記第２入出力ポートに接続し、前記第４出力導波路が前記第２光学素子を前記第２入出力ポートに接続し、そして、前記第１および第２光学素子が少なくとも実質的に同一であるところの平衡型光回路。
【請求項１９】
（ａ）第１光入出力ポートであって、
ｉ．少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、パターン形成されていない前記スーパーストレイトとパターン形成されていない前記基板との間に挟まれた少なくとも１つの中間層とを備える積層構造と、
ｉｉ．前記少なくとも１つの中間層内に存在し、少なくとも１つの光散乱素子の配置を含む結合領域とを備え、
前記少なくとも１つの光散乱素子が、１よりも大きいか、又は、ほぼ１に等しい屈折率コントラストを有するところの第１光入出力ポートと、
（ｂ）第２光入出力ポートであって、
ｉ．少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、パターン形成されていない前記スーパーストレイトとパターン形成されていない前記基板との間には挟まれた少なくとも１つの中間層とを備える積層構造と、
ｉｉ．前記少なくとも１つの中間層内に存在し、少なくとも１つの光散乱素子の配置を備える結合領域とを備え、
前記少なくとも１つの光散乱素子が、１よりも大きいか、又は、ほぼ１に等しい屈折率コントラストを有するところの第２光入出力ポートと、
（ｃ）第１出力導波路と、
（ｄ）第２出力導波路と、
（ｅ）第３出力導波路と、
（ｆ）第４出力導波路と、
（ｇ）第５出力導波路と、
（ｈ）第１光学素子と、
（ｉ）第２光学素子と、そして、
（ｊ）光コンバイナと
を備える非平衡型光回路であって、
前記第１出力導波路が前記第１入出力ポートを前記第１光学素子に接続し、前記第２出力導波路が前記第１入出力ポートを前記第２光学素子に接続し、前記第３出力導波路が前記第１光学素子を前記光コンバイナに接続し、前記第４出力導波路が前記第２光学素子を前記光コンバイナに接続し、そして、前記第５出力導波路が前記光コンバイナを前記第２入出力ポートに接続するところの非平衡型光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積光学系（すなわち集積フォトニクス）の分野に関する。具体的には、本デバイスは、平面光回路から外部光ファイバに至る、またはその逆の光信号を効果的に結合するように設計された光Ｉ／Ｏ（入出力）ポートである。さらに、本Ｉ／Ｏポートにより、偏光に依存しない動作をする平衡型光回路を実施することができる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれている、２００１年４月５日出願の米国仮特許出願番号６０／２８１，６５０、２００１年６月２９日出願の米国仮特許出願番号６０／３０２，２５６、２００１年１１月２１日出願の米国仮特許出願番号６０／３３２，３３９に関し、これらの優先権の特典を主張するものである。
【０００３】
効果的な光学（すなわち光による）通信システムでは、高性能で低コストの光デバイスが必要である。このような要件が、平面またはほぼ平面の集積光回路の開発動機になっている。これらの回路は、Ｉ／Ｏ（入出力）ポートを使用して、他のデバイスおよびシステムコンポーネントに接続される。これらのＩ／Ｏポートは、カプラまたはグレーティングカプラと称することがあり、一般に、円筒形の光ファイバに平面またはほぼ平面の回路を光学的に接続する。こうしたＩ／Ｏポートは、入力ポート、出力ポート、または双方向ポートとして動作することができる。本明細書では、１つ（または複数）の入力ポート、出力ポート、双方向ポートおよびＩ／Ｏポートという用語は、交換可能に用いてよい。すなわち、別段の指定がない限り、これらの用語はそれぞれ、これらすべての用語を企図し含むものである。
【０００４】
一般に、平面またはほぼ平面の光回路では、光ファイバへの結合あるいは光ファイバからの結合は、レンズ系を使用して軸方向の幾何配置とする（図１（ａ））か、あるいは平面またはほぼ平面の光回路にファイバを直接取り付ける（図１（ｂ））ことによって実現される。こうした手法に伴う問題は、高品質の光回路表面（すなわち、劈開および／または研磨によって用意することができ、光信号が通過することができる極めて滑らかで平面またはほぼ平面の表面）が必要であり、また、微小光学素子の極めて正確な機械的位置合わせを行う必要があることである。さらに、効果的なものにするために、多くの平面またはほぼ平面の光回路は、偏光に依存しない（すなわち、任意の入力偏光に対してほぼ同じように動作する）ことが必要である。一般に、軸方向に結合した効果的な平面またはほぼ平面の回路において偏光非依存性を安定して実現するのは難しいことが示されており、その結果、いくつかの例では、Ｉ／Ｏポートが回路の全体的な性能または適応性を損ねていた。さらに、Ｉ／Ｏポートなど同じウエハ上に製作するデバイスは、それらを個々の素子に分離するまで正しくテストできない。こうしたテスト上の制限が、効果的な通信システムを商品化する取組みをさらに複雑にしている。
【０００５】
本Ｉ／Ｏポートは、平面またはほぼ平面の光回路に効果的に組み込むことができ、光ファイバに光を効果的に結合する。本Ｉ／Ｏポートは、光回路面に垂直あるいはほぼ垂直に入射する光を効果的に結合することができる。本明細書では、「ほぼ垂直な(near-normal)」という用語は、垂直から最大で約３０°離れた角度（すなわち、約−３０°〜約＋３０°の範囲の値をとる角度）を意味しかつ含むものとし、「オフノーマル(off-normal)」という用語は、ほぼ０°に等しい角度を除くすべての「ほぼ垂直な」角度を意味しかつ含むものとする。ほぼ垂直な幾何配置では、光ファイバからの光は、平面またはほぼ平面の光回路の上面（または底面）に配置された入力ポート上に、（図２（ａ）に示すように）レンズ系を使用して間接的に、あるいは（図２（ｂ）に示すように）直接照射される。
【０００６】
効果的な光通信システム、特に、ＤＷＤＭ（高密度波長多重）を利用するものでは、一般に、Ｉ／Ｏポートは広帯域の入力周波数すなわち広帯域の入力波長にわたって動作可能である。現在市販されている光通信システムは、Ｃバンドとして知られている約１５２５〜約１５６５ｎｍの範囲の波長およびＬバンドとして知られている約１５６５〜約１６２０ｎｍの範囲の波長を利用する。したがって、Ｉ／Ｏポートの動作帯域を制御する（たとえば、最大限に大きくする）ことが重要である。本明細書では、「制御する」という用語は、別段の指定がない限り、最小限に抑える、最大限に大きくする、低減する、増大させるかつ／または所望のまたは効果的なレベルまたは範囲を実現することを意味しかつ含むものとする。
【０００７】
結合効率がＩ／Ｏポートに入射する光の何分の一かであり、それが結合回路に送られる場合、結合効率を制御する（たとえば、最大限に大きくする）ことも重要である。同様に、挿入損失が制御されたものであることも望まれる。挿入損失は、ｄＢ（デシベル）で表し、結合効率の逆数の１０を底とする対数の１０倍と定義する。
【０００８】
以前に、図２の幾何配置を特徴とするＩ／Ｏポートに関連あるいは関係する研究が行われている。以前のこうしたＩ／Ｏポートは、垂直またはほぼ垂直な入射結合に関連して使用されており、一般に、それらは光導波路と、溝または直線を周期的に配置した１次元またはほぼ１次元のグレーティングとを備える。グレーティングの溝または線は、入射光に対して光学的な散乱素子として働き、ほぼ垂直な入射光を結合領域のデバイス面内に向けるように配置される。
【０００９】
図２の幾何配置を特徴とするＩ／Ｏポートに関連あるいは関係する以前の研究は、たとえば、結合領域の屈折率コントラストΔｎを考慮することによって本Ｉ／Ｏポートと区別することができる。Δｎは、結合領域のそれぞれの構成材料（すなわち、以下に規定する光散乱素子を構成するそれぞれの構成要素の材料）の最大屈折率と最小屈折率の差と定義する。以下で説明するように、これらの構成材料は、空気および結合領域を作製する材料である。ほぼ垂直な入射用のカプラに関する以前の研究は、低屈折率コントラストの導波路中の低屈折率コントラストのグレーティングに関するものであった。こうした以前の研究では、結合帯域が限定される、挿入損失がある、および／または角度の位置合わせ不良の影響を受けやすいという難点があった。
【００１０】
図２（ｂ）の簡単で直接的なファイバ取付けによって、平面またはほぼ平面の光回路の効果的な動作が実現されることが望ましい。従来型のシングルモード光ファイバ（すなわち、動作波長における伝播モードを１つしか有しない光ファイバ）、たとえば図２（ｂ）に示すファイバでは、光モードの空間プロフィールはガウシアンとみなすことができる。この光モードのモード領域径は、１／ｅ２の強度位置における全幅と定義する直径であり、通常１０μｍ程度である。以前の平面またはほぼ平面の光回路では、このように小さなモード領域径によって挿入損失がより大きくなるという難点があり、したがって、一般に、このような回路では、以前のＩ／Ｏポートのより大きなモード領域径の特性にファイバのモード領域径を適合させるためのビーム拡大光学系が必要である。
【００１１】
一般に、ほぼ垂直な入射で光を結合するように設計された以前のＩ／Ｏポートでは、偏光依存性が大きすぎるという難点がある。すなわち、光回路のある種の光学性能仕様（たとえば、回路に対する挿入損失など）は、入力光の偏光によって決まる。より具体的には、以前の研究は、以前のほぼ垂直な入射用のＩ／ＯポートがＰＤＬ（偏光依存性損失）という難点をもつことを示している。ＰＤＬは、あらゆる可能な偏光状態にわたって入力光を変化させながら、光回路で観測される挿入損失変動の最大量と定義するものである。
【００１２】
以前の研究の教示により、上記問題に対して複数の解決策が提案されているが、これらは、微小光学素子からなる複雑なシステムまたは複雑な製作シーケンスを伴うものである。これらの提案された解決策は、こうした微小光学素子が経時的に（物理的に）動く傾向があること、これらの複雑なシステムの組立コストおよび複雑な製作シーケンスに起因する一般に低い歩留まりを含め、１つまたは複数の理由から許容できるものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
効果的なＩ／Ｏポートを設計する際の別の重要な側面は、平面光集積回路の面内導波路相互接続とのＩ／Ｏポートの適合性である。平面光集積回路では、シングルモード導波路を用いることが好ましい。多くの場合、導波光の典型的な横モードプロフィールは１μｍ程度である。上記で説明したように、シングルモード光ファイバから出射する典型的なモード領域径は１０μｍ程度である。したがって、Ｉ／Ｏポートで意味のある効果を実現するには、追加のモードサイズ変換光学素子が必要である。この種の適当な素子の１つは平面導波路レンズである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本Ｉ／Ｏポートは、光回路に組み込むのに適しており、（ａ）少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、（ｂ）少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、（ｃ）パターン形成されていないスーパーストレイトとパターン形成されていない基板の間にはさまれた少なくとも１つの中間層とを備える（１）積層構造と、（２）少なくとも１つの中間層内にあり、少なくとも１つの光散乱素子が配置された結合領域と、（３）結合領域から光回路の別の部分に出力光を向ける（すなわち、伝播させる）少なくとも１つの出力導波路とを備える。本Ｉ／Ｏポートは、平衡型光回路および非平衡型光回路で効果的に使用することができる。
【００１５】
本Ｉ／Ｏポートは、光ファイバから平面光回路への光の結合に関連する複数の問題を解決する。以前のＩ／Ｏポートに比べて、本Ｉ／Ｏポートは、以前に実施されたＩ／Ｏポート、あるいはそれに匹敵するＩ／Ｏポートよりも高い結合効率でかつ広い帯域にわたってより効果的に動作する。本Ｉ／Ｏポートは、垂直、ほぼ垂直および垂直から外れた（すなわち、光回路の上面（または底面）の法線から約３０°以内の）入射でＩ／Ｏポートに入射する光を結合することができ、光回路の上面（または底面）の法線から約１２°でＩ／Ｏポートに入射する光を結合するのに特に効果的である。本Ｉ／Ｏポートは、屈折率コントラストのより大きい光散乱素子を配置して形成される。本Ｉ／Ｏポートのいくつかの目的および利点には以下のものが含まれる。
【００１６】
ａ）ある範囲の光波長を効果的に結合する。
【００１７】
ｂ）カプラ表面に対して所定の角度（たとえば、垂直またはほぼ垂直）で入射または出射するビームを結合する。
【００１８】
ｃ）約１０μｍ以下のモード領域径を有するガウシアン状の強度プロフィールの入射結合および出射結合を制御する（たとえば、最大限に大きくする）。
【００１９】
ｄ）Ｉ／Ｏポートの１つ（または複数）の出力境界全体にわたる有効屈折率の不整合などによって生じる挿入損失を制御する（たとえば、少なくする）。
【００２０】
ｅ）挿入損失およびＩ／Ｏポートを通って伝わる光信号が受ける時間遅れである伝送遅延などＩ／Ｏポート特性の偏光依存性を制御する（たとえば、低減する）。
【００２１】
本Ｉ／Ｏポートのさらなる目的および利点は、添付の図面および説明を考察すれば明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本Ｉ／Ｏポートは、少なくとも１つの層を有するパターン形成されていないスーパーストレイトと、少なくとも１つの層を有するパターン形成されていない基板と、パターン形成されていないスーパーストレイトとパターン形成されていない基板の間にはさまれた少なくとも１つの中間層とを備える平面またはほぼ平面の積層構造と、少なくとも１つの中間層内にあり、少なくとも１つの光散乱素子のパターンを備える結合領域と、結合領域から光回路の別の部分に出力光を向ける少なくとも１つの出力導波路とを備える。動作においては、この結合領域は、外部光入力（たとえば、ファイバからの入力光）で照明される。この光は、結合領域から少なくとも１つの出力導波路に向けられる（すなわち、伝播する）。本Ｉ／Ｏポートのいくつかの実施形態では、この光の方向づけは、本Ｉ／Ｏポートを構成する他の素子と同様に積層構造中に存在する少なくとも１つの出力領域によって行われる。具体的には、この少なくとも１つの出力領域は、結合領域と少なくとも１つの出力導波路の間に配置される。この少なくとも１つの出力領域は、結合領域を出射し少なくとも１つの出力境界を越えて伝播する光の光モードを、少なくとも１つの出力導波路に入射する光の光モードに適合させることもできる。
【００２３】
結合領域、少なくとも１つの出力領域および少なくとも１つの出力導波路の代表的な配置を図３に示す。図３には、いくつかのＩ／Ｏポートの配置を平面図で示す。図３では、ｘおよびｙは構造の面内の方向を表し、入力光は、垂直またはほぼ垂直入射の場合、それぞれ−ｚ方向または−ｚ方向から約３０°以内の角度で結合領域に向けられる。あるいは、入力光は、垂直またはほぼ垂直入射の場合、面の下方からそれぞれ＋ｚ方向または＋ｚ方向から約３０°以内の角度で結合領域に向けられる。
【００２４】
図３（ａ）および（ｂ）に、積層構造であることを特徴とし、既知偏光の入力光を方向づけるのに適したＩ／Ｏポートを示す。図３（ｂ）には、垂直入射する光に特に適した配置を示す。これらのＩ／Ｏポートでは、光は、それぞれの結合領域（１）から＋ｘおよび−ｘ方向のいずれにも出射する傾向があり、図３（ｂ）では、やはり積層構造中に存在し結合領域（１）の後方に配置された面内反射体領域（２）が、Ｉ／Ｏポートを−ｘ方向に出射する光を出力領域（３）したがって出力導波路（４）に向けて方向変更する。図３（ａ）および（ｂ）の各Ｉ／Ｏポートは、出力境界（５）をさらに備える。出力境界（５）は、結合領域（１）と出力領域（３）の間の境界を画定する領域と定義する。図３（ｃ）および（ｄ）に、未知のまたは変化する偏光の入力光に適したＩ／Ｏポートを示す。これらのＩ／Ｏポートでは、光の偏光状態に応じて、最終的に、光は、第１出力導波路（６）、第２出力導波路（７）または両方の出力導波路（６、７）に向けられる。図３（ｃ）には単一の出力領域（８）を示す。光は、結合領域（９）を出射し単一の出力境界（１０）を超える。図３（ｄ）に、第１出力領域（１１）および第２出力領域（１２）、次いで、第１および第２出力導波路（６、７）にそれぞれ光を向けるのに好ましいＩ／Ｏポートを示す。これらの出力領域および出力導波路は、面内で互いにほぼ直交または直交して配置される。図３（ｄ）に示すＩ／Ｏポートは、第１出力境界（１３）および第２出力境界（１４）をそれぞれさらに備える。図３（ｂ）との類推から、垂直から外れて入射する光を用いるのに特に適した図３（ｃ）および（ｄ）の配置は、１つまたは２つの面内反射体領域をそれぞれ含めることによって、垂直入射する入力に適合させることができる。面内反射体領域は面内反射素子を備え、Ｉ／Ｏポートの全体設計に応じて、１つの面内反射体領域は２つ以上の面内反射素子を含み得る。適切な面内反射素子には、２次元平面光学結晶素子および高屈折率コントラストのエッチングされた反射体が含まれる。
【００２５】
本Ｉ／Ｏポートは、光学リソグラフィ、エッチングおよび被着などのパターン形成技術による積層構造として製作することができる。たとえば、図１６（ａ）に示すように、この積層構造は、１つまたは複数のスーパーストレイト層（５６）、１つまたは複数の基板層（５７）、および１つまたは複数のスーパーストレイト層（５６）と１つまたは複数の基板層（５７）の間にはさまれた１つまたは複数の中間層（５８）を含み得る。本Ｉ／Ｏポートは、少なくとも１つの中間層に組み込んだ適切な光散乱素子が適切に配置されることを特徴とする。上記で説明したように、本Ｉ／Ｏポートでは、結合領域は少なくとも１つの中間層内に位置する。特に、上記で定義した出力境界は、出力領域に隣接するまたはその近傍の出力境界部分と定義する出力境界の外側縁部上に光散乱素子がないことをさらに特徴とする。本明細書では、積層構造は、パターン形成する前の構成層の特性によってさらに特徴づけることができる。これらの特性には、各層のそれぞれの厚さおよび材料の組成が含まれる。本Ｉ／Ｏポートを製作する際に有用となり得る製作ステップシーケンスに関係する具体的な考察を本明細書の後半で述べる。
【００２６】
上記で述べたように、適切な光散乱素子は、本Ｉ／Ｏポートの積層構造内に適切に配置することができる。光散乱素子は、散乱材料と、この散乱材料を取り囲む材料と、散乱材料とこの散乱材料を取り囲む材料の境界面とを備える。この境界面の効果は、屈折率がｘ−ｙ面内で一定にならないことである。すなわち、散乱材料の屈折率は、材料の屈折率と異なる。例として、図１６（ｂ）に示すように、適切に選択された光散乱素子（５９）は、散乱材料（６０）としての空気と、この散乱材料（６０）を取り囲む（すなわち、周りに境界を形成する）材料（６１）と、散乱材料（６０）と周囲の材料（６１）の境界面（６２）とを備える円筒形の穴とすることができる。実際には、散乱素子の容積は、散乱素子の散乱材料（６０）の体積である。本Ｉ／Ｏポートの１つ（または複数）の中間層は、材料（６１）など１つまたは複数の材料を含む。中間層の適切な材料は、ＧａＡｓ（すなわち、ガリウムヒ素）でよい。図１６（ｂ）に示すように、光散乱素子の一例は、積層構造中の円筒形の穴である。応用例に応じて、様々な幾何形状（かつ様々な容積）の光散乱素子を本Ｉ／Ｏポートに組み込むことができる。光散乱素子の別の例は矩形のトレンチである。
【００２７】
本Ｉ／Ｏポートを以前のＩ／Ｏポートとさらに区別することができる本Ｉ／Ｏポートの１つの特徴は、結合領域の屈折率コントラストΔｎ（すなわち、光散乱素子の屈折率コントラスト）が比較的大きい、好ましくは、１よりも大きいかあるいはほぼ１に等しいことである。以前の研究では、屈折率コントラストのより小さい光散乱素子を対象としており、その結果、Ｉ／Ｏポートの動作帯域に対する制限が許容できないこと、Ｉ／Ｏポートの結合効率に対する制限が許容できないこと、Ｉ／Ｏポートに対する入力光の角度的な位置決め不良の影響が比較的大きいこと、あるいはこれらの問題のいくつかあるいはすべての組合せといった問題が生じる。
【００２８】
本Ｉ／Ｏポートの結合領域中の光散乱素子には好ましい配置がいくつかある。これらの好ましい配置の一部は、既知の固定された偏光の入力光を使用するのに適している。これらの好ましい配置を特徴とするＩ／Ｏポートは、たとえば、偏光保存ファイバ入力に有用なはずである。図３（ａ）に示す本Ｉ／Ｏポートの好ましい一実施形態では、入力ファイバの適切な位置決めの結果、光が結合領域に入射する。図３（ａ）で実施するＩ／Ｏポートを通る光の伝播を図４に示す。図４に示すように、光は、法線に対して角度θで結合領域（１）に入射する。この光は、図４に示すように「ｓ」または「ｐ」方向、あるいはこれら２つの方向を合成したある方向に偏光した状態であり得る。結合領域（１）からの光出力は、出力境界（５）を超えて伝播し、入力ビームに対して角度Φで出力領域（３）に至る。垂直から外れて入射する場合、光が結合領域（１）からΦ＞９０°の方向に出射するＩ／Ｏポートを、順方向Ｉ／Ｏポートと定義する。垂直から外れて入射する場合で、逆に、光が結合領域（１）からΦ＜９０°の方向に出射するＩ／Ｏポートを、逆方向Ｉ／Ｏポートと定義する。一般に、垂直から外れた入射は、平面またはほぼ平面の光回路には好ましい形態である。というのは、垂直から外れて入射すると、結合領域からほぼ単一方向に向かう光出力が容易に得られるからである。結合領域からほぼ単一方向に向かう効果的な光出力を得ることは、結合領域中の適切な光散乱素子を適切に配置することによって決まる。垂直から外れて入射する場合の動作に比べて、垂直またはほぼ垂直に入射する場合の動作では、結合領域からほぼ単一方向に向かう出力を得ることが比較的難しくなることがある。実際、垂直入射で動作しながらこのような出力を得るためには、図３（ｂ）に示すように、光回路内に１つまたは複数の面内反射体領域（２）を組み込まなければならない場合が多い。図３（ｂ）に示すような面内反射体領域（２）と、それに関連してこの反射体によって方向変更された光が結合領域を横切ることにより、効果的な結合の低減、すなわち挿入損失の増大を招く恐れがある。オフノーマル入射で動作することの別の利点は、カプラ表面からの反射が入力に向かって戻されることがなく、（Ｉ／Ｏポートから入力ファイバに戻る入力光の反射をＩ／Ｏポートからの後方反射と定義すると）、それによってＩ／Ｏポートからの後方反射が減少することである。標準化された角度付き研磨ファイバとの適合性については、動作角度θを約１２°に正しく選択することができる。ファイバの端部における光の屈折を考慮すると、ファイバの長軸から約８°の角度で研磨された従来型の角度付き研磨ファイバでは、このような動作角度が適切である。入出力ポートに光ファイバを直接取り付ける場合、角度θを約８°に適切に選択することができる。
【００２９】
以下に説明する好ましい実施形態の解析は、当業者には周知のいくつかの解析技術の１つによって行う。ここでは、平面導波路幾何配置中にあり、任意の厚さで高誘電コントラストのグレーティングの光学特性を正確に記述する自己無撞着グリーン関数法を用いる。（Ｃｏｗａｎ他の「Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  ｍｏｄｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｉｎ  ２Ｄ  ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｅｒ．Ａ１８，（５）、１１６０〜１１７０頁、２００１年５月を参照されたい。）グリーン関数法は、結合波方程式とあいまって本Ｉ／Ｏポートの挙動を近似するのに有用である。ＦＤＴＤ（時間領域差分法）は、入力モード領域径および光散乱素子の不均一配置の効果を定量的に説明するのに有用な別の技法である。
【００３０】
図５（ａ）に、単一偏光の光で動作する本Ｉ／Ｏポートの結合領域（１）の好ましい実施形態を示す。図５（ａ）では、光散乱素子（１５）（すなわち矩形トレンチ）は、均一に（具体的には、例として、対称に）配置されており、各光散乱素子（１５）は、約１８０ｎｍの深さｄ１、約８６０ｎｍのピッチΛ、約０．３のデューティサイクルｂ／Λで規定される幅ｂを有する。光散乱素子の均一配置では、各光散乱素子が同じまたはほぼ同じ容積を有し、隣接する光散乱素子と均一にあるいはほぼ均一に離間して光散乱素子が配置される。光散乱素子の下で、基板は、約１１５０ｎｍの厚さｔ１を有し、この場合には、たとえば、ＡｌｘＯｙを含むパターン形成されていない基板層（１６）と、基板層（１６）の下に配置され、結合領域の下で半反射体として働きかつＩ／Ｏポートの物理的な支持部としても働くＧａＡｓ層（１７）とを備える。ここでは、ＧａＡｓおよびＡｌｘＯｙの屈折率はそれぞれ約３．３５および１．６０の値をとる。
【００３１】
比較のため、図５（ｂ）に、低屈折率コントラストの光散乱素子を備え、上記のものと比較できる以前のＩ／Ｏポートの結合領域を示す。光散乱素子（１８）および基板層（１９、２０）を備えるこの結合領域構造は、Ｔ．ＴａｍｉｒとＡ．Ｔ．Ｐｅｎｇの「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｃｏｕｐｌｅｒｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１４、２３５〜２５４頁、１９７７年の図１０に記載されている構造に類似のものである。以前の研究のこの例では、材料１の屈折率および材料２の屈折率はそれぞれ約１．７３２および１．５１７の値をとる。図５（ｂ）では、各光散乱素子（１８）は約１８０ｎｍの深さｄ１を有し、材料（１９）は約５００ｎｍの厚さｔ１を有する。こうした以前の研究に比べて本Ｉ／Ｏポートが有する１つの利点を、θ＝１０°の角度で入射する場合について図６に示す。この角度は、順方向Ｉ／Ｏポートに対応するものである。図６に示すように、入力光は、その電場がバーの長さに沿って偏光しており（すなわち、図４に示すｓ偏光）、結合領域からの出力光は、その電場が各層の面内方向に偏光している。図６に、１次散乱振幅の大きさの２乗を波長の関数として示す。ただし、曲線Ａは、図５（ａ）の高屈折率コントラストのＩ／Ｏポート、曲線Ｂは、図５（ｂ）の従来型Ｉ／Ｏポート（すなわち、従来型のグレーティングカプラ）についてものである。これらの曲線は、各光散乱素子が同じ約１８０ｎｍの深さを有する構造に対応するものであることに留意されたい。結合効率は散乱振幅の２乗に比例するので、図に示すピークの幅は、各Ｉ／Ｏポートの動作帯域を示している。従来型Ｉ／Ｏポートの結合振幅のＦＷＨＭは約２ｎｍであるが、上記で論じた好ましい実施形態のＦＷＨＭは約５０ｎｍである。２５倍というこの改善は、高屈折率コントラストの光散乱素子によって得られた強い光散乱のためである。
【００３２】
上記で述べたように、Ｉ／Ｏポートの動作（すなわち、有効結合）帯域を制御することも重要である。図５で説明したいずれのＩ／Ｏポートの動作帯域も広くするのに用いることができる一手法は、（たとえば、光散乱素子の深さを深くすることによって）光散乱素子の容積を大きくすることである。しかし、現在のエッチング技術の現実的な制限のため、一般に、この手法では許容できる結果が出ていない。さらに、従来型のＩ／Ｏポートでは、光散乱素子の深さが深くなると、動作結合帯域が飽和することがよく知られている。図７に、図５の２つのＩ／Ｏポートの、散乱振幅から決まるＦＷＨＭ結合帯域を光散乱素子の深さｄ１の関数として示す。図７には、本Ｉ／Ｏポートの別の利点、すなわち、Ｉ／Ｏポートの動作帯域に対する制御が示されている。具体的には、図７の曲線Ｂは、従来型Ｉ／Ｏポートの帯域は約４ｎｍを最大値として飽和するが、曲線Ａは、本Ｉ／Ｏポートによってはるかに広い（したがって、はるかに大きく制御可能な）動作帯域が得られることを示している。実際、１００ｎｍよりも広い結合帯域を、約３５０ｎｍよりも深い深さの光散乱素子を特徴とする高誘電コントラスト構造で実現することができる。
【００３３】
本Ｉ／Ｏポートにより、以前のＩ／Ｏポートに比べて追加の設計の柔軟性および利点が得られる。より具体的には、本Ｉ／Ｏポートは適切に選択した厚さの複数の層を有する積層構造を備えるので、本Ｉ／Ｏポートにより光回路の動作帯域をより効果的に制御することができる。たとえば、図８に、図５（ａ）のＩ／ＯポートのＦＷＨＭ結合帯域を基板層（１６）の厚さｔ１の関数として示す。基板層（１６）の厚さｔ１を適切に選択することによって、ＦＷＨＭ結合帯域をさらに広く（図８の例では２倍に）することができる。
【００３４】
認識すべき別の点は、結合領域中を伝搬する光の導波モードは光散乱素子と相互に作用するので、光の一部が失われる（すなわち、スーパーストレイトまたは基板に向かって放散される）ことである。結合を実現させるための問題の方向に放射される全入力光の分数で定義するＢＲ（分岐比）により、このような損失の大きさが定量化される。理想的なＩ／Ｏポートでは、結合比が１になる。上記に示したように、本Ｉ／Ｏポートでは、結合比は、スーパーストレイト、基板またはその両方の層の厚さを適切に選択することによって制御することができる。図９に、図５（ａ）のＩ／Ｏポートの結合比を基板層（１６）の厚さｔ１の関数として示す。Ｉ／Ｏポートの全結合効率を最大限に大きくするにはＢＲが大きいことが望ましいので、基板層（１６）の厚さｔ１を用いてこのパラメータも最適化することができる。図８および９を考察すると、１つの層のみの厚さを適切に選択することによって、結合帯域および分岐比の両方が同時に影響を受けることがわかる。ただし、所与の積層構造で、結合比は配置した光散乱素子のピッチおよびデューティサイクルの変更に見合うだけの影響を受けず、結合帯域がこうした変化に大きく影響を受ける。図８および９の計算から、Λ＝約８６０ｎｍおよびｂ／Λ＝約０．３の場合の図５（ａ）の構造では、結合比が約０．６８、結合帯域が約４６ｎｍであることが示される。Λ＝約７７５ｎｍおよびｂ／Λ＝約０．２の場合の構造では、同様な計算から、結合比は約０．６８と同じであるが、結合帯域は約１８ｎｍに減少することが示される。したがって、基板層およびスーパーストレイト層の設計を、少なくとも１つの光散乱素子を備える結合領域の設計と連繋させることによって、Ｉ／Ｏポートの全結合効率および結合帯域を独立に制御することができる。
【００３５】
また、Ｉ／Ｏポートの屈折率コントラストがより大きいことに伴って結合帯域がより大きくなると、Ｉ／Ｏポートの角度感受性も小さくなる。たとえば、その他の場合には適切な光散乱素子を均一に配置したＩ／Ｏポートでは、Ｉ／Ｏポートの許容角度は、Δθ≒Δλ／（Λｃｏｓθ）によって帯域に関連づけられる。ただし、θは最適結合角、Λは光散乱素子のピッチである。したがって、上記で示したものと同じあるいは類似の理由で、１つ（または複数）のスーパーストレイト層および１つ（または複数）の基板層の設計を、１つ（または複数）の中間層内にある結合領域の設計と連繋させることによって、Ｉ／Ｏポートの角度感受性も制御することができる。
【００３６】
以前の研究に比べて、本Ｉ／Ｏポートでは、効果的な結合を実現するために入力モード領域径をかなり小さくし、それによって従来型の光ファイバへのＩ／Ｏポートの直接接続が容易になる。実際、このように直接結合が容易になると、Ｉ／Ｏポートとファイバの間のレンズ系など中間光学素子の必要性がなくならないまでも減少する。
【００３７】
光散乱素子が均一に配置されたＩ／Ｏポートでは、最大結合効率を有するモード領域径が存在すること、また、このモード領域径が、結合領域を特徴づけるパワー損失パラメータαｐに反比例することがよく知られている。一般に、Ｉ／Ｏポートを説明するために用いる別のパラメータは、領域損失パラメータ、α＝αｐ／２である。光ファイバを出射するビームの典型的なモード領域径は約１０μｍであり、したがって、この場合、領域損失パラメータの最適値は、α＝約１３３０ｃｍ−１である。図１０に、Λ＝７７５ｎｍおよびｂ／Λ＝０．２の場合の、図５（ａ）の高誘電コントラストのＩ／Ｏポートの領域損失パラメータの変化を基板層の厚さ（１６）の関数として示す。図１０に示すように、約１０μｍのモード領域径の適切な領域損失パラメータは、基板層（１６）の厚さｔ１を適切に選択することによって得られる。やはり、１つ（または複数）のスーパーストレイト層および１つ（または複数）の基板層の設計を、１つ（または複数）の中間層内にある結合領域の設計と連繋させることによって、Ｉ／Ｏポートの帯域に無関係に、領域損失パラメータ、したがって最適結合モード領域径を効果的に制御することができる。
【００３８】
次に、未知のあるいは変化する偏光の入力光を効果的に結合するのに適した本Ｉ／Ｏポートの好ましい実施形態に移る。こうした状況のもとでは、一般に、入力偏光の変化に応じて大きく変動しないＩ／Ｏポートの性能を追求することになる。こうした差異（または差異のないこと）を測定する一般的なパラメータには、入力光があらゆる可能な偏光状態にわたって変動するときの挿入損失の最大変動を測定するＰＤＬがある。さらに（または、あるいは）ＰＭＤ（偏光モード分散）を用いて、入力信号が受ける遅延の変動を測定してもよい。特に、ＰＭＤはＩ／Ｏポートを通過する入力光の遅延の最大変動を測定するものであり、この変動はあらゆる可能な偏光状態にわたって測定される。
【００３９】
図３（ｃ）に、好ましい実施形態のＩ／Ｏポートを示す。上記で説明したのと同じあるいは類似の理由で、図３（ｂ）の好ましい実施形態では、入射が垂直から外れることによって、設計が簡略化され、Ｉ／Ｏポートが未知のあるいは変化する偏光の入力光を効果的に結合するようにＩ／Ｏポートの性能が改善される。上記で説明したように、入力光の入射角の適当な範囲は、約−３０°≦θ≦約−１°および約１°≦θ≦約３０°（すなわち、垂直から外れた入射）である。
【００４０】
図１１に、θ＝約１２°の場合の順方向Ｉ／Ｏポートの結合領域（２１）を示す。図１１では、光散乱素子は、均一に配置された円筒形の穴（２２）である（具体的には、たとえば、円筒形の穴（２２）は矩形格子状に配置され、約７４０ｎｍのピッチａを有する）。この矩形格子の軸は、ｘおよびｙ軸に対して４５°の向きである。結合領域（２１）からの光は、矩形格子のＭ対称方向である＋ｘ方向に出力境界（２３）を横切る。この光は、第１出力ビーム（２４）、第２出力ビーム（２５）、または第１および第２出力ビーム（２４、２５）として出力境界（２３）から離れるように伝搬する。図１１には示さないが、（図に示した結合領域を備える）Ｉ／Ｏポートの積層構造は、厚さ約１８０ｎｍのＧａＡｓ第１中間層および厚さ約３００ｎｍのＡｌｘＯｙ第２中間層を備えてよい。基板は、厚さ約８５０ｎｍのＡｌｘＯｙ上側基板層およびＧａＡｓ下側基板層を備える。光散乱素子は、ＧａＡｓとＡｌｘＯｙの中間層を通って延びる。円筒形の各光散乱素子は、約１８８ｎｍの半径を有する。本Ｉ／Ｏポートのこの実施形態では、任意の入力偏光に対してパワー損失パラメータは約２０００ｃｍ−１であり、それによって、低い偏光依存性損失が得られるのと同時に、約１４μｍの光モード領域径がＣバンド周波数範囲にわたって効果的に整合される。
【００４１】
制御された偏光および変化するあるいは未知の偏光状態の応用例における本Ｉ／Ｏポートの上記特徴を説明してきたが、次に、本Ｉ／Ｏポートに組み込むことができる追加の特徴を検討することが適当である。
【００４２】
（光が伝搬するにつれ、所望の光路から外れる光の散乱および一般の光の散失を含めて）光の損失にはいくつかのタイプがある。もちろん、こうした損失は、Ｉ／Ｏポートの有効性を阻害する。
【００４３】
光が結合領域から出て出力境界を横切るとき、光の反射の結果、より特定のタイプの損失が生じる。こうした反射は、結合領域における光の導波モードと出力領域における光の導波モードの間に不整合が存在する場合に生じ得る。この反射は、１つには、結合領域の有効屈折率と少なくとも１つの出力領域の１つ（または複数）の有効屈折率の間の差異によるものである。有効屈折率ｎｅは、材料中の空間周波数（または波数ベクトルｋ）と光の振動角周波数ωの比に、真空中の光速ｃを乗じたもの、すなわち、ｎｅ＝ｋｃ／ωと定義する。２つのモードの光強度の空間分布の差異と定義するモードプロフィールの不整合も光の損失に寄与する（光の損失により出力領域への透過光が減少する）。以前の低屈折率コントラストのＩ／Ｏポート（またはグレーティングカプラ）では、出力境界を横切る際の損失量は比較的小さかった。しかし、この損失量は、高屈折率コントラストの光散乱素子を備えるＩ／Ｏポートでは大きくなり得る。
【００４４】
それぞれの屈折率間の不整合を取り除くために、平面光結晶の出力領域にモード整合材料を使用することができる。たとえば、最初はパターン形成されていない層構造に２次元に配置した穴をエッチングすることによって、高誘電コントラストのＩ／Ｏポートに隣接して平面光結晶導波路を製作することができる。この構成に適したピッチおよび対称性を選択し、これらの穴に適した１つ（または複数）の容積を選択することによって、所与の導波路における高誘電コントラストのＩ／Ｏポートの有効屈折率にほぼ等しいかあるいは等しくなるように、平面光結晶導波路の有効屈折率を設計することができる。λ／（２ｎｅｃ）よりも小さくなるように平面光結晶材料の格子定数を選択することによって、出力領域の光モードがほぼ損失なしにあるいは損失ゼロで伝搬することができる。ただし、λは入力光の自由空間波長、ｎｅｃは結合領域の有効屈折率である。
【００４５】
出力境界における反射を制御する別の方法は、パターン形成されていないまたはほぼパターン形成されていない出力導波路（たとえばリッジ導波路）を利用することである。こうした手法では、結合領域の有効屈折率が、特に出力境界あるいはその近傍の領域で出力領域の有効屈折率にほぼ等しいことが必要である。この手法は、出力境界あるいはその近傍の各光散乱素子の容積を徐々に小さく（してゼロに）することによって実施することができる。言い換えると、所与の光散乱素子の容積が、出力境界からより離れて（結合領域に向かって、あるいはその中に）位置する別の光散乱素子の容積よりも十分に小さくなるように、光散乱素子が出力境界あるいはその近傍の領域に徐々に近づくにつれ、それらの光散乱素子の容積を徐々に小さくする。本Ｉ／Ｏポートの好ましい一実施形態では、結合領域の構造は、最終的に出力境界の先の領域の構造と同じになる。この領域は、たとえば出力領域になり得る。それぞれの構造が整合する場合、結合領域とこの領域の有効屈折率は整合する。このような整合は、特に光散乱素子の容積がゼロに減少したところで（すなわち、光散乱素子がもはや存在しないときに）生じる。このようなＩ／Ｏポートでは、垂直導波路モードプロフィールも出力境界全体で整合することになる。
【００４６】
Ｉ／Ｏポートに関する以前の研究で、結合効率を制御する（たとえば最大限に大きくする）ことに関連して、入力ビームの強度プロフィールの空間的な変化とパワー損失パラメータの空間的な変化の間にある関係が存在することが確認されている。具体的には、光散乱素子が均一に配置されている結合領域の場合、Ｉ／Ｏポートに関する以前の研究で、得られた一定のパワー損失パラメータは、典型的なシングルモード光ファイバから出射するガウシアン状のモードプロフィールに良好に一致しないことが確認されている。
【００４７】
本Ｉ／Ｏポートをさらに増強して、結合効率をさらに改善する（すなわち、挿入損失をさらに減少させる）ことができる。具体的には、結合領域内でパワー損失パラメータを意図的に変化させるように光散乱素子を配置することができる。したがって、本Ｉ／Ｏポートの別の好ましい実施形態は、図３（ａ）に示すタイプのＩ／Ｏポートである。このＩ／Ｏポートは、ガウシアン状の入力ビームを特徴とする。周知の方法を用いて計算した最適なパワー損失パラメータプロフィールの計算例を図１２に示す。図では、破線で目標のガウシアン状のビームプロフィールを示し、実線でそれに対応する結合効率を比較的高くするのに必要なパワー損失パラメータを示す。出力境界から離れるにつれ漸進的に大きくなるパワー損失パラメータは、ｘ＝０のところに存在する出力境界あるいはその近傍では比較的小さい。出力導波路に向かって伝搬するＩ／Ｏポート中のパワーは、出力境界あるいはその近傍でそのピークあるいはそれに近くなり、ガウシアンビームの強度は相対的に小さい。ガウシアン状のプロフィールを有する入力ビームの強度は、出力境界から離れるにつれ相対的に大きくなる。ビーム中央部分の許容可能な入射結合を実現するために、この領域で適切な大きさのパワー損失パラメータを有することが必要である。出力境界あるいはその近傍の領域でパワー損失パラメータを整合させることは、挿入損失を効果的に制御する際の重要なファクタである。パワー損失パラメータは、出力境界から離れた領域でも良好に整合させて挿入損失を効果的に制御するべきである。出力境界からさらに離れると、ガウシアンビームの強度が比較的低いレベルに戻る際に、パワー損失パラメータは再度減少する。この領域では、パワー損失パラメータの値は他の領域での場合ほど重大なものではない。というのは、ガウシアンビームの強度およびＩ／Ｏポート中のパワーがともに比較的小さい値であるからである。
【００４８】
所望のパワー損失パラメータプロフィール、有効屈折率、動作周波数および結合角度が決まったら、次いで、光散乱素子の１つ（または複数）のピッチおよび容積を決定することができる。結合領域のある特定の位置で光散乱素子の適切なパラメータを決めるために、前に述べたグリーン関数法を用いて、同一の光散乱素子からなる無限均一格子のモデル化を行う。光散乱素子の容積およびピッチは結合領域全体にわたってゆっくりと滑らかに変化し、上記で説明したように、光散乱素子が出力境界に近づくにつれ、各光散乱素子の容積は相対的により小さくなる。こうしたモデルを使用し、反復設計手順を用いて結合領域全体の各位置で適切なピッチおよび光散乱素子の容積を選択して、（ａ）パワー損失パラメータプロフィールが結合領域全体のすべての位置で所望のプロフィールとほぼ同じになり、（ｂ）所与の入射ビームに対して最大結合が生じるほぼ一定の周波数が結合領域全体のすべての位置で存在するようにする。こうしたＩ／Ｏポートの好ましい実施形態は、ＡｌｘＯｙを含む第２中間層の上面上に厚さ約１８４ｎｍのＧａＡｓを含む第１中間層を有する積層構造および複数層の基板を備える。複数層の基板は、上層、その下の交互層および最下層を備える。上層はＡｌｘＯｙを含み、約８５０ｎｍの厚さを有し、その下にある１０対の交互層の上に配置される。この交互層は、それぞれ約１１６ｎｍと約１３３ｎｍの厚さを有するＧａＡｓを含む層とＡｌＡｓを含む層が交互に配置されるものである。一番下の基板層は比較的厚いＧａＡｓ層である。ＧａＡｓとＡｌＡｓの交互層は、結合領域の下で反射体として働く。具体的には、この交互層は、結合領域から基板への光の流れを妨げることによって分岐比を増強する。光散乱素子は、ＧａＡｓを含む中間層およびＡｌｘＯｙを含む中間層を通って延びる円筒形状の穴であり、ＡｌｘＯｙからなる中間層は約３００ｎｍの厚さを有する。中間層内に存在する結合領域は、約２０μｍ×約２０μｍの領域を含む。本Ｉ／Ｏポートのこの実施形態は、Ｃバンドの周波数範囲で効果的に動作するように設計される。この実施形態の入力光は、入射角がθ＝約＋１２°であることが好ましい。パワー損失パラメータプロフィールは、約１０μｍのモード領域径をもち、ビームの中心が出力境界から約５μｍのところに位置するガウシアン状の入力ビームに一致するように選択する。本Ｉ／Ｏポートのこの実施形態では、ピッチは、ｙ方向には一定であり、約４００ｎｍである。この好ましい実施形態のパワー損失パラメータは、パワー損失パラメータが出力境界から約−９μｍよりも短い距離のところでは約５８００ｃｍ−１の値で一定のままであるという点を除いて図１２に示すものと同様である。結合領域に沿って、（各光散乱素子の）ピッチおよび半径の対応する変化を、それぞれ「＋」および「×」の記号で図１３に示す。出力境界からの距離が増加すると、出力境界から結合領域に向かう方向に、各光散乱素子の半径およびピッチも増加する。図１３に示すこうした関係により、所与の入射ビーム角で最大結合が生じるほぼ一定の周波数を維持しながら、必要なパワー損失パラメータの変化が得られる。この好ましい実施形態のＦＤＴＤシミュレーションにより、ピーク結合効率が約８６％、中心波長が約１５５０ｎｍ、ＦＷＨＭ帯域が約５０ｎｍであることが示される。
【００４９】
本Ｉ／Ｏポートの別の好ましい実施形態では、不均一な容積をもち不均一に配置された光散乱素子が、図３（ｃ）に示す形態のＩ／Ｏポートに組み込まれており、それによって、任意の偏光のガウシアン状の入力ビームを効果的に結合する。格子は図１１に示す向きである。格子のピッチおよび光散乱素子の半径は、それらが出力境界（１０）に近づくにつれ減少し、（図１２に示す）所望のパワー損失パラメータの変化が得られるように選択される。こうした配置により、同じあるいは類似の層構造中に均一に配置された光散乱素子を特徴とし、ほぼパターン形成されていない領域に光を結合する以前のＩ／Ｏポートに対してより効果的な結合が得られる。Ｃバンドの周波数範囲全体にわたって改善された結合および低偏光依存損失は、出力境界におけるビームプロフィールの整合および損失の減少によるものである。
【００５０】
上記で説明した例は円筒形または直線構成（たとえば矩形）の光散乱素子を伴うものであるが、結合効率の向上は、楕円形の穴、半球形の穴、円錐形の穴または傾斜した光散乱素子（傾斜した光散乱素子とは、Ｉ／Ｏポートのｘ−ｙ面に直交しない光散乱素子である）、２つ以上のタイプの、下に位置する（すなわち、基礎をなす）光散乱素子を備える光散乱素子、下にある光散乱素子が異なる複数の容積をもつものである光散乱素子、および／または異なる複数の層内に配置された光散乱素子など他の光散乱素子でも得られる。さらに、対称性を減じられたことを特徴とする光散乱素子（たとえば矩形穴）は、ある種の応用例で有用であり得る。こうした比較的複雑な光散乱素子の目的は、単位セルの中に非対称性をもたらして、垂直方向では分岐比を増強し、水平（すなわち面内）方向では散乱領域から１つ（または複数）の出力導波路に優先的に光を方向づけることである。
【００５１】
本Ｉ／Ｏポートの別の好ましい実施形態を図１４（ｂ）に概略断面図で示す。このＩ／Ｏポートは、表面を覆うパターン形成されていない（たとえば二酸化シリコンを含む）スーパーストレイト層（２６）およびパターン形成されていない基板層（２９、６３）の上の光散乱素子（２７）を特徴とする。このようなＩ／Ｏポートは２ステップのプロセスで作製することができる。第１に、図１４（ａ）に示す（たとえばＳｉ（シリコン）を含む）中間層（２８）を、光散乱素子で適切にパターン形成することができる。第２に、たとえば二酸化シリコンを含むパターン形成されていないスーパーストレイト層（２６）を、ウエハ接合によって中間層（２８）に結合することができる。このプロセスにより、本Ｉ／Ｏポートに空気ではなくスーパーストレイト層（すなわち、図１４（ｂ）に示すパターン形成されていないスーパーストレイト層（２６））を組み込むことができる。前に述べたように、このスーパーストレイト層（２６）の厚さを適切に選択して、Ｉ／Ｏポートの特性および性能の制御することができる。さらに、このパターン形成されていないスーパーストレイト層（２６）（この実施形態では二酸化シリコン層）は、光散乱素子を表面的に覆うことによって機械的な保護として働く。こうした実施形態は、Ｉ／Ｏポートの実際の性能には関係しないある種の商業的な利点をもたらし得る。たとえば、上記で説明した本Ｉ／Ｏポートの実施形態のパッケージングは、完成したデバイスに損傷を与える懸念なしに、完成したデバイスの上面にパッケージ用材料を接触させることができるという範囲で容易になり得る。さらに、このような実施形態では、チップのダイシングおよび製造工程からの粒子その他の望ましくない副産物が、（たとえば、素子が空気、真空またはガスで充填される際に）パターン形成された光散乱素子中に埋め込まれることを妨げることができる。被覆層が単一の二酸化シリコン層を含む場合の好ましい実施形態を説明してきたが、本Ｉ／Ｏポートのある種の応用例では、たとえばシリコンおよび二酸化シリコンを含む複数層からなる被覆層が適切であり得る。
【００５２】
出力領域を適切に設計することによって、本Ｉ／Ｏポートのさらなる改善を実現することができる。言い換えると、光ファイバで一般に見られる入力光モードのスポットサイズを、高屈折率コントラストの出力導波路中の光信号のモードサイズに適合させることができる。たとえば、最初はパターン形成されていない層に、導波路に結合された光の伝搬方向を横切って格子間隔がゆっくりと変化する２次元配置の穴をエッチングすることによって、アクロマート型平面導波路レンズの出力領域を形成することができる。たとえば、ｘ’方向には一定の格子間隔ａｘ’、ｙ’方向には中心線ｙ’＝０から離れるにつれ放物線状に変化する穴間隔で、円筒形の穴を配置することができる。適切な設計によって、結合領域で導波路に結合される約１０μｍのスポットを出力領域で減少させて、出力導波路のより小さなモードプロフィールに適合させることができる。通常、この出力導波路は、平面またはほぼ平面光回路の残りの部分の他の導波路と同じになるように選択されるはずであり、それによって、このＩ／Ｏポートを使用する平面またはほぼ平面光回路の残りの部分にこの出力導波路を接続することが容易になる。
【００５３】
本Ｉ／Ｏポートを使用して、偏光の影響を受ける集積光学素子で偏光の影響を受けない光回路を作り出すことができる。偏光の影響を受けない光回路の動作を実現する際の難しさは、基本的に図１に示す軸方向に結合する幾何配置に関連している。この幾何配置では、未知のあるいは変化する偏光の入射光は、電場が平面またはほぼ平面の光デバイス表面に平行なＴＥ（横電気）モード、電場が平面またはほぼ平面の光デバイス表面に直交するＴＭ（横磁気）モード、あるいはその両方に結合する。偏光の影響を受けない平面またはほぼ平面の光デバイスの動作を実現するには、層構造およびデバイスの幾何形状を注意して調整してＴＥおよびＴＭの応答を互いに一致させること、あるいは光回路中に中間素子（波長板がこうした中間素子の例である）を組み込むことが必要である。一般の光回路で、上記で説明した注意深い調整および中間素子の組込みをともに実現するのは難しく、どちらか一方を実施することが必要になると、Ｉ／Ｏポートおよび光回路の効果的な設計に対する制限が課される。垂直から外れた、または垂直あるいはほぼ垂直な入射結合に基づく本Ｉ／Ｏポートでは、異なる偏光をもつ入射光は、それぞれ平面またはほぼ平面のデバイス中で同じ偏光を有する２つ以上の別々の出射ビームに結合される。たとえば、異なる方向に伝搬する２つのＴＥ偏光出力信号に入射信号を結合することができる。これらの２つの出力信号は、それぞれ単一の偏光（たとえばＴＥ偏光）だけに応答することを要する２つのほぼ同じあるいは同じ光学素子で処理することができる。
【００５４】
図１５（ａ）に、本Ｉ／Ｏポートの好ましい実施形態を備える光回路を示す。この実施形態では、Ｉ／Ｏポート（３０）が、ほぼ同じＴＥ偏光の２つの出力光（３１、３２）を２つの出力導波路（３３、３４）に向け、次いで、これらの出力導波路が、この２つの出力光（３１、３２）を２つの適当な（この場合はほぼ同じ）光学素子（３５、３６）に結合する。（３７、３８）の２つの出力は、２つの出力導波路（３９、４０）によってＩ／Ｏポート（４１）に向けられる。この平衡配置では、ＰＤＬおよびＰＭＤを制御する（たとえば低減する）ことができる。この２つの光学素子（３５、３６）が効果的に整合される場合（すなわち、良好に平衡した光回路では）、ＰＤＬおよびＰＭＤを効果的に取り除くことができる。
【００５５】
図１５（ｂ）に、本Ｉ／Ｏポートの別の好ましい実施形態を備える別の光回路を示す。この実施形態では、Ｉ／Ｏポート（４２）が、２つの出力光（４３、４４）を２つの出力導波路（４５、４６）に向け、次いで、これらの出力導波路が、この２つの出力光（４３、４４）を２つの光学素子（４７、４８）に結合する。出力（４９、５０）は、２つの出力導波路（５１、５２）によって、２入力の光コンバイナ（５３）、たとえば、当技術分野では周知のＭＭＩ（マルチモード干渉）コンバイナに向けられ、次いで、Ｉ／Ｏポート（５５）に接続される単一の出力導波路（５４）に至る。適当な光学素子（たとえば可変光遅延素子）を組み込むことによって、この２つの偏光は同位相で結合されて出力導波路（５４）内で最大パワーが得られ、それによって、出力ポート（５５）から出射し、出力ポートあるいはその直後で既知の状態の偏光をもつ光信号（６２）が得られる。
【００５６】
上記で説明した特定の材料（たとえば、ＧａＡｓ、ＡｌｘＯｙ、ＳｉおよびＳｉＯ２）に加えて、たとえば、問題の１つ（または複数）の特定の応用例に応じて、他の材料も、本Ｉ／Ｏポートの１つ（または複数）のスーパーストレイト層、１つ（または複数）の中間層および／または１つ（または複数）の基板層に適切な材料になり得る。たとえば、ＳｉＮ（窒化シリコン）は、本Ｉ／Ｏポートの適切な材料になり得る。また、ＩｎＰ（すなわち、インジウムリン）、ＩｎＧａＡｓ（すなわち、インジウムガリウムヒ素）を含む合金およびＩｎＧａＡｓＰ（すなわち、インジウムガリウムヒ素リン）を含む合金も同様である。ＡｌｘＯｙは、ＡｌＡｓ（すなわち、アルミニウムヒ素）、ＡｌＧａＡｓを含む合金、ＩｎＡｌＧａＡｓ（すなわち、インジウムアルミニウムガリウムヒ素）を含む合金またはＩｎＡｌＡｓを含む合金などのアルミニウム含有化合物を酸化することによって準備することができる。
【００５７】
上記の教示に照らして、本Ｉ／Ｏポートの多くの追加の改変形態および変形形態が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内で、上記で説明した以外の形でこのＩ／Ｏポートを実施することができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（ａ）レンズ系および（ｂ）直接ファイバ取付けにより、平面の光導波路に光を結合するための従来型の軸方向幾何配置を示す概略図である。
【図２】（ａ）レンズ系および（ｂ）直接ファイバ結合による垂直入射結合を示す概略図である。
【図３】既知の固定された入力偏光の光で動作するのに適したＩ／Ｏポートの設計（（ａ）および（ｂ））と、未知のまたは変化する入力偏光の光で動作するのに適したＩ／Ｏポートの設計（（ｃ）および（ｄ））とを示す平面概略図である。
【図４】図３（ａ）に対応するＩ／Ｏポートの一部を示す図である。
【図５】（ａ）好ましい実施形態の高屈折率コントラストのＩ／Ｏポート、および（ｂ）従来型の低屈折率コントラストのＩ／Ｏポートを示す概略図である。
【図６】１次散乱振幅を波長の関数として示すグラフである。ＡおよびＢで示す２曲線はそれぞれ、図５（ａ）および（ｂ）のＩ／Ｏポートに対する結果を示す。
【図７】ＦＷＨＭ（半値全幅）結合帯域を光散乱素子の深さの関数として示すグラフである。ＡおよびＢで示す２曲線はそれぞれ、図５（ａ）および（ｂ）のＩ／Ｏポートに対する結果を示す。
【図８】図５（ａ）のＩ／ＯポートのＦＷＨＭ結合帯域を基板層（１６）の厚さｔ１の関数として示すグラフである。
【図９】図５（ａ）のＩ／Ｏポートの分岐比を基板層（１６）の厚さｔ１の関数として示すグラフである。
【図１０】図５（ａ）のＩ／Ｏポートの領域損失パラメータの変化を基板層（１６）の厚さｔ１の関数として示すグラフである。
【図１１】未知のあるいは変化する入力偏光の光の使用に適した好ましい実施形態のＩ／Ｏポートの結合領域を示す平面概略図である。
【図１２】好ましい実施形態のＩ／Ｏポートのガウシアン状の強度プロフィール（破線）およびそれに対応するパワー損失パラメータ（実線）を示す図である。
【図１３】ピッチ（「＋」記号）および半径（「×」記号）を好ましい実施形態のＩ／Ｏポートの結合領域内の位置の関数として示す図である。
【図１４】ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）材料で製作した好ましい実施形態のＩ／Ｏポートの断面図である。図１４（ａ）では、光散乱素子が上部シリコン層内にパターン形成される。その後、パターン形成されていない二酸化シリコン層が（たとえば、ウエハ接合によって）結合される。
【図１５（ａ）】入力ポートが同じ偏光の２つの出力を有し、その出力が２つのほぼ同じ光学素子（たとえば光フィルタ）に結合され、その出力が出力ポートに向けられる光回路を示す概略図である。図１５（ａ）には、中間導波路の使用も示す。
【図１５（ｂ）】入力ポートからの２つの出力が２つの潜在的に異なる光学素子、マルチモードカプラなどの２入力コンバイナおよび単一出力ポートに結合されるデバイスを示す概略図である。図１５（ｂ）には、中間導波路の使用も示す。
【図１６（ａ）】本Ｉ／Ｏポートの１つ（または複数）のパターン形成されていないスーパーストレイト層、１つ（または複数）のパターン形成されていない基板層およびまだパターン形成されていない１つ（または複数）の中間層を示す概略図である。
【図１６（ｂ）】図１６（ａ）と同じ層と、１つ（または複数）の中間層内の単一の光散乱素子（たとえば、円筒形の穴）とを示す概略図である。
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004525417.tif 000088
2004525417.tif 000089