(57)【要約】偏波に対する感度を実質的に減少させる一方で、他の導波路特性、例えばシングルモード条件、基本モードに関する低伝搬損失及び低曲げ損失をそれほど損なわない封じ込め作用の強いリッジ導波路。本発明は、ガイド層及びクラッド層の導波路材料組成及び厚さ、並びに基本ＴＥモードと基本ＴＭモードのモードインデックスが互いに等しい曲げ半径、リッジ幅及びエッチング深さを考慮に入れている。これらのパラメータを用いて基本モード及び高次モードの損失（例えば、モードインデックスの虚数部）を計算できる。上述の基準を考慮することにより、本発明に従って、基本モードの損失が約１．０ｄＢ／ｍｍ以下、高次モードの損失が約１０ｄＢ／ｍｍ以上（かくして、損失差が少なくとも約１０ｄＢ／ｍｍとなる）の低損失シングルモードリッジ導波路を構成できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波無依存性シングルモードリッジ導波路であって、厚さを備えた下クラッド層と、厚さを備えた上クラッド層と、厚さを備えていて、前記下クラッド層と前記上クラッド層との間に配置されたガイド層と、リッジ幅を備えていて、前記上クラッド層及び前記ガイド層の一部で前記導波路に沿って長手方向に形成されたリッジとを有し、前記リッジ幅は、約１．０μｍ〜約１．５μｍであり、エッチング深さが、前記リッジによって定められ、前記エッチング深さは、約１．７μｍ〜約２．４μｍであり、曲げ半径が、前記導波路の長手方向長さの少なくとも一部に沿って定められ、前記曲げ半径は、約０μｍ〜約１００μｍであることを特徴とする偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項２】
前記曲げ半径は、０μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約２．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項３】
前記曲げ半径は、３０μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約２．０μｍ〜約２．１μｍであることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項４】
前記曲げ半径は、約５０μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約１．８ｍｍ〜約２．１μｍであることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項５】
前記曲げ半径は、１００μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項６】
前記ガイド層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成されていることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項７】
前記ガイド層の厚さは、約０．５μｍであることを特徴とする請求項６記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項８】
前記上クラッド層及び前記下クラッド層は、ＩｎＰで構成されていることを特徴とする請求項６記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項９】
前記上クラッド層の厚さは、約１．４μｍであり、前記下クラッド層の厚さは、約０．５μｍであることを特徴とする請求項８記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１０】
基本モード及び少なくとも第１高次モードを備えた光信号を誘導する偏波無依存性シングルモードリッジ導波路であって、下クラッド層と、厚さを備えた上クラッド層と、厚さを備えていて、前記下クラッド層と前記上クラッド層との間に配置されたガイド層と、リッジ幅を備えていて、前記上クラッド層及び前記ガイド層の一部で前記導波路に沿って長手方向に形成されたリッジとを有し、エッチング深さが、前記リッジによって定められ、曲げ半径が、前記導波路の長手方向長さの少なくとも一部に沿って定められ、前記リッジ幅、前記エッチング深さ及び前記曲げ半径はそれぞれ、基本モード及び少なくとも約１０ｄＢ／ｍｍの少なくとも第１高次モードについて光損失の差を生じさせる所定の値を有していることを特徴とする偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１１】
前記曲げ半径は、約０μｍ〜約１００μｍであり、前記リッジ幅は、約１．０μｍ〜約１．５μｍであり、前記エッチング深さは、約１．７μｍ〜約２．４μｍであることを特徴とする請求項１０記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１２】
前記曲げ半径は、０μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約２．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１３】
前記曲げ半径は、３０μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約２．０μｍ〜約２．１μｍであることを特徴とする請求項１１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１４】
前記曲げ半径は、約５０μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約１．８ｍｍ〜約２．１μｍであることを特徴とする請求項１１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１５】
前記曲げ半径は、１００μｍにほぼ等しく、前記エッチング深さは、約２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１６】
前記ガイド層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成されていることを特徴とする請求項１０記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１７】
前記ガイド層の厚さは、約０．５μｍであることを特徴とする請求項１６記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１８】
前記上クラッド層及び前記下クラッド層は、ＩｎＰで構成されていることを特徴とする請求項１６記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【請求項１９】
前記上クラッド層の厚さは、約１．４μｍであり、前記下クラッド層の厚さは、約０．５μｍであることを特徴とする請求項１８記載の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願の引照〕
本願は、２０００年２月１７日に出願された米国仮特許出願第６０／１８３，３１６号の優先権主張出願である。
【０００２】
〔発明の分野〕
本発明は、偏波無依存性シングルモードリッジ導波路に関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
光リッジ導波路は、製作が容易なために集積型フォトニックデバイス並びに半導体及び他の材料を利用した回路において下に位置する導波構造として広く用いられている。リッジ導波路の大きな欠点のうちの１つは、横断方向形態の幾何学的（又は、形態）複屈折に起因して偏波の影響を受けやすいということにある。例えば図１に示されていて全体が符号１００で示された従来型のエッチングの浅いリッジ導波路は代表的には、基材１０、基材１０の上に被着された下クラッド層２０、下クラッド層２０の上に被着されたガイド層３０及びガイド層３０の上に被着された上クラッド層４０を有している。導波路１００は、オプティカルフィールドについて側方向封じ込め作用が比較的弱く、その結果、曲げが導波路１００に作られると、多大な漏れ損失が生じることになる。
【０００４】
例えば図２に示されていて全体が符号１００′で示された深いエッチングのリッジ導波路は、強い側方向封じ込め作用を発揮し、それほど漏れ損失を生じさせないで小さな半径で曲げることができる。かかる公知の導波路の一例が、米国特許第５，９２６，４９６号に見られ、かかる米国特許の内容全体を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。側方向封じ込め作用が強いと、非常に小さな寸法形状のフォトニックデバイス及び回路を実現することができるので複雑な回路構成及び高レベルの集積度を有する高性能で安価なフォトニック集積回路を構成することができるようになる。
【０００５】
しかしながら、封じ込め作用の強いリッジ導波路は、偏波に対する影響を極めて受けやすい。かかる偏波感受性により、光ファイバ通信システムでの導波路の用途が制限され、かかる用途では、フォトニックデバイス、例えば、スイッチ、アド／ドロップマルチプレクサ等への入力光信号の偏波状態は、時間及び環境条件の関数としてランダムに変化する場合があるので予測できない。
【０００６】
一般に導波型光デバイスについての偏波感受性を軽減させ又は無くす幾つかの方法が提案された。かかる方法としては、偏波制御、偏波スクランブル法、偏波ダイバーシティ及び偏波無依存性導波路設計が挙げられる。偏波無依存性導波路設計以外の全ての方法では、追加の部品が必要であり、かくして、デバイスの複雑さが増大する。
【０００７】
かくして、従来技術の上述の欠点を解決するリッジ導波路を提供することが望ましい。
【０００８】
〔発明の概要〕
本発明は、偏波に対する感度を実質的に減少させる一方で、他の導波路特性、例えばシングルモード条件、基本モードに関する低伝搬損失及び低曲げ損失をそれほど損なわない封じ込め作用の強いリッジ導波路に関する。本発明は、ガイド層及びクラッド層の導波路材料組成及び厚さ、並びに基本ＴＥモードと基本ＴＭモードのモードインデックスが互いに等しい曲げ半径、リッジ幅及びエッチング深さを考慮に入れている。これらのパラメータを用いて基本モード及び高次モードの損失（例えば、モードインデックスの虚数部）を計算できる。上述の基準を考慮することにより、本発明に従って、基本モードの損失が約１．０ｄＢ／ｍｍ以下、高次モードの損失が約１０ｄＢ／ｍｍ以上（かくして、損失差が少なくとも約１０ｄＢ／ｍｍとなる）の低損失シングルモードリッジ導波路を構成できる。
【０００９】
本発明の第１の実施形態では、偏波無依存性シングルモードリッジ導波路は、厚さを備えた下クラッド層と、厚さを備えた上クラッド層と、厚さを備えていて、下クラッド層と上クラッド層との間に配置されたガイド層とを有する。リッジ幅を備えたリッジが、上クラッド層及びガイド層の一部で導波路に沿って長手方向に形成されている。リッジ幅は、約１．０μｍ〜約１．５μｍである。ッチング深さが、リッジによって定められ、エッチング深さは、約１．７μｍ〜約２．４μｍである。曲げ半径が、導波路の長手方向長さの少なくとも一部に沿って定められ、曲げ半径は、約０μｍ〜約１００μｍである。
【００１０】
本発明の第２の実施形態では、基本モード及び少なくとも第１高次モードを備えた光信号を誘導する偏波無依存性シングルモードリッジ導波路は、下クラッド層と、厚さを備えた上クラッド層と、厚さを備えていて、下クラッド層と上クラッド層との間に配置されたガイド層とを有する。リッジ幅を備えたリッジが、上クラッド層及びガイド層の一部で導波路に沿って長手方向に形成されている。エッチング深さが、リッジによって定められ、曲げ半径が、導波路の長手方向長さの少なくとも一部に沿って定められる。リッジ幅、エッチング深さ及び曲げ半径はそれぞれ、基本モード及び少なくとも約１０ｄＢ／ｍｍの少なくとも第１高次モードについて光損失の差を生じさせる所定の値を有している。
【００１１】
エッチング深さを正しく選択することにより、基本モードについての損失を無視できるほどに維持しながら高次モードの総漏れ損失を最大にすることができる。以下に詳細に説明するように、所与の曲げ半径についてリッジ幅及びエッチング深さを正しく選択することにより、基本誘導モードについての漏れ損失の小さな偏波無依存性シングルモードの直線状又は湾曲状導波路を設計することが可能である。
【００１２】
したがって、本発明は、本明細書に例示される構成の特徴、要素の組合せ及び部品の配列状態から成り、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【００１３】
図面の各図は、同一縮尺通りには記載されておらず、各図は、単なる例示であり、図中、同一の符号は、類似の要素を示している。
【００１４】
〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
本発明は、偏波に対する感度を実質的に減少させる一方で、他の導波路特性、例えばシングルモード条件、基本モードに関する低伝搬損失及び低曲げ損失をそれほど損なわない封じ込め作用の強いリッジ導波路に関する。本発明は、ガイド層及びクラッド層の導波路材料組成及び厚さ、並びに基本ＴＥモードと基本ＴＭモードのモードインデックスが互いに等しい曲げ半径、リッジ幅及びエッチング深さを考慮に入れている。これらのパラメータを用いて基本モード及び高次モードの損失（例えば、モードインデックスの虚数部）を計算できる。上述の基準を考慮することにより、本発明に従って、基本モードの損失が約１．０ｄＢ／ｍｍ以下、高次モードの損失が約１０ｄＢ／ｍｍ以上（かくして、損失差が少なくとも約１０ｄＢ／ｍｍとなる）の低損失シングルモードリッジ導波路を構成できる（かくして、少なくとも約１０ｄＢ／ｍｍの損失差をもたらし、高次モード信号の損失を最大限にしながら基本モード信号の損失を最小限に抑える）。
【００１５】
次に、図面を詳細に参照すると、図３は、本発明の実施形態に従って構成されていて全体を符号２００で示す偏波無依存性シングルモードリッジ導波路を示している。導波路２００は、種々の材料系、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ及びＳｉ基材から作製できる。導波路２００は、基材２１０で構成され、この上に、下クラッド層２００が被着される（公知の又は今後開発される半導体被着法、成形法、エッチング法等の技術を用いる）。ガイド層２３０が、下クラッド層２２０上に被着され、上クラッド層２４０が、ガイド層２３０上に被着されている。上クラッド層２４０及びガイド層２３０の少なくとも一部は、所定幅ｗまで選択的にエッチングされるのがよく、それにより、導波路２００のリッジ２３２が構成されている。
【００１６】
代表的には、リッジ２３２を包囲する媒体５０（例えば、空気）の屈折率は、ガイド層２３０及びクラッド層２２０，２４０の屈折率よりも非常に小さい。この結果、側方向（即ち、図３においてｘ方向）に沿って大きな屈折率のコントラストが生じ、これは、その方向に沿って強い光封じ込め作用をもたらす。横断方向（即ち、図３においてｙ方向）形態の構造的非対称性により、基本準ＴＥ（電気ベクトルが横断方向）モード（βｘ）及び準ＴＭ（磁気ベクトルが横断方向）モード（βｙ）の伝搬定数（β）は一般に等しくない。ｙ方向に沿うガイド層２３０とクラッド層２２０，２４０の屈折率の差がｘ方向の屈折率の差よりも非常に小さいので、ＴＥモード（ｘ方向に沿う電界が支配的である）の伝搬定数の実数部は、リッジ２３２の幅ｗが十分に小さい限り、ＴＭモード（ｙ方向に沿う電界が顕著である）のものよりも低いであろう。他方、リッジの幅が十分に大きい場合、導波路２００は、スラブの構成に近くなってＴＥモードの伝搬定数がＴＥモードのものよりも大きくなるようになる。かくして、リッジの幅が或る特定の大きさ又は或る種々の大きさの場合、ＴＥモード及びＴＭモードの伝搬定数は等しくなり、したがって、モード損失が無い場合に偏波無依存性導波路が得られることになる。
【００１７】
さらに、ＴＥモード及びＴＭモードの伝搬定数が互いに等しいリッジ２３２の幅は、その場所での導波路２００の曲げ半径に依存しやすくなるであろう。曲げ半径が増大すると、オプティカルフィールドが左側へシフトし、それ故、基本誘導モードの形態複屈折をバランスさせるにはリッジの幅を大きく取る必要がある。
【００１８】
図９に示すように、本発明の実施形態に従って構成された導波路２００は、曲げ半径が約∞μｍ〜約１００μｍの湾曲又は弧状部分２０２を有する場合がある。すなわち、本発明は、実質的に直線状の導波路２００（曲げ半径がほぼ∞μｍに等しい）及び湾曲又は弧状部分２０２（曲げ半径が、約２０μｍ〜約１００μｍの範囲にある）を有する導波路２００に関している。図９は、所定曲げ半径を持つ単一の湾曲又は弧状部分２０２を備えた導波路２００を示しているが、本発明はこれには限定されない。本発明に従って構成される導波路２００は、任意個数の湾曲又は弧状部分２０２を有することができる。ただし、各部分２０２が各々、強い側方向封じ込め作用を備えた偏波無依存性シングルモードリッジ導波路を提供するよう曲げ半径とエッチング深さとリッジ幅の関係を満たすことを条件とする。
【００１９】
以下の詳細な説明は、本発明の実施形態に従って構成された強い側方向封じ込め作用を持つ偏波無依存性シングルモードリッジ導波路に関している。特定の数値は、種々の例示の実施形態をもたらしている。他の数値及びこれにより得られる実施形態も又、想到でき、これらは本発明の精神及び範囲に属し、本明細書で説明する特定の値は、本発明の非限定的な例示として与えられていることは注目されるべきである。
【００２０】
偏波無依存性に関する１つの所望の導波路特性は、準ＴＭ基本モード及び準ＴＭ基本モードの伝搬定数が等しいこと、即ち、βｘ＝βｙということにある。また、基本準ＴＭ（αｘ０）及び準ＴＭモード（αｙ０）の導波路２００による減衰度（α）は、約１．０ｄＢ／ｍｍよりも小さいことが望ましい。加うるに、高次モード（αｘ１，αｙ１）の減衰度（α）は、約１０ｄＢ／ｍｍよりも大きいことが望ましい。
【００２１】
本発明の一実施形態では、ガイド層２３０は、ＩｎＧａＡｓＰで作られ、ガイド層２３０の屈折率は、約３．４であり、これは、１．５５μｍにほぼ等しい波長でのＩｎＧａＡｓＰの典型的な値である。下クラッド層２２０及び上クラッド層２４０はそれぞれ、ＩｎＰで作られていて、各々の屈折率は、波長が１．５５μｍにほぼ等しい場合、約３．２である。上クラッド層の厚さＨ１は、１．４μｍにほぼ等しい。ガイド層２３０の厚さ大きいＤは、０．５μｍにほぼ等しく、下クラッド層２２０の厚さＨ２は、０．５μｍにほぼ等しい。リッジ２３２の総エッチング深さＨは、ガイド層２３０ではＨ１＋エッチング深さであるか、或いは、図３に示すようにＨ１＋Ｄ＋Ｈ２（下クラッド層２３０のエッチング深さ）であってもよい。
【００２２】
本発明に従って構成された導波路２００の種々の曲げ半径についてリッジ幅ｗとエッチング深さとの関係を定めるためにコンピュータによるシミュレーションを行った。準ＴＭ基本モードと準ＴＭ基本モードの伝搬定数を互いに等しくなるように設定した（即ち、βｘ＝βｙ）。曲げ半径が約３０μｍ、５０μｍ、１００μｍの場合であって直線状導波路の場合におけるエッチング深さＨとリッジ幅ｗの関係が図４に示されている。エッチング深さＨは、約１．７μｍのところで始まっている。というのは、エッチング深さが小さすぎる場合（例えば、＜１．７μｍ）、基本モードの曲げ誘起損失が高すぎるので直線状導波路に関して偏波無依存性構造が見られないからである。
【００２３】
曲げ半径が１００μｍ、３０μｍ及び５０μｍの場合に、最初の４つのモード（Ｅｘ０，Ｅｙ０，Ｅｘ１，Ｅｙ１）の曲げ損失とエッチング深さの関係がそれぞれ図５、図６及び図７に示されている。シミュレートした導波路構造は全て、上述したように図３の実施形態に従っており、したがって偏波無依存性が維持されている。図５を参照すると、曲げ半径が１００μｍの場合、基本モード（Ｅｘ０，Ｅｙ０）と第１高次モード（Ｅｘ１，Ｅｙ１）の損失差は、２．０μｍ未満のエッチング深さでは１０ｄＢ／ｍｍを超えることができることは明らかである。また、図７に示すように、曲げ半径が５０μｍであってエッチング深さが約１．８〜２．１μｍの場合、１０ｄＢ／ｍｍを超える損失差を達成できる。曲げ半径が３０μｍの場合、図６に示すように、約２．０〜２．１μｍの範囲にあるエッチング深さは、基本モード損失と１次モード損失との間の所望の１０ｄＢ／ｍｍの差をもたらすであろう。曲げ半径が約２０μｍよりも小さい場合、基本モードと第１高次モードの両方は、高い損失を生じる。かくして、強い側方向封じ込め作用の偏波無依存性シングルモードリッジ導波路に所望の損失差をもたらすことはできない。
【００２４】
直線状導波路２００の場合、偏波無依存性シングルモード作用は、エッチング深さが図８に示すように約２．１μｍ未満の場合に可能である。第１高次モードＥｘ１，Ｅｙ１の損失は、曲げ半径が約１００μｍの導波路のものよりも高い。その理由は、リッジ幅ｗが直線状導波路について、基本モードＥｘ０，Ｅｙ０に関してβｘ＝βｙになるように小さくなければならないからである。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、強い側方向封じ込め作用を持つ偏波無依存性シングルモードリッジ導波路２００を製造するには、基本ＴＥ及びＴＭモードのモードインデックス実数部がガイド層２３０、下クラッド層２２０及び上クラッド層２４０の或る導波路材料組成及び厚さ並びに或る曲げ半径（０の曲げ半径を含む）について互いに等しいリッジ幅及びこれに対応したエッチング深さを計算するのがよい。種々のパラメータ、例えば、リッジ幅、エッチング深さ及び曲げ半径を所望に応じて定めることができる。ただし、本明細書で詳細に説明し、図面に示したこれら種々のパラメータ相互間の関係が維持されることを条件とする。
【００２６】
所定の曲げ半径が所定の場合であってリッジ幅及びエッチング深さが制約されている場合、基本モード及び第１高次モードの損失（モードインデックスの虚数部）を計算するのがよい（これについては、例えば図４〜図８を参照）。
【００２７】
基本モードの損失を約１．０ｄＢ／ｍｍ未満に限定し、高次モードの損失を約１０ｄＢ／ｍｍ以上に設定することにより強い側方向封じ込め作用を備えた低損失偏波無依存性シングルモードリッジ導波路２００を構成することができる。
【００２８】
かくして、本発明の新規な特徴をその好ましい実施形態に適用したものとして開示して説明したが、当業者であれば本発明の精神から逸脱することなく開示した発明の形態及び細部の種々の省略例、置換例及び変形例を想到できることは理解されよう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載にのみ基づいて定められる。
【００２９】
また、特許請求の範囲は、本明細書に記載した本発明の一般的な特徴及び具体的特徴の全て並びに文言上本発明の範囲に属する全ての技術的事項を含むものであることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来型の浅いエッチングが施されたリッジ導波路の概略断面図である。
【図２】
従来型の深いエッチングが施されたリッジ導波路の概略断面図である。
【図３】
本発明の実施形態に従って構成されたリッジ導波路の概略断面図である。
【図４】
互いに異なる曲げ半径を有する偏波無依存性リッジ導波路についてエッチング深さと導波路の幅の関係を示すグラフ図である。
【図５】
曲げ半径が約１００μｍの偏波無依存性リッジ導波路のエッチング深さと基本及び高次モードについての損失の関係を示すグラフ図である。
【図６】
曲げ半径が約３０μｍの偏波無依存性リッジ導波路のエッチング深さと基本及び高次モードについての損失の関係を示すグラフ図である。
【図７】
曲げ半径が約５０μｍの偏波無依存性リッジ導波路のエッチング深さと基本及び高次モードについての損失の関係を示すグラフ図である。
【図８】
実質的に直線状の偏波無依存性リッジ導波路のエッチング深さと基本及び高次モードについての損失の関係を示すグラフ図である。
【図９】
本発明の実施形態に従って構成されていて、所定の曲げ半径を持つ湾曲又は弧状部分を備えた導波路の平面図である。
【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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【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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2004522982.tif 000032
【国際調査報告】
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2004522982.tif 000034
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