(57)【要約】光学デバイスは、平面表面を有しかつその上に光学コアを有する基板、を備える。光学デバイスは、また、光学コア中に位置付けられた２次元回折格子を備え、前記２次元回折格子は光屈折構造の規則的な２次元パターンによって形成され、１つの前記光屈折構造が、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられている。光学デバイスは、また、平面基板上に在って２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路を備え、第１の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、第２の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている。
2012533089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学デバイスであって、
平面表面を有し且つその上に光学コアを有する基板と、
前記光学コア中に位置付けられた２次元回折格子とを備え、前記２次元回折格子は、光屈折構造の規則的な２次元パターンによって形成され、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられており、さらに、
前記平面基板上に在って前記２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路を備え、前記第１の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、前記第２の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている、光学デバイス。
【請求項２】
前記平面基板上に在って前記２次元回折格子に端結合された端を有する第３の光導波路をさらに備え、前記第３の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の異なる基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記１つまたは複数の導波路の１つが前記光の第１の偏光部分を伝え、前記１つまたは複数の導波路の別のものが前記光の異なる第２の偏光部分を伝える、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光の前記偏光部分が、前記２つの導波路の一つ一つによって、前記光学デバイス中に一体化されたフォトダイオードの異なる端に向けて別々に送られる、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
送られた光が前記２次元回折格子に入るように、前記平面基板の前記平面表面に向けて前記光を送るように方向付けられた光ファイバをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記規則的な２Ｄ格子が、異なる長さの基本格子ベクトルか、平行でも垂直でもない基本格子ベクトルかのどちらかを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
光学デバイスであって、
平面表面を有し且つその上に光学コアを有する基板と、
前記光学コア中に位置付けられた２次元回折格子とを備え、前記２次元回折格子は、光屈折構造の規則的な２次元パターンによって形成され、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられており、さらに、
前記平面基板上に在って前記２次元回折格子に端結合された端を有する１つまたは複数の光導波路を備え、前記１つまたは複数の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の非基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっている、光学デバイス。
【請求項８】
光学デバイスを使用する方法であって、
光カプラを通して光を伝送するステップを含み、光を伝送する前記ステップが、
前記光を光学コア層中の２次元回折格子に向けて、前記光学コア層が位置付けられている平面基板に対して実質的に直角である角度で送るステップを含み、前記２次元回折子は、光屈折構造の規則的な２次元パターンによって形成され、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられており、さらに、
前記光が前記２次元回折格子を出て、前記平面基板上に在って前記２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路に入るように、前記光を前記２次元回折格子で回折させるステップを含み、前記第１の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、前記第２の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている、方法。
【請求項９】
前記光の前記伝播方向が逆にされる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
光学デバイスを製造する方法であって、
平面基板上に光カプラを製作するステップを含み、光カプラを製作する前記ステップが、
２次元回折格子を形成するステップを含み、前記２次元回折格子を形成するステップは、
前記基板上に光学コア層を形成するステップと、
光屈折構造の周期的な配列を形成するように前記光学コア層をパターニングするステップとを含み、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられ、さらに、
前記２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路を前記平面基板上に形成するように前記光学コア層をパターニングするステップとを含み、前記第１の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、前記第２の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に光学デバイスを対象とし、より詳細には、光学デバイスのうちの光カプラおよびこの光カプラを使用する方法および製造する方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
この項は、本発明のより適切な理解を容易にするのに役立つ可能性がある態様を紹介する。したがって、この項の陳述は、この観点から読まれるべきである。この項の陳述は、何が従来技術であるかまたは何が従来技術でないかについて認めるものとして理解されるべきではない。
【０００３】
ファイバ・トウ・ザ・ホーム用途などの通信用途の光ダイプレクサおよびトリプレクサ光学デバイスを作るために、現在、個別光学部品が使用されている。例えば、ダイプレクサおよびトリプレクサは、一つ一つ組み立てられることが多く、さらにいくつかの位置合せ手順を含み、それによって、そのようなデバイスの製造にかかる費用を高くしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊ．Ｗａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｇｅ  ｐ−ｉ−ｎ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｏｎ  Ｓｉ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｗｉｔｈ  ＳＥＧ−Ｇｅ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｌａｔｅｒａｌ  ａｎｄ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｐ−ｉ−ｎ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，”  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．２９，ｐｐ．４４５−４４８，Ｍａｙ  ２００８．
【非特許文献２】Ｃ．Ｒ．Ｄｏｅｒｒ，Ｍ．Ｚｉｒｎｇｉｂｌ，Ｃ．Ｈ．Ｊｏｙｎｅｒ，Ｌ．Ｗ．Ｓｔｕｌｚ，ａｎｄ  Ｈ．Ｍ．Ｐｒｅｓｂｙ，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９，ｐｐ．８５−８７，Ｊａｎ．１９９７．
【非特許文献３】Ｗ．Ｂｏｇａｅｒｔｓ，Ｄ．Ｔａｉｌｌａｅｒｔ，Ｐ．Ｄｕｍｏｎ，Ｄ．Ｖａｎ  Ｔｈｏｕｒｈｏｕｔ，Ｒ．Ｂａｅｔｓ，ａｎｄ  Ｅ．Ｐｌｕｋ，“Ａ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｕｐｌｅｘｅｒ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｗｉｒｅｓ，”  Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．，ｐｐ．１５６７−１５７８，２００７．
【非特許文献４】Ｆ．Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅ，Ｗ．Ｂｏｇａｅｒｔｓ，Ｐ．Ｄｕｍｏｎ，Ｇ．Ｒｏｅｌｋｅｎｓ，Ｄ．Ｖａｎ  Ｔｈｏｕｒｈｏｕｔ，ａｎｄ  Ｒ．Ｂａｅｔｓ，“Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｃｏｕｐｌｅｒｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，”  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２７，ｐｐ．６１２−６１８，Ｍａｒ．２００９．
【非特許文献５】Ｆ．Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｃｈｉｐ，”  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２７，ｐｐ．４１７−４２５，２００９．
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態は、光学デバイスである。このデバイスは、平面表面を有しかつその上に光学コアを有する基板、を備える。このデバイスは、また、光学コア中に位置付けられた２次元回折格子（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｇｒａｔｉｎｇ）を備え、前記の２次元回折格子は、光屈折構造の規則的な２次元パターンによって形成され、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子（２Ｄ  ｌａｔｔｉｃｅ）の各ノードに位置付けられている。このデバイスは、また、平面基板上に在って２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路、を備え、第１の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、第２の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている。
【０００６】
光学デバイスの他の実施形態は、上述の基板、光学コアおよび２次元回折格子を備える。このデバイスは、また、平面基板上に在って２次元回折格子に端結合された端を有する１つまたは複数の光導波路、を備える。この１つまたは複数の光導波路は、その前記端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の非基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっている。
【０００７】
他の実施形態は、光学デバイスを使用する方法である。本方法は、光カプラを通して光を伝送することを含む。伝送は、前記光を光学コア層中の２次元回折格子に向けて送ることを含み、前記光は、前記光学コア層が位置付けられている平面基板に対して実質的に直角である角度で送られ、前記２次元回折子は、光屈折構造の規則的な２次元パターンによって形成され、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられている。伝送は、前記光が前記２次元回折格子を出て、平面基板上に在って２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路に入るように、前記光を前記２次元回折格子で回折させることを含み、第１の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、第２の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている。
【０００８】
他の実施形態は、光学デバイスを製造する方法である。本方法は、平面基板上に光カプラを製作することを含む。光カプラの製作は、２次元回折格子を形成することを含み、前記基板上に光学コア層を形成することを含む。光カプラの製作は、光屈折構造の周期的な配列を形成するように前記光学コア層をパターニングすることを含み、前記光屈折構造の１つが、外側有界領域中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子の各ノードに位置付けられる。光カプラの製作は、２次元回折格子に端結合された端を有する第１および第２の光導波路を平面基板上に形成するように前記光学コア層をパターニングすることを含み、第１の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっており、第２の光導波路は、その端近くでの伝播の方向が前記規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに平行でないようになっている。
【０００９】
本開示の実施形態は、次の詳細な説明を添付の図と共に読むと、最もよく理解される。対応するまたは同様な数字または文字は、対応するまたは同様な構造を示している。様々な特徴は、議論をはっきりさせるために原寸に比例して描かれていないことがあり、またサイズが任意に拡大または縮小されていることがある。ここで、次の説明を添付の図面と併せて参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な光学デバイスを示す透視図である。
【図２】図１に示された例示的なデバイスの一部を示す詳細な平面図である。
【図３】図１に示された例示的なデバイスの一部を示す断面図である。
【図４】図１〜３に示されたデバイスなどの光学デバイスを使用する例示的な方法を示す流れ図である。
【図５】図１〜３に示されたデバイスなどの光学デバイスを製造する例示的な方法を示す流れ図である。
【図６】図１〜３に示された回折格子などの例示的な回折格子における光回折を空間周波数領域で示す説明図である。
【図７】図１〜３に示されたデバイスなどの例示的なデバイスに関して、１５７７ｎｍ波長領域でのファセット・ファイバから回折格子ファイバへのファイバ間透過率を示す図であり、θは約２度に等しい。
【図８】図１〜３に示されたデバイスなどの例示的なデバイスに関して、１５７７ｎｍ波長領域でのファセット・ファイバから回折格子ファイバへのファイバ間透過率を示す図であり、θは約５度に等しい。
【図９】図１〜３に示されたデバイスなどの例示的なデバイスに関して、１２７０ｎｍ波長領域での、回折格子からフォトダイオードまでの正味応答度を示す図であり、θは約２度に等しい。
【図１０】図１〜３に示されたデバイスなどの例示的なデバイスに関して、１５７７ｎｍ波長領域での、ファセットからフォトダイオードまでのフォトダイオードの正味応答度を示す図であり、θは約２度に等しい。
【図１１Ａ】図１〜３に示された光学デバイスと同様な例示的な光学デバイスを示す透視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示されたデバイスに関して、回折格子に達する直前のファイバでの、測定されたビット誤り率対受取り光パワーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ダイプレクサ（ｄｉｐｌｅｘｅｒ）およびトリプレクサ（ｔｒｉｐｌｅｘｅｒ）が平面光集積回路（ＰＩＣ）の一部として製造されると、空間および費用効率がいっそう高くなることがあり得る。例えば、ファイバの端がＰＩＣの表面の上に在ってＰＩＣに対して実質的に直角に向けられている標準光ファイバは、ＰＩＣに光信号を送りまたはＰＩＣから光信号を受け取ることができるだろう。２次元回折格子カプラは、光ファイバがＰＩＣにそのように結合されることを可能にすることができる。
【００１２】
光ファイバは、ＰＩＣの表面上に位置付けられた回折格子カプラにほぼ垂直に結合することができるが、２つの大きく異なる波長の光を同じ回折格子カプラに同時に結合することは難しいことがある。例えば、波長１３００ｎｍと１５００ｎｍの光を、両方の波長について位相整合の状態で同時に結合するためには、普通、光ファイバは、ＰＩＣの表面に対して直角である角度から外れた大きな入射角（例えば、約±１５度を超える）に傾けられなければならない。このことは、今度は、高偏光依存性の損失をもたらし、さらに、光ファイバを所望の傾斜角に維持することなどのロジステックな問題を引き起こすことがある。
【００１３】
本明細書で開示される様々な光カプラは、光が２次元（２Ｄ）回折格子の中へ実質的に垂直に伝送され（例えば、光ファイバの端を通って）、さらに次に、その光が、回折格子を出て、回折格子の光屈折構造の位置にノードを持つ２Ｄ格子の基本格子ベクトルに実質的に非平行（例えば、斜め）な光導波路の端に入ることを可能にするように配列された２Ｄ回折格子と光導波路を実現することができる。いくつかの実施形態では、そのような光カプラは、さらに、２Ｄ回折格子の光屈折構造の平面に実質的に平行な方向に整列された他の導波路から第２の異なる波長の光を２Ｄ回折格子の中へ同時に送ることを可能にするように構成されることがある。第２の光は、回折格子を垂直方向に、例えば、第１の光が伝播されたのとほぼ同じ軌道に沿って、例えばＰＩＣに対してほぼ直角に出ることができる。その結果として、単一光カプラが、ＰＩＣの表面の垂線から大きく外れるように結合光ファイバの向きを傾ける必要なしに、１つのキャリア波長の光で入って来る光信号と、大きく異なる第２のキャリア波長の光で出て行く光信号とを結合することができるようになる。
【００１４】
本開示の一実施形態は光学デバイスである。図１は、例示的な光学デバイス１００の透視図を示す。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、ダイプレクサＰＩＣまたはトリプレクサＰＩＣとして構成される。図２は、図１に示された例示的なデバイスなどの例示的なデバイスの一部の平面図を示し、図１に示された視野２に対応している。図３は、図１に示された例示的なデバイスなどの例示的なデバイスの一部の断面図を示し、図２に示された観察線３−３に沿っている。
【００１５】
図１に示されるように、例示的な光学デバイス１００は、平面基板１１０上に（例えば、基板１１０の平面表面１１１に沿って）位置付けられた光カプラ１０５（例えば、平面光カプラ）を備える。光カプラは、２次元回折格子１１５および１つまたは複数の導波路１２０、１２２を含む。２次元回折格子１１５と１つまたは複数の導波路１２０、１２２の両方は、平面基板１１０上の光学コア層１２５中に位置付けられている。本明細書で使用されるような光学コア層という用語は、周囲の材料よりも高い屈折率を有する結晶層、多結晶層、または非晶質層を意味する。例えば、図１に示されるようないくつかの実施形態では、シリコン光学コア層１２５は、シリコン酸化物の上部または下部クラッド層１３０、１３２に隣接していることがある（はっきりさせるために、上部クラッド層１３２は一部のみ描かれている）。
【００１６】
ここで、２次元回折格子は、同様な形に作られた回折構造を規則的な２Ｄ格子のノードに分布させることによって形成された平面構造である。規則的な２Ｄ格子のノードが、選ばれた外側有界領域中に位置付けられている場合には、各ノードに１つの回折構造が位置付けられている。規則的な２Ｄ格子は、そのノードがほぼ等しい間隔を持つようにチャープされないことがあり、または、そのノードの間隔が１つの方向に沿ってチャープされて、例えばその方向に沿って直線的に大きくなるようにチャープされることがある。規則的な２Ｄ格子は、様々な局所的な対象型、例えば２Ｄ正方形格子、２Ｄ長方形格子、２Ｄ平行四辺形格子またはこれらの特殊な格子のどれかの線形チャープ変形物を有することがある。
【００１７】
等間隔ノードの場合には、規則的な２Ｄ格子の各ノードの位置ベクトルＬは、Ｌ＝Ｎ・Ａ＋Ｍ・Ｂと表わされることがある。ここで、ＮおよびＭは整数であり、ＡおよびＢは非平行基本格子ベクトルである。ここで、そのような２Ｄ格子では、基本格子ベクトルは、格子のノードの位置を定義するために使用することができる２つの最短格子ベクトルである。例えば、正方形格子の基本格子ベクトルは、直交している。
【００１８】
図１にさらに示されるように、２次元回折格子１１５は、平面基板１０５に対して実質的に直角である角度１４０の方向に進む光１３５を受け取るように、または伝送するように（または、受け取りかつ伝送するように）構成されている。いくつかの場合には、角度１４０は、９０±１５度である。１つまたは複数の導波路１２０、１２２の一端１４５は、２次元回折格子１１５に光学的に結合されている。いくつかの場合には、１つまたは複数の導波路１２０、１２２の各々の他方の反対の端１４６は、デバイス１００に一体化されたフォトダイオード１５０に光学的に結合されている。いくつかの場合には、デバイス１００は、導波路１２０、１３２に光学的に結合された光学フィルタ１５５（例えば、マッハ・ツェンダ干渉計フィルタ）を含み、例えば、フィルタ１５５は、１つまたは複数の導波路１２０、１２２の導光路中に含まれることがある。
【００１９】
図２および３に示されるように、２Ｄ回折格子１１５は、実質的に同様な光屈折構造２０５の２Ｄパターンを含んでいる。１つの光屈折構造２０５が、規則的な２Ｄ格子２０７の各ノードに位置付けられ、その規則的な２Ｄ格子は、外側有界領域２０８、例えば図示の２Ｄ回折格子では正方形の中に位置付けられている。本明細書で使用されるような光屈折構造２０５という用語は、光１３５（図１）が向けられている光学コア層１２５の一部の中の開口、または光学コア層１２５の一部の上の隆起した特徴を意味する。
【００２０】
光屈折構造の位置が規則的な２Ｄ格子のノードにあるために、光屈折構造２０５は、列２１０と行２１２を形成し、列２１０は第１の基本格子ベクトルに平行であるように方向付けられ、行は、第１の基本格子ベクトルに平行でない第２の基本格子ベクトルに平行であるように方向付けられている。図示の実施形態では、２Ｄ回折格子１１５は、正方形格子の各基本格子ベクトルの方向に沿った２０個の格子ノードに屈折構造２０５を含む正方形格子の正方形状横領域（ｌａｔｅｒａｌ  ｒｅｇｉｏｎ）である。
【００２１】
光屈折構造２０５は、列２１０と行２１２を成して、例えば繰返す数の列と行を成して互いに整列されることがある。いくつかの実施形態では、回折格子１１５は、屈折構造２０５の２０×２０の正方形格子を備えている。１つまたは複数の導波路１２０、１２２の各々の端１４５（図１）は、導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播の方向１４７が行２１２および列２１０に実質的に非平行であるように、すなわち、２Ｄ回折格子１１５の屈折構造２０５の位置の基礎となる規則的な２Ｄ格子の基本格子ベクトルに非平行であるように、２次元回折格子１１５に光学的に結合されている。
【００２２】
本開示の目的のために、光伝播の方向１４７が基本格子ベクトル（例えば、いくつかの場合には、図２に表わされた行２１０と列２１２）に実質的に非平行であるという条件は、基本格子ベクトルを通る方向２２０の直線（例えば、いくつかの場合には、行２１０と列２１２）と、１つまたは複数の導波路１２０、１２２を通る光伝播２２２、２２４の方向の直線との間に、約±１０度以上の交差角２１５があるときに満たされる。
【００２３】
図３に示されるように、いくつかの実施形態では、光カプラは、さらに、２次元回折格子１１５の下に位置付けられた反射構造３１０（例えば、平面反射構造）を含むことがある。反射構造は、例えば、そうでなければ光散乱のために基板１１０の中へ、逆に回折格子１１５の中へ失われるかもしれない、回折格子１１５を通って伝送された光１３５を反射することによって、回折格子１１５を通る光伝送の効率を改善することができる。いくつかの場合には、反射構造は、金または銀の層などの金属層であることがある。他の場合には、反射構造３１０は、分布ブラッグ反射体（例えば、平面分布ブラッグ反射体）であることがある。
【００２４】
図１および２に示されるようなものなどのいくつかの場合に、デバイス１００の実施形態では、導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播の方向１４７が２Ｄ回折格子１１５の基本格子ベクトルの方向（例えば、行２１０または列２１２に対応する）に実質的に非平行であり、かつ２つの導波路１２０、１２２（例えば、これらの導波路の中心）を通る線２２２、２２４が互いに実質的に直交するように（例えば、９０±１０度）、２つの導波路１２０、１２２は、両方とも、２次元回折格子１１５に光学的に結合されている。図２に示された例では、交差角２１５は、行２１０と列２１２の両方に対して約４５度であることがある。しかし、本開示に基づいて、隣接する光屈折構造２０５が位置付けられているノードの２Ｄ格子が、必要に応じて、異なる交差角２１５を実現するためにどのように調節されるかを、当業者は理解するであろう。そのような調節は、例えば、光屈折構造２０５のサイズおよび隣接する光屈折構造２０５間の間隔の変化を含むかもしれない。
【００２５】
いくつかの実施形態では、１つの導波路１２０は、光１３５の第１の偏光部分を伝え、他の１つの導波路１２２は、光１３５の異なる第２の偏光部分を伝える。いくつかの場合には、それぞれの導波路１２０、１２２を通る第１および第２の偏光部分は、両方とも光１３５の横電場（ＴＥ）モードであり、または両方とも光１３５の横磁場（ＴＭ）モードであり、これらのモードは、互いに直交する偏光状態である。光１３５は、２つの導波路１２０、１２２の一つ一つによって、デバイス１００のフォトダイオード１５０の異なる端に別々に送られることがある。光１３５によって伝えられる光信号は、フォトダイオード１５０によって電子信号に変換される。電子信号は、電気信号の更なる処理を容易にするためにデバイス１００の電気部品（図示されない）、例えばトランス・インピーダンス増幅器および電子集積回路に送られることがある。
【００２６】
図１にさらに示されるように、光学デバイス１００は、さらに、平面基板１１０の上に（例えば、基板の平面の上に）位置付けられた光ファイバ１６０を含むことができる。しかし、他の実施形態では、光１３５は、レーザまたはレンズなどの他の光源によって回折格子１３５に伝送されることがある。いくつかの場合には、光ファイバ１６０は、２次元回折格子１１５に向けてまたは２次元回折格子１１５から（または、その両方のやりとりで）光１３５を通すように構成されることがある。いくつかの場合には、ファイバ１６０の長軸１６５は、基板１１０に対して実質的に直角の角度１４０に方向付けられる。例えば、長軸１６５は、平面基板１１０の平面表面の法線ベクトルに対して約±１５度以内であるように位置合せされることがある。いくつかの実施形態では、光ファイバ１６０は、平面基板１１０に対して直角の角度１４０から非ゼロ入射角１６７だけ傾けられる。例えば、入射傾斜角１６７を約２から１０度の範囲で直角の角度１４０からずらすことで、有利なことには、光反射による光１３５の損失を減少させることができる。以下でさらに説明されるように、直角の角度１４０からずれた非ゼロ入射傾斜角１６７は、また、異なる光の２つの特定の波長が、両方の波長で位相整合の状態で、回折格子１１５を通過するのを容易にするように調節することができる。
【００２７】
回折格子１１５の隣接する光屈折構造２０５間の特定の中心間距離２３０は、１つまたは複数の導波路１２０、１２２での光伝播の実質的非平行方向２２２、２２４に特定の波長の光を結合することに適応するように調節することができる。例えば、図１および２に示された正方形格子に基づいた例示的な回折格子１１５を参照すると、光１３５の波長（８１）は、約ａ・ｎｅｆｆ／√２に等しいことがあり、ここで、ａは、光屈折構造２０５の与えられた列２１０または行２１２中の光屈折構造２０５の隣接するものの間の中心間距離２３０であり、ｎｅｆｆは、２次元回折格子１１５の実効屈折率である。例えば、ａは、図示の２Ｄ回折格子１１５の正方形格子の格子間隔である。当業者は、例えば、回折格子１１５の格子構造の固有モードを数値的に解いて伝播定数を計算しそれによってｎｅｆｆを計算することによって、どのようにｎｅｆｆを計算するかを理解するであろう。したがって、光学デバイス１００を通して特定の波長（８１）の光１３５を伝送するために、回折格子１１５は、ａの値が８１・√２／ｎｅｆｆの条件を満たす（例えば、ａ＝８１・√２／ｎｅｆｆ）ように作られることがある。例として、光学コア層１２５が結晶シリコンを含み、その中の回折格子１１５が２．９の実効屈折率（ｎｅｆｆ）を有する時を考えよう。波長（８１）１．２７ミクロンの光１３５を伝送するために、好ましくは、ａは約０．６２ミクロンに等しい。
【００２８】
いくつかの場合に、中心間距離２３０（例えば、格子間隔ａ）は、同じ行２１２に整列された光屈折構造２０５の全てに対して同じである。いくつかの場合には、同じ中心間距離２３０が、隣接する行２１２の間に存在している。例えば、中心間距離２３０は、同じ列２１０の隣接する光屈折構造２０５の間で同じである。しかし、他の場合には、隣接する行２１２の光屈折構造２０５間の中心間距離に、一連の連続的な変化があることがある。例えば、行２１２間の中心間距離２３０の連続的な変化は、当業者にはよく知られているアポディゼーション関数（例えば、線形チャープされるか別の方法でチャープされる）によって定義可能である。
【００２９】
また、図１に示されるように、いくつかの実施形態では、２次元回折格子１１５は、さらに、第２の光１７０を伝送するように、または受け取るように構成されることがある。回折格子１１５を通した第２の光１７０の伝送または受取りは、上で説明されたようなものなどの第１の光１３５の伝送または受取りと同時に行われることがある。
【００３０】
第２の光１７０は、光学コア層１２５中の他の導波路１７５を通って伝播されることがある。この他の導波路１７５の端１７６は、２次元回折格子１１５に光学的に結合されている。上述の導波路１２０、１２２とは対照的に、他の導波路１７５は、他の導波路１７５を通るまたは導波路１７５の端１７６近くでの第２の光１７０の伝播の方向１７７が、回折格子１１５のノードの位置（例えば、光屈折構造２０５の行２１２または列２１０の少なくとも１つ）を定義する基本格子ベクトルに実質的に平行であるように、２次元回折格子１１５に光学的に結合されている。
【００３１】
第２の光１７０の伝播の方向１７７が行２１２または列２１０に実質的に平行であるという条件は、列２１０または行２１２の少なくとも１つを通る直線２２０と、他の導波路１７５を通るまたは導波路１７５の端１７６近くでの光伝播の直線方向２４０との間に、約１０度未満に等しい交差角２３５があるとき満たされる。
【００３２】
第１の光１３５に関して上で述べられたのと同様に、隣接する光屈折構造２０５間の中心間距離２３０は、第２の光１７０の特定の波長（８２）に対応するように調節可能である。例えば、図１および２に示された回折格子１１５の正方形格子間隔を考えよう。光１７０の波長（８２）は、約ａ・ｎｅｆｆに等しく、ここで、ａは、与えられた列２１２または行２１０の光屈折構造２０５の隣接するものの間の中心間距離２３０であり、ｎｅｆｆは、２次元回折格子１１５を含めて光学コア層１２５に隣接するクラッド層または複数のクラッド層１３０、１３２の屈折率である。例として、シリコンで構成される光学コア層１２５が２．９の実効屈折率（ｎｅｆｆ）を有するときを考えよう。回折格子１１５を通して波長（８２）１．５７７ミクロンの第２の光１７０を伝送するために、好ましくは、ａは約０．５４ミクロンに等しい。
【００３３】
いくつかの実施形態では、第２の光１７０は、基板１１０の平面に対して実質的に直角である角度１４０で回折格子１１５を出ることができる。例えば、第１の波長を有する光１３５は、平面基板１１０の上に位置付けられた光ファイバ１６０を通して２次元回折格子１１５に伝送されることがあり、異なる第２の波長を有する第２の光１７０は、角度１４０で２次元回折格子１１５から出て同じ光ファイバ１６０に入るように伝送されることがある。いくつかの場合には、１つまたは複数の導波路１２０、１２２を通過する第１の光１３５は、また光学デバイス１００の光学フィルタ１５５も通過し、フィルタ１５５は、第１の波長に最大透過効率を持ち、かつ第２の光１７０の第２の波長に最小透過効率を持つように構成されている。
【００３４】
代わりに、他の実施形態では、第１の光１３５と第２の光１７０の両方が、基板１１０の平面に対して実質的に直角である角度１４０で回折格子１１５に入ることができ、第１の光１３５は、回折格子１１５を出て１つまたは複数の導波路１２０、１２２に入ることができるが、一方で、第２の光は回折格子１１５を出て他の導波路１７５に入ることができる。当業者は、本開示に基づいて、デバイス１００のさらに他の実施形態において、光１３５、１７０がどのように回折格子１１５に向けてまたは回折格子１１５から伝送されるかを理解するであろう。
【００３５】
２つの異なる波長の光１３５、１７０を使用するデバイス１００の実施形態では、光１３５と第２の光１７０の２つの特定の波長に対応するように、中心間距離２３０（例えば、格子間隔ａ）と実質的に直角の角度１４０との両方を協働可能に調節することが有利なことがある。例えば、中心間距離２３０および角度１４０は、次の関係を同時に満たす値を持つことができる。
【００３６】
【数１】
2012533089.tif 000003
ここで、ｋｉｎ，Ｘ＝２πｎｃｌ／（８２）およびｋｏｕｔ，Ｘ＝２πｎｅｆｆ／（８２）、
および、
【００３７】
【数２】
2012533089.tif 000004
ここで、ｋｉｎ，Ｍ＝２πｎｃｌ／（８１）およびｋｏｕｔ，Ｍ＝２πｎｅｆｆ／（８１）、さらに、８１は光１３５の第１の波長であり、８２は第２の光１７０の第２の波長であり、θは、平面基板１１０に対して実質的に直角である角度１４０から外れた入射角１６７である。続けて同じ例に関して、光学コア層１２５およびクラッド層１３０、１３２がシリコンおよびシリコン酸化物からそれぞれ成り、８１および８２が約１．２７および１．５７７ミクロンにそれぞれ等しい場合を考えよう。そのような場合に、好ましくは、ａは約０．５９ミクロンに等しく、θは約８．７度に等しい（例えば、角度１４０は約９１．３度に等しい）。
【００３８】
図３に示されるようなものなどのいくつかの実施形態では、光屈折構造２０５は、光学コア層１２５中に穴３１５（例えば、ある形と大きさに作られた穴）を含むか、穴３１５であることがある。同じ行２１２の穴３１５の隣接するものは、同じ中心間分離距離２３０を有する。いくつかの実施形態で、穴３１５の少なくとも１つの横寸法３２５（例えば、正方形穴の幅または長さ）は、分離距離２３０の約２分の１に等しい。例えば、中心間分離距離２３０が約０．６ミクロンに等しいとき、横寸法３２５は約０．３ミクロンに等しい。いくつかの実施形態では、穴３１５の各々は、約０．０９０ミクロンの同じ深さ３３０を有する。代わりに、他の実施形態では、光屈折構造２０５は、光学コア層１２５から形成された柱（図示されない）を含むか、柱であることがある。この柱は、上述の穴３１５と同様な寸法を持つことができる。
【００３９】
図１および２に示されたようなデバイス１００のいくつかの実施形態では、光学デバイス１００は、平面表面１１１を有しかつその上に光学コア１２５を有する基板１１０、を備える。デバイス１００は、また、光学コア１２５中に位置付けられた２次元回折格子１１５を備え、前記２次元回折格子１１５は、光屈折構造２０５の規則的な２次元パターンによって形成され、１つの前記光屈折構造２０５が、外側有界領域２０８中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子２０７の各ノードに位置付けられている。デバイス１００は、また、平面基板上に在って２次元回折格子に端結合された端１７６、１４５を有する第１および第２の光導波路１７０、１２０、を備え、第１の光導波路１７０は、その端１７６近くでの伝播の方向１７７が前記２Ｄ格子の基本格子ベクトル（例えば、列２１０、行２１２）に実質的に沿っているようになっており、第２の光導波路１２０は、その端１４５近くでの伝播の方向１４７が規則的な２Ｄ格子２０７の基本格子ベクトル（例えば、列２１０、行２１２）に平行でないようになっている。
【００４０】
図１および２に示されたようなデバイス１００のいくつかの実施形態では、光学デバイス１００は、平面表面１１１を有しかつその上に光学コア１２５を有する基板１１０、を備える。デバイス１００は、また、光学コア１２５中に位置付けられた２次元回折格子１１５を備え、前記２次元回折格子１１５は、光屈折構造２０５の規則的な２次元パターンによって形成され、１つの前記光屈折構造２０５が、外側有界領域２０８中に位置付けられた規則的な２Ｄ格子２０７の各ノードに位置付けられている。デバイス１００は、また、平面基板１１０上に在って２次元回折格子１１５に端結合された端１４５を有する１つまたは複数の光導波路１２０、１２２、を備える。１つまたは複数の光導波路１２０、１２２は、その前記端１４５近くでの伝播の方向１４７が規則的な２Ｄ格子２０７の非基本格子ベクトルに実質的に沿っているようになっている。いくつの実施形態では、例えば、１つまたは複数の導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播の方向１４７は、規則的な２Ｄ格子２０７の非基本格子ベクトルに実質的に平行である（例えば、隣接する列２１０または行２１２から斜めに整列された光屈折構造２０５に実質的に平行であるか、または行２１２および列２１０に非平行である）。
【００４１】
図１および２に示されたようなデバイス１００のいくつかの実施形態では、デバイス１００は、平面基板１１０上に位置付けられた光カプラ１０５を備える。光カプラ１０５は、２次元回折格子１１５と１つまたは複数の導波路１２０、１２２を含み、その両方とも平面基板１１０上の光学コア層１２５中にある。２次元回折格子１１５は、光屈折構造２０５の周期的な配列を含み、光屈折構造２０５は、列２１０と行２１２を成して互いに整列されている。２次元回折格子１１５は、平面基板１１０に対して実質的に直角である角度１４０で光１３５を受け取るように、または伝送するように構成されている。１つまたは複数の導波路１２０、１２２の各々の一端１４５は、１つまたは複数の導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播１４７の方向が行２１２および列２１０に実質的に非平行であるように２次元回折格子１１５に光学的に結合されている。
【００４２】
他の実施形態は、上述の光学デバイスを使用する方法である。図４は、図１〜３の背景で述べられた光学デバイス１００のような例示的な光学デバイスを使用する例示的な方法４００の選ばれたステップを示す流れ図である。
【００４３】
図４に示されるように、続けて図１〜３に関して、本方法４００は、光カプラ１０５を通して光１３５を伝送するステップ４０５を含む。ステップ４０５での光１３５の伝送は、光１３５を光学コア層１２５中の２次元回折格子１１５に向けて送るステップ４１０を含むことができる。ステップ４１０で、光１３５は、光学コア層１２５が位置付けられている平面基板１１０に対して実質的に直角である角度１４０で送られる。例えば、光は、平面基板１１０に対して実質的に直角である角度１４０の方向に沿って伝送される。ステップ４１０は、上で述べられたようなものなどの光１３５、１７０の特定の波長の伝送を容易にするように、入射傾斜角１６７によって角度１４０を調節することを含むことができる。いくつかの場合には、光１３５は、光ファイバ１６０を介して伝送されることがあり、ファイバ１６０の少なくとも一部は、角度１４０に合わされた長軸１６５を有している。または、レーザまたはレンズのような他の光源が、角度１４０の方向に光１３０を送ることができる。上で述べられたように、２次元回折格子１１５は、規則的な２Ｄ格子の外側有界部分のノードに位置付けられた光屈折構造２０５のパターンを含む。例えば、光屈折構造２０５は、光屈折構造２０５の列２１０と行２１２を形成するように位置付けられることがある。また述べられたように、行２１０、２１２は、回折格子１１５の基本格子ベクトルに非平行な方向に整列されることがある。
【００４４】
ステップ４０５での光１３５の伝送は、光１３５が２次元回折格子１１５を出て光学コア層１２５中の１つまたは複数の導波路１２０、１２２に入るように、光１３５を２次元回折格子１１５で回折させるステップ４１５を含むことができる。導波路１２０、１２２の各々の一端１４５は、導波路の端１４７近くを含めて導波路１２０、１２２中のまたは導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播の方向１４７が基本格子ベクトル（例えば、いくつかの場合には、行２１２または列２１０）に実質的に非平行であるように、２次元回折格子１１５に光学的に結合される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、光１３５の伝播方向は逆にされる。例えば、光１３５は、１つまたは複数の導波路１２０、１２２から２次元回折格子１１５に入り、また光１３５は、実質的に直角の角度１４０で回折格子１１５を出る。
【００４６】
いくつかの実施形態では、方法４００は、さらに、光カプラ１０５を通して第２の光１７０を伝送するステップ４２０を含み、第２の光１７０は、光１３５と異なる波長を有する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ステップ４２０での第２の光１７０の伝送は、光学コア層１２５中の他の導波路１７５に第２の光１７０を通すことによって第２の光１７０を２次元回折格子１１５に向けて送るステップ４２５を含むことができる。この他の導波路１７５の端１７５は、導波路の端１７６近くを含めて他の導波路１７５中のまたは他の導波路１７５を通る第２の光１７０の伝播の方向１７７が、基本格子ベクトル（例えば、いくつかの場合には、行２１２または列２１０の少なくとも１つ）に実質的に平行であるような角度２３５で、回折格子１１５に光学的に結合される。ステップ４２０での第２の光１７０の伝送は、また、第２の光１７０が実質的に直角の角度１４０で２次元回折格子を出るように、回折格子１１５で第２の光１７０を回折させるステップ４３０を含むことができる。例えば、第２の光１７０は、角度１４０に沿って基板の平面から外へ上方に回折格子１１５を出て光ファイバ１６０に入ることができ、その光ファイバ１６０の少なくとも一部は、実質的に直角の角度に沿った長軸１６５を有する。
【００４８】
他の実施形態では、ステップ４２０での第２の光１７０の伝送は、代わりに、第２の光１７０を２次元回折格子１１５に向けて送るステップ４３５を含むことができ、第２の光１７０は、実質的に直角の角度１４０で送られる。例えば、第２の光１７０は、第１の光１３５が通って送られるのと同じ光ファイバ１６０を通って回折格子１１５に向けて送られることがある。ステップ４２０での第２の光１７０の伝送は、また、第２の光１７０が、回折格子１１５のノードの位置を定義する格子の基本格子ベクトルに実質的に平行（例えば、いくつかの場合には、光反射構造２０５の列２１０または行２１２の少なくとも１つに平行）である角度２３５の方向に、上述の他の導波路１７５を通って２次元回折格子を出るように、回折格子１１５で第２の光１７０を回折させるステップ４４０を含むことができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、方法４００は、さらに、光学コア層１２５より下で平面基板１１０上に位置付けられた反射構造３１０を使用して、光学コア層１２５より下に散乱された回折光の一部（例えば、ステップ４１０で送られた光）を反射するステップ４５０を含むことができる。
【００５０】
いくつかの実施形態では、方法４００は、さらに、１つまたは複数の導波路１２０、１２２に送り込まれた光１３５をフィルタ処理するステップ４６０を含む。例えば、光１３５は、光１３０の波長に対して最大透過効率を有しかつ第２の光１７０の異なる波長に対して最小透過効率を有する１つまたは複数の光学フィルタ１５５に通されることがある。
【００５１】
いくつかの実施形態では、方法４００は、光１３０で伝えられた光信号を電気信号に変換するステップ４７０を含むことができる。例えば、変換ステップ４７０は、光１３０を導波路１２０、１２２から、導波路１２０、１２２に光学的に結合されたフォトダイオード１５０に通すことによって容易にすることができる。
【００５２】
本開示に基づいて、図４にさらに示されるように、第２の光１７０が、また、それぞれステップ４５０、４６０および４７０に従って反射され、フィルタ処理され、さらに変換されるかもしれないことを、当業者は理解するだろう。
【００５３】
いくつかの実施形態では、方法４００は、光カプラ１０５を通して光１３５を伝送すること（ステップ４０５）を含む。光カプラ１０５を通した光１３５の伝送（ステップ４０５）は、光学コア層１２５中の上述の２次元回折格子１１５に向けて光１３５を送ること（ステップ４１０）を含む。光１４０は、光学コア層１２５が位置付けられている平面基板１１０に対して実質的に直角である角度１４０で送られる。光カプラ１０５を通した光１３５の伝送（ステップ４０５）は、また、光１１５が、２次元回折格子１１５を出て、上述のように２次元回折格子１１５に光学的に結合された１つまたは複数の導波路１２０、１２２に入り、その結果、１つまたは複数の導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播の方向が行２１２か列２１０のどちらかに実質的に非平行になるように、２次元回折格子１１５で光１３５を回折させること（ステップ４１５）を含む。
【００５４】
他の実施形態は、光学デバイスを製造する方法である。図５は、図１〜３の背景で述べられた光学デバイス１００のような光学デバイスを製造する例示的な方法５００の選ばれたステップを示す流れ図である。
【００５５】
続けて図１〜３に関して、方法５００は、平面基板１１０上に光カプラ１０５を製作するステップ５０５を含む。ステップ５０５での光カプラ１０５の製作は、２次元回折格子１１５を形成するステップ５１０を含むことができる。ステップ５１０での２次元回折格子１１５の形成は、今度は、基板１１０上に光学コア層１２５を形成するステップ５１５を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ステップ５１５で、単結晶シリコンのような結晶材料層が基板１１０に接合されることがある。
【００５６】
いくつかの場合には、ステップ５１５で光学コア層１２５を形成するより前に、ステップ５１７で、反射構造３１０が基板１１０上に形成される。ステップ５１７の一部として、例えば、金属層が基板１１０に接合されることがあり、または異なる屈折率を有する材料の層が、分布ブラッグ反射体を形成するように基板１１０上に接合され、成長され、または堆積されることがある。
【００５７】
いくつかの場合には、ステップ５１５で光学コア層１２５を形成するより前に、ステップ５１８で、下部クラッド層１３０が基板１１０上に形成される。例えば、いくつかの場合には、シリコン酸化物クラッド層１３０がシリコン基板１１０上に熱的に成長され、または、いくつかの場合には、クラッド層１３０は反射構造３１０の直ぐ上に形成される。
【００５８】
ステップ５１０での２次元回折格子１１５の形成は、光屈折構造２０５の配列（例えば、規則的な２Ｄ配列）を形成するように光学コア層１２５をパターニングするステップ５２０も含む。例えば、標準的なフォトリソグラフィおよびエッチングの手順が、ステップ５２０の一部として行われて、光屈折構造２０５の列２１０および行２１２を形成するように互いに整列された光屈折構造２０５を形成するために、光学コア層１２５に隆起した特徴（例えば、柱）または穴を形成することができる。いくつかの場合には、行２１２は、列２１０に相対的に非平行である。例えば、パターニング・ステップ５２０は、光学コア層１２５に穴３１５をエッチングすることを含むことができる。穴３１５の各々が、光屈折構造２１５の個別のものを含むことができる。同じ行２１２の中の穴３１５の隣接するものは、同じ分離距離３２０を有することがあり、穴の少なくとも１つの横寸法３２５は、分離距離３２０の約２分の１に等しいことがある。
【００５９】
ステップ５０５での光カプラ１０５の製作は、１つまたは複数の導波路１２０、１２２を形成するように光学コア層１２５をパターニングするステップ５２５も含むことができる。上で述べられたように、導波路の端１４５近くを含めて導波路１２０、１２２中のまたは導波路１２０、１２２を通る光１３０の伝播の方向が、２Ｄ回折格子１１５の格子を定義する基本格子ベクトル（例えば、いくつかの場合には、行２１２か列２１０かのどちらか）に実質的に非平行であるように、導波路１２０、１２２の各々の一端１４５は、２次元回折格子１１５に光学的に結合（例えば、端結合）される。例えば、標準的なフォトリソグラフィとエッチングの手順が、光学コア層１２５からリッジ導波路１２０、１２２を形成するためにステップ５２０の一部として行われることがある。
【００６０】
いくつかの実施形態では、ステップ５０５での光カプラ１０５の製作は、また、２次元回折格子１１５に光学的に結合（例えば、端結合）された他の導波路１７５を形成するように光学コア層１２５をパターニングするステップ５３０を含むことができる。導波路１７５は、導波路端１７６近くを含めてこの他の導波路１７５を通る第２の光１７０の伝播の方向１７７が、２Ｄ回折格子１１５の基本格子ベクトルの１つ（例えば、いくつかの場合には、光屈折構造２０５の行または列２１０、２１２の少なくとも１つ）に実質的に平行であるように、回折格子１１５に結合される。例えば、標準的なフォトリソグラフィとエッチングの手順が、光学コア層１２５からリッジ導波路１７５を形成するためにステップ５３０の一部として行われることがある。
【００６１】
いくつかの場合には、ステップ５２０、５２５、および５３０にそれぞれ従って、同じ標準的なフォトリソグラフィとエッチングの手順が、回折格子１１５、１つまたは複数の導波路１２０、１２２、および他の導波路１７５を実現するように行われる。いくつかの場合には、ステップ５２０、５２５、および５３０は、同時に行われる。
【００６２】
いくつかの実施形態で、光カプラの製作（ステップ５０５）の一部として、ステップ５２０、５２５および５３０を行った後で、ステップ５５５で、上部クラッド層１３２が、回折格子１１５、１つまたは複数の導波路１２０、１２２および他の導波路１７５の上に形成される。例えば、ステップ５１８で下部クラッド層１３０を形成するために上で述べられたのと同じ材料およびプロセスが、また、シリコン酸化物の上部クラッド層１３２を形成するためにステップ５５５で使用されることがある。
【００６３】
いくつかの実施形態では、光学デバイス１００の製造は、さらに、光ファイバ１６０が２次元回折格子１１５に光学的に結合されるような具合に、平面基板１６０に対して実質的に直角である角度１４０で平面基板１６０の上に光ファイバ１６０を設置するステップ５６０を含む。例えば、ファイバ１６０の少なくとも一部の長軸１６５は、角度１４０に合わされる。いくつかの場合には、ステップ５６０での光ファイバ１６０の設置は、例えば、上で述べられたようなものなどの光１３５、１７０の特定の波長の透過を容易にするために、直角の角度から入射角１６７だけずらすようにファイバを傾けることを含むことができる。上で述べられたように、２次元回折格子１１５は、光ファイバ１６０を通って伝播された光１３０を伝送するように、または受け取るように構成される。
【００６４】
方法５００のいくつかの実施形態は、平面基板１１０上に光カプラ１０５を製作すること（ステップ５０５）を含む。光カプラ１０５の製作（ステップ５０５）は、２次元回折格子１１５を形成すること（ステップ２１０）を含み、これ（ステップ２１０）は、基板１１０上に光学コア層１２５を形成すること（ステップ５１５）および光屈折構造２０５の周期的な配列を形成するように光学コア層１２５をパターニングすること（ステップ５２０）を含む。光屈折構造２０５は、光屈折構造２０５の列２１０および行２１２を形成するように互いに整列される。光カプラの製作（ステップ５０５）は、また、導波路１２０、１２２の各々の一端１４５が２次元回折格子１１５に光学的に結合され、かつ１つまたは複数の導波路１２０、１２２を通る光１３５の伝播の方向が行２１２か列２１０かのどちらかに実質的に非平行であるような具合に、上述の１つまたは複数の導波路１２０、１２２を形成するように、光学コア層１２５をパターニングすること（ステップ５２５）を含む。
【００６５】
当業者は、光学デバイス１００の製造を完成するために必要とされる可能性がある追加のステップをよく知っているだろう。例えば、ステップ５７０で平面基板上に形成することができるフォトダイオード１５０を形成するために、従来の手順が追従されることがある。
【００６６】
実験
本開示の実施形態のさらなる態様は、次の実験によって例示される。
【００６７】
ダイプレクサＰＩＣとして構成された光学デバイス１００は、実質的に図１に示されるように配置された。試験デバイス１００は、商業的製造工場で８インチウェーハ上に製作された。導波路１２０、１２２、１７５は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板１１０上の厚さ約２２０ｎｍのシリコン・リッジ導波路であった。フォトダイオード１５０は、シリコン導波路１２０、１２２の直ぐ上に成長されたゲルマニウムであり、参考文献１に説明されているのと同じように、ゲルマニウムの最上部がｎドーピングされ、シリコンの両側がｐドーピングされている。ゲルマニウム領域は、８×１００×０．５立方ミクロンであった。フォトダイオード１５０の暗電流は、約１ボルトで約１００ｎＡであった。フォトダイオード１５０の帯域幅は、約５０Ωの負荷で、約５ＧＨｚであった。
【００６８】
横電場（ＴＥ）偏光された波長（８２）１５７７ｎｍの光１７０が、エッジ・ファセットから回折格子１１５に向けて送られた（図１に示されない）。デバイス１００の他の実施形態では、光１７０は、導波路１７５に直接取り付けられたレーザから来ることができた。光１７０は、回折格子１１５を通って光ファイバ１６０の中へ垂直に出た。この同じ回折格子１１５に、波長（８１）１２７０ｎｍの光１３５が送り込まれた。ファイバ１６０中の２つの直交する偏光（両方とも、ＴＥ偏光）は、分離されて２つの導波路１２０、１２２に送られた。各偏光成分はマッハ・ツェンダ（ＭＺＩ）干渉計フィルタ１５５を通過し、この干渉計は１５７７ｎｍにゼロを有し１２７０ｎｍにピークを有していた。次に、光は単一フォトダイオード１５０に進み、参考文献２に説明されまた図１に示されたものと同じように、一方の偏光成分がフォトダイオード１５０の各端に当たった。
【００６９】
光屈折構造２０５の正方形格子のＸ方向だけを使用する回折格子とは対照的に、開示された回折格子１１５は、ＸとＭの両方向を使用する。両方向を使用することで、以下でさらに例示されるように、ファイバ傾斜角１６７の減少が可能になる。
【００７０】
図６は、例示的な回折格子（図１の回折格子１１５のようなもの）における光回折の模式的な表現を空間周波数領域で示す。図６から、位相整合条件は、
【００７１】
【数３】
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であり、ここで、ｋは材料中のＴＥ偏光の伝播定数であり、θは、Ｘ方向に沿った垂線からのファイバの傾斜角１６７である。式（１）は、波長１５７７ｎｍの光１７０に関するものであり、式（２）は、波長１２７０ｎｍの光１３５に関するものである。例えば、ｋｉｎ，Ｘ＝２πｎｃｌ／８２およびｋｏｕｔ，Ｘ＝２πｎｅｆｆ／８１である。正のθは、フォトダイオード１５０の方へファイバ１６０を傾斜させることに対応する。シリコン酸化物およびシリコンでは、それぞれｎｃｌ＝１．４５およびｎｅｆｆ＝２．９である。式（１）および（２）を解くと、ａ＝０．５９μｍおよびθ＝８．７°となる。
【００７２】
図６から明らかなように、Ｍ方向に回折格子１１５を出て行く光１３５は、Γ−Ｍ線から僅かに傾斜している。このように、１２７０ｎｍ光１３５信号用の出力導波路１２０、１２２は、参考文献３（ＶＩ）に述べられているように互いに遠ざかるように回転されなければならない。この回転は、ここに示された実験的光学デバイス１００に組み込まれなかったので、追加的な挿入損失が生じた。
【００７３】
ＸとＭの両方向を使用することの有利点は、大きなθを必要とすることなしに大きな波長差のある光信号に対して位相整合を得ることができるということである。それに比べて、参考文献３に提案されているような波長と偏光の両方のためにＸ方向だけを使用する設計では、ａ＝０．４９ミクロンとθ＝１７．７°を必要とするだろう。しかし、そのような大きな傾斜角１６７は、許容できないほど大きな偏光依存性損失を引き起こすだろう（参考文献４、５を参照されたい）。というのは、そのような傾斜したファイバ１６０中の２つの直交する光偏光のうちの一方（例えば、その電場が傾斜角１６０の面内で振動している偏光）は、他方の偏光に比べて減少したＴＥ成分を有するからである。
【００７４】
屈折率整合オイルがファイバ・ファセットと回折格子１１５の間にある状態で、光を回折格子１１５に垂直に結合する劈開ファイバ１６０を使用して、下流光１３５を送り出し、かつ上流光１７５を集めた。１つの試験デバイス１００では、ａは約０．５７ミクロンに等しく、この値は、先に言及された０．５９ミクロンの理想的なａと違っているので、式（１）と（２）を同時に満たすθはなかった。約２度のθが妥協として使用された。波長１５７７ｎｍの下流光１７５に関して、約２．５ミクロンのスポット・サイズを持つレンズ・ファイバ（図１に示されない）を使用して光１７５をファセット・ポートに結合した。
【００７５】
図７は、θが約２度に等しい状態の例示的なデバイス１００に関して、１５７７ｎｍ波長領域で測定された、ファセット・ファイバから回折格子ファイバへのファイバ間透過率を示す。図７は、ＴＥ偏光と横磁場（ＴＭ）偏光の両方について透過率を示している。パラメータは最適でないので、ピークは１５７７ｎｍにない。θを約５度であるように調節することによって、ピークは約１５７７になり、結果として、図８に示されるようなこの例示的な代替のデバイス１００の透過率曲線になった。図７に比べて、図８に示された曲線の改善された偏光消光比は、おそらく、ファイバ１６０が垂線からさらに傾けられて結果として回折格子１１５の端から散乱された光の結合がより少なくなったためであり、位相整合はそれほどの役割を果たさないし、光は全体的に直角方向に散乱されている。
【００７６】
図９は、θが約２度に等しい状態の例示的なデバイス１００に関して、１２７０ｎｍ波長領域で、回折格子１１５からフォトダイオード１５０までの正味応答度を示している。この正味応答度は、光ファイバ１６０の結合を含んでいる。ピーク応答度は、約１２７０ｎｍで約０．１Ａ／Ｗに等しく、これは、理想的な応答度が約１．０Ａ／Ｗであることを考えると、≒１０ｄＢの過剰損失に対応する。推定損失の内訳は次の通りである。回折格子１１５によって５．５ｄＢ、ＭＺＩフィルタ１５５によって３．０ｄＢ、およびフォトダイオード１５０の応答度によって１．５ｄＢである。試験回折格子１１５の損失は、Ｘ方向だけを使用する損失に匹敵するものであり、回折格子１１５のＭ方向を使用する本開示の方法が成功していることを示している。
【００７７】
下流のファイバからファイバへの伝送の場合のフォトダイオード１５０の応答は、レンズ・ファイバから導波路１７０を通して波長１５７７ｎｍの光１７５を発射しそれを垂直ファイバ１６０で集めることによって観察された。これは、下流信号からの上流信号のオン・デバイス光分離を定量化する。図１０は、例示的なデバイス１００に関して、１５７７ｎｍ波長領域で、フォトダイオード１５０の測定された正味応答度（ファセットからフォトダイオードまで）を示している。約２０ｄＢの分離が観察された。漏れの一部は、おそらく、ファイバ結合によるファセットでの散乱光によっているが、これは、レンズ・ファイバが切り離されたときの光電流に注意することによって決定され、さらに漏れの一部は回折格子カプラによる散乱のためである。
【００７８】
他の実験は、θが約２度に等しい状態の、図１１Ａに示されるような例示的なデバイス１００構成を使用して行われた。図１１Ｂは、図１１Ａに示されたデバイスに関して、回折格子に達する直前のファイバにおける測定されたビット誤り率対受取り光パワーを示し、挿入図は１００ｐｓ／目盛のスケールで光パワー出力の例を表している。
【００７９】
１２７０ｎｍの波長を有する光１３５が、直接変調（例えば、３Ｇｂ／ｓのデータ伝送速度の２３１−１の疑似ランダム・ビット列ＰＲＢＳ）された分布帰還型レーザ１１１０から回折格子１１５に入射された。レーザ光１３５信号は、デバイス１００に入る前に、機械的偏光スクランブラ１１１５および可変光減衰器１１２０を通過した。光ファイバ１６０の場所は、最小偏光依存性損失の位置を見出すために回折格子１１５に対して横方向に調節された。この位置は、１つの偏光に対して最適化結合である位置に比べて応答度がほぼ３ｄＢ低かった。この追加の損失は、回折格子１１５をアポダイズ（ａｐｏｄｉｚｅ）することによって減少するかもしれない（例えば、参考文献３（ＶＩ）を参照されたい）。図１１Ｂは、偏光スクランブラ１１１５がオンにされない状態とオンにされた状態での、測定されたビット誤り（ＢＥＲ）率対受取り光パワー（回折格子１１５直前のファイバ１６０での）を示す。偏光スクランブラがオンの状態での損失は、１０−９ＢＥＲで約１．３ｄＢに等しかった。この低損失は、本開示の偏光ダイバーシチ方式が効果的であることを示している。
【００８０】
次の参考文献は、その全体が本明細書に組み込まれる。
１．Ｊ．Ｗａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｇｅ  ｐ−ｉ−ｎ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｏｎ  Ｓｉ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｗｉｔｈ  ＳＥＧ−Ｇｅ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｌａｔｅｒａｌ  ａｎｄ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｐ−ｉ−ｎ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，”  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．２９，ｐｐ．４４５−４４８，Ｍａｙ  ２００８．
２．Ｃ．Ｒ．Ｄｏｅｒｒ，Ｍ．Ｚｉｒｎｇｉｂｌ，Ｃ．Ｈ．Ｊｏｙｎｅｒ，Ｌ．Ｗ．Ｓｔｕｌｚ，ａｎｄ  Ｈ．Ｍ．Ｐｒｅｓｂｙ，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９，ｐｐ．８５−８７，Ｊａｎ．１９９７．
３．Ｗ．Ｂｏｇａｅｒｔｓ，Ｄ．Ｔａｉｌｌａｅｒｔ，Ｐ．Ｄｕｍｏｎ，Ｄ．Ｖａｎ  Ｔｈｏｕｒｈｏｕｔ，Ｒ．Ｂａｅｔｓ，ａｎｄ  Ｅ．Ｐｌｕｋ，“Ａ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｕｐｌｅｘｅｒ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｗｉｒｅｓ，”  Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．，ｐｐ．１５６７−１５７８，２００７．
４．Ｆ．Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅ，Ｗ．Ｂｏｇａｅｒｔｓ，Ｐ．Ｄｕｍｏｎ，Ｇ．Ｒｏｅｌｋｅｎｓ，Ｄ．Ｖａｎ  Ｔｈｏｕｒｈｏｕｔ，ａｎｄ  Ｒ．Ｂａｅｔｓ，“Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｃｏｕｐｌｅｒｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，”  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２７，ｐｐ．６１２−６１８，Ｍａｒ．２００９．
５．Ｆ．Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ  ｃｈｉｐ，”  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２７，ｐｐ．４１７−４２５，２００９．
【００８１】
実施形態が詳細に説明されたが、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなしに本明細書に様々な変化、置き換え、および変更を加えることができることを理解すべきである。
【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】
2012533089.tif 000015
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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