JP2005516252A - マルチモード干渉光導波路装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも1つの中空コア入力導波路(30、34、36)に光学的に結合された中空コアマルチモード導波路(32)を含み、これらの中空コア導波路の内部表面に反射コーティング(92)を有するマルチモード干渉(MMI)装置(90)を説明する。コーティングは、金属又は多層の誘電体スタックのような作動波長で屈折率の低い材料とすることができる。このような「MMI」装置を使用する共振器(150)及び光増幅器(110)も説明する。
Description
本発明の目的は、代替の「MMI」光導波路装置を提供することである。
本発明の中空コア「MMI」装置は、ビーム結合器、ビーム分割器、多重ビーム強度分割器などとして作動することができる。
また、中空コア導波路を様々な方法で生成することができることにも注意すべきである。導波路は、単体の材料片で形成することができ、それらはまた、2つの別々の材料片(底及び蓋のような)で形成することができ、又は、複数の異なる材料片(例えば、互いに配置されると必要な基本モード及びマルチモード導波路領域を形成する材料の別々の部分)で形成することができる。
有利な態様においては、反射コーティングは、作動波長帯域内で屈折率が導波路コアの屈折率よりも低い材料の層を含む。中空導波路コアよりも屈折率が低い材料の層は、「MMI」装置内で光の内部全反射(TIR)を生じ、それによって低い付随レベルの光損失を有する中空コア装置をもたらす。
従って、金、銀、又は銅の特性は、遠隔通信波長帯域における作動に対して(すなわち、約1.55μmを中心とした波長での使用に対して)「MMI」装置に含ませるのにこれらの金属を特に適するものにする。
金属は、金属の物理的特性によって支配された特定の波長範囲に亘る適切に低い屈折率を示すことになり、E.D.Parik著「光学定数のハンドブック」、アカデミックプレス、ロンドン、1998年のような標準的テキストブックは、様々な材料の波長依存屈折率に関する正確なデータを提供している。特に、金の屈折率は、約1400nmから1600nmの範囲の波長に対して空気の屈折率よりも低い。銅は、560nmから2200nmの範囲波長に亘って1よりも低い屈折率を示し、一方、銀は、320nmから2480nmの波長範囲に亘って類似の屈折率特性を有する。
当業者は、金属層を堆積させる前に中空コア導波路に接着層及び/又は障壁拡散層を堆積させることができることを認識するであろう。例えば、金の堆積の前に、クロム又はチタンの層を接着層として設けることができる。金の堆積の前に、その接着層にプラチナのような拡散障壁層を堆積させることもできる。代替的に、組み合わせた接着及び拡散障壁層(窒化チタン、又はチタンタングステン合金、又は酸化珪素のような絶縁体など)を使用することもできるであろう。
換言すれば、反射コーティングは、全誘電体又は金属誘電体のスタックによって設けることができる。当業者は、誘電体層の光学厚さが必要な干渉効果を与え、従って、コーティングの反射特性を決めることを認めるであろう。コーティングの反射特性はまた、中空コア導波路が形成される材料の特性にある程度まで依存する。
好都合な態様においては、上述の少なくとも1つの中空コア入力導波路は、基本モードの導波路である。代替的に、この少なくとも1つの中空コア入力導波路は、マルチモードの導波路である。より詳細に以下で説明するように、基本モード又はマルチモードの導波路は、中空コアマルチモード導波路領域の中に、又はその領域から放射を結合するために使用することができる。
有利な態様においては、本装置は、中空コアマルチモード導波路領域に直接光学的に結合された光ファイバを更に含む。光ファイバは、中空又は中実コアを含むことができる。そのような中実コア光ファイバは、本発明の少なくとも1つの中空コア入力導波路の代わりに使用することができるということも当業者には明白であろう。
いくつかの実施形態では、中空コアマルチモード導波路領域は、実質的に円形の断面を有することができ、中空コアマルチモード導波路領域の直径及び長さは、上述の少なくとも1つの中空コア入力導波路によって搬送される光入力フィールドの再結像をもたらすように選択される。そのような円形マルチモード領域ではビーム分割は不可能であり、再結像効果だけが観測されることに注意すべきである。
好都合な態様においては、中空コア導波路は、半導体材料、例えば、シリコン、又は、GaAs、InGaAs、AlGaAs、又はInSbのようなIII−V族半導体材料内に形成される。半導体材料は、ウェーハの形態で準備することができる。有利な態様においては、中空コア導波路は、半導体マイクロ製造技術を使用して形成される。そのようなマイクロ製造技術は、好ましくは、断面が3mmよりも小さく、より好ましくは、1mmよりも小さい基本モード導波路をもたらす。
この種のマイクロ製造技術を使用して形成された導波路は、従来技術の中空誘電体導波路よりも大きさが大幅に小さい中空コア導波路を提供する。この種のマイクロ製造技術はまた、スパッタリング、電気メッキ、「CVD」、又は他の反応性化学に基づく技術のような様々な層堆積技術との適合性がある。
プラスチック導波路装置は、熱間エンボス加工又は射出成形を含む技術によって製作することができる。この技術は、マスターを形成する段階を伴う。マスターは、ディープドライエッチングを使用して、シリコンのような半導体材料内に形成することができる。代替的に、マスターは、「LIGA」又は「UV LIGA」技術を使用する層の電気堆積によって形成することができる。マスターが形成された状態で、中空コア導波路は、型抜き加工(すなわち、加圧成形)又は熱間型抜き加工を使用してプラスチック基板に形成することができる。このように形成された中空プラスチック導波路は、次に、反射コーティングで被覆することができる。
好都合な態様においては、本装置の中空コアは、液体又は空気のような気体を含む。
また、中空コア導波路内の光の増幅をもたらすために、ガス状の光学利得媒体も有利に使用することができる。特に、そのような中空コアマルチモード領域内のガス状の利得媒体の使用により、高度の増幅が可能になる。例えば、ガス状利得媒体は、CO2、N2、及びHeの混合で形成された気体放出とすることができるであろう。これは、10.6μmの放射に対する増幅をもたらすと考えられる。
換言すれば、光増幅器は、本発明の第1の態様による「MMI」装置を組み込む。そのような「MMI」装置の使用により、増幅器が大量の光パワーをもたらすことが可能になる。これは、最大光パワー密度がコアを形成する材料の物理的特性によって制約される中実コア導波路で製作された従来技術の増幅器よりも有利である。すなわち、高次オーダーの分割−増幅−再結合が可能であり,それによって以前には達成できなかった高強度出力ビームの生成を可能にする。
更に別の実施形態では、光増幅器は、ビーム再結合器におけるビーム再結合の前に増幅ビームの相対位相を調節するための位相オフセット手段を更に含む。GaAs変調器又は変形可能ミラーなどを含むことができる位相オフセット手段は、再結合器に入るビームの相対位相の制御を可能にする。再結合装置に入るビームが適切な位相オフセットを有することを保証することは、再結合処理の効率を上げることになり、再結合領域の長さをより短くすることになる(特に、高次オーダーの分割/再結合装置において)。
共振器は、実質的にはそれ自体の上に折り返された増幅器であり、光損失レベルが低く光パワーの高い作動のための機能を与える。
ここで、添付図面を参照し、本発明を単に例示的に以下に説明する。
中空コアマルチモード導波路領域32は、長さl及び幅Wの矩形である。入力導波路30は、マルチモード導波路領域32に関して中心に入れられ、出力導波路34及び36は、ポート中心がマルチモード導波路領域32に亘って間隔が空くように配置される。入力導波路30と出力導波路34及び36は、基本モード伝播だけをサポートするように配置される。
ビーム分割機能を達成するために、長さがLよりも短い装置を使用することができることが図2(b)から分る。図1(a)で説明した種類の二重ビーム分割器の場合、長さがL/2(=l)の装置が必要である。同様に、それらの長さがL/3とL/4の場合には、三重又は四重分割装置をそれぞれ設けることができる。換言すれば、N多重の分割は、LN=W2/Nλの装置により得られる。「MMI」分割装置の作動及び設計の更に完全な説明は、米国特許第5410625号に与えられている。
アルミナ及び他の誘電体材料を使用する欠点は、中空コア「MMI」装置を形成するために、精密工学(例えば、フライス削り加工又は鋸引き加工)技術を使用してそのような材料が成形されることである。これらの製造技術は、「MMI」装置の作動に必要な公差を維持しながら作ることができる中空コア装置の最小サイズを制限する。例えば、一般的なフライス削り技術は、一般的に幅が1mmよりも小さくない導波路で、50ミクロンよりも小さくない公差で構造体を形成することを可能にする。
入力導波路70は、幅W及び長さl’のマルチモード導波路領域80上の中心に入れられ、4つの出力導波路(72、74、76、及び78)もまた設けられる。入力及び出力導波路は、基本モードの伝播だけをサポートするように配置される。マルチモード導波路領域80の長さ(l’)は、四重分割をもたらすためにL/4(ここで、L=W2/λ)である。
中実コア「MMI」分割装置の欠点は、コアを形成する材料に損傷を与える前に、光パワーの制限された量のみが中実コア内で伝播することができることである。中実コア「MMI」装置のパワー処理能力は、従って制限され、これによって光学増幅器のような高パワー用途におけるそのような装置の使用が制限される。
「MMI」ビーム分割器90は、基板88及び基板蓋86を含む。基板88及び基板蓋86は、入力導波路30、マルチモード導波路領域32、及び2つの出力導波路34及び36を含む中空コア導波路構造を形成する。金の層92(図3のハッチングで示す)は、中空コア導波路構造を形成する基板88及び基板蓋86の内面上に設けられる。金の層92は、「ATIR」の発生を保証するために十分に厚くなければならない。当業者は、金の層92と基板の間に接着促進層及び/又は拡散障壁層(図示しない)を設けることもできることを認識するであろう。
金の層92の存在により、遠隔通信波長帯域(すなわち、波長が約1.55μm)内の波長の光の中空コア装置内の「ATIR」がもたらされる。これらの遠隔通信波長において、金は、n<1の必要な屈折率特性及び低い吸収レベルを有する。
当業者は、単一の低屈折率層を使用する代わりに、多層反射器を設けることができることを認識するであろう。例えば、多層誘電体スタック又は金属誘電体スタックを基板88及び/又は基板蓋86に被覆することができる。
250μm(W)のマルチモード領域幅と50μmの基本モード導波路幅とを有する二重中空コア導波路「MMI」ビーム分割器が構成された。装置は、様々な長さ(l)のマルチモード領域を使用し、ニッケル接着層を使用して中空コア導波路構造の内部表面に付加された銅金属のコーティングがあるものとないものとで製作された。
図5(a)は増幅器110を示す。増幅器110は、分割装置段階112、ダイオードアレイ増幅器114、及び結合器段階116を含む。
分割装置段階112は、第1の二重「MMI」分割器118と、2つの二次的な二重「MMI」分割器120及び122とを含む。二重「MMI」分割器118、120、及び122の各々は、単一の入力導波路124、2つの出力導波路126、及び中央マルチモード領域128を含む。二次的な二重「MMI」分割器の入力は、第1の二重「MMI」分割器118の出力に接続される。
結合器段階116は、一対の二重「MMI」結合器132及び134と、第2の「MMI」結合器136とを含む。二重「MMI」結合器132、134、及び136の各々は、一対の入力導波路138、単一の出力導波路140、及び中央マルチモード領域128を含む。一対の二重「MMI」結合器132及び134の出力は、第2の「MMI」結合器136の入力に接続される。
作動時に、分割器段階112は、入射光ビーム142をそれぞれが同じ強度の4つのビームに分割する。四素子ダイオードアレイ増幅器114は、次に、4つのビームの各々が結合器段階116で再結合される前にそれらを増幅する。得られる増幅された出力ビーム144は、このようにもたらされる。
共振器150は、第1の二重「MMI」分割器/結合器154と2つの二次的な二重「MMI」分割器/結合器156及び158とを有する単一の「MMI」段階152を含む。各「MMI」分割器/結合器154、156、及び158は、第1の導波路160、2つの第2の導波路162、及びマルチモード領域128を有する。第1の二重「MMI」分割器/結合器154の2つの第2の導波路は、2つの二次的な二重「MMI」分割器/結合器156及び158の第1の導波路に光学的に接続される。共振器はまた、完全反射ミラー164、部分反射ミラー166、及び四素子ダイオードアレイ増幅器114を含む。
作動時には、「MMI」段階152は、分割及び結合機能の両方を実行し、共振器は、光の増幅をもたらす。部分反射ミラー166は、特定の比率の光を出力ビーム168として抽出することを可能にする。
図6aは、1対4対1多重増幅器を示す。この増幅器は、第1の導波路182と、マルチモード領域184と、4つの第2の導波路186とを有する第1の四重「MMI」分割器180を含む。第2の四重「MMI」再結合器190と共に、四素子ダイオードアレイ増幅器114も設けられる。
第1の「MMI」分割器180の4つの第2の導波路の各々から入る光は、第2の四重「MMI」再結合器190の第2の導波路に入る前に、四素子ダイオードアレイ増幅器114の各素子によって増幅される。第2の四重「MMI」再結合器190は、次に、4つの増幅された光ビームを再結合し、増幅された単一の出力ビーム194を形成する。
図2に関連して上述したように、「MMI」装置が幅W及び長さLN=W2/Nλのマルチモード領域を有する時、最短マルチモード領域長さでN多重分割を得ることができる。波長λは、マルチモード領域内の光の波長(すなわち、コア材料の屈折率が乗じられた光の自由空間波長)であることにも注意すべきである。
上述の幾何学的設計規則に従うマルチモード導波路における対称分割処理の結果は、振幅が等しいN個の基本モードのフィールドが生成されることである。しかし、得られるフィールドの位相は等しくなく、次の関係に従う。
四重再結合器を使用して4つのビームを効率的に再結合するために、マルチモード導波路領域に入るフィールドの位相は、分割処理によって生成された値の正確な位相共役である値を取るべきである。換言すれば、「MMI」再結合器190のマルチモード領域に対する4つの入力フィールドの位相は、効率的な再結合のためには、それぞれ、−3π/8、π/8、π/8、及び、−3π/8であるべきである。
必要な位相オフセットを生成するための多くの代替技術はまた当業者に公知である。例えば、ダイオードアレイ増幅器114の各素子の電流は、変更することができる。代替的に、必要な位相シフトをもたらすために、ダイオードアレイ増幅器114内の光路の長さを変更するか、又は、導波路又はダイオードアレイ増幅器114の一部分の有効屈折率を修正することができるであろう。
ここでもまた、図3及び4に関連して説明した種類の中空コア「MMI」分割器/再結合器は、減衰レベルが低く高い光パワーを処理する能力をもたらすので有利である。
図6に関連して説明した増幅器及び共振装置と同様に、有利な態様においては、図7の一体型増幅装置は、図3及び図4に関連して説明した種類の「MMI」分割器210及び/又は「MMI」再結合器214を含む。
中実コア「MMI」分割器230は、GaAsで作られ、単一入力導波路238、マルチモード領域240、及び6つの出力導波路242を含む。マルチモード領域240の幅(w1)と長さ(l1)は、入力導波路238の中に結合された入力ビーム241が、6つの出力導波路242の中に分割されるように選択される。
効率的な再結合のために、適切な位相オフセットを達成する必要があるばかりでなく、ビームもまた同じ振幅を有する必要があることに注意すべきである。均等振幅補正は、当業者に公知の様々な方法によって達成することができる。例えば、マッハ‐ツェンダー可変減衰器(図示しない)を位相シフト手段232の前の各出力導波路242上に配置することができるであろう。
増幅された状態で、6つの光ビームは、中空コア「MMI」再結合器236のマルチモード領域244の中に直接結合される。テーパーダイオード増幅器アレイ234の中実素子と中空コアマルチモード領域244との間の界面で反射が最小であることを保証するために、反射防止コーティング246が設けられる。
1対6対1増幅器を上述したが、当業者は、より高度な分割及び再結合が可能であることを認識するであろう。光結合に必要なパワーの量が増加するので、再結合器のパワー処理能力も相応に増加すべきである。
32 中空コアマルチモード導波路
90 マルチモード干渉(MMI)装置
92 反射コーティング
Claims (27)
- 少なくとも1つの中空コア入力導波路に光学的に結合された中空コアマルチモード導波路領域、
を含み、
前記中空コア導波路の内部表面は、反射コーティングを有する、
ことを特徴とするマルチモード干渉(MMI)装置。 - 前記反射コーティングは、作動波長帯域内で前記導波路コアの屈折率よりも低い屈折率を有する材料の少なくとも1つの層を含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記中空コア導波路の内部表面上に担持された前記少なくとも1つの材料の層の少なくとも1つは、金属であることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記金属は、金、銀、又は銅のいずれか1つであることを特徴とする請求項3に記載の装置。
- 前記反射コーティングは、1つ又はそれ以上の誘電体材料の層を含むことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の装置。
- 波長が1.4μmから1.6μmの間の放射で作動させるための請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの中空コア入力導波路は、基本モード導波路であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの中空コア入力導波路は、マルチモード導波路であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記中空コアマルチモード導波路領域の断面は、実質的に矩形であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の装置。
- 前記中空コアマルチモード導波路領域の寸法は、前記少なくとも1つの中空コア入力導波路によって搬送される光入力フィールドの再結像をもたらすように選択されることを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 前記中空コアマルチモード導波路領域の前記矩形内部断面を形成する対向する表面は、実質的に等しい有効屈折率を有し、該矩形内部断面の中空コアマルチモード導波路領域を形成する隣接する表面は、異なる有効屈折率を有することを特徴とする請求項9から請求項10のいずれか1項に記載の装置。
- 前記中空コアマルチモード導波路領域の断面は、実質的に円形であり、該中空コアマルチモード導波路領域の直径及び長さは、前記少なくとも1つの中空コア入力導波路によって搬送された光入力フィールドの再結像をもたらすように選択されることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の装置。
- 前記「MMI」装置の前記中空導波路は、半導体材料内に形成されることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の装置。
- 前記半導体材料は、シリコンを含むことを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記中空コア導波路は、半導体マイクロ製造技術を使用して形成されることを特徴とする請求項13から請求項14のいずれか1項に記載の装置。
- 前記半導体マイクロ製造技術は、ディープ反応性イオンエッチング(DRIE)であることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記中空コア導波路は、プラスチック又はポリマーの層内に形成されることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の装置。
- 前記中空コア導波路は、ガラスで形成されることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の装置。
- 前記中空コア導波路は、気体を含むことを特徴とする請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の装置。
- 前記気体は、空気であることを特徴とする請求項19に記載の装置。
- 前記気体は、光学利得媒体であることを特徴とする請求項19に記載の装置。
- 前記中空コアは、液体を含むことを特徴とする請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の装置。
- 1対N多重ビーム分割器と、
前記1対N多重ビーム分割器の少なくとも1つの出力に作用する多重素子光増幅器と、
光学直列に接続されたビーム再結合器と、
を含み、
前記1対N多重ビーム分割器及びビーム再結合器の少なくとも一方は、請求項1から請求項22のいずれか1項に記載の中空コアマルチモード干渉装置を含む、
ことを特徴とする光増幅器。 - 前記1対N多重ビーム分割器及び前記ビーム再結合器の両方は、請求項1から請求項22のいずれか1項に記載の中空コアマルチモード干渉装置を含むことを特徴とする請求項23に記載の光増幅器。
- 前記1対Nビーム分割器は、中実コア「MMI」分割装置を含むことを特徴とする請求項23に記載の光増幅器。
- 前記ビーム再結合器におけるビーム再結合の前に増幅ビームの相対位相を調節するための位相オフセット手段を更に含むことを特徴とする請求項23から請求項25のいずれか1項に記載の光増幅器。
- 部分反射器と、
分割/再結合手段と、
多重素子光増幅器と、
反射器と、
を含み、
前記部分反射器、分割/再結合手段、多重素子光増幅器、及び反射器は、該分割/再結合手段が単一のビームを2に等しいか又はそれ以上のN個のビームに分割するように配置され、
N個のビームの各々は、前記多重素子光増幅器によって増幅され、前記反射器によって反射され、該多重素子増幅器を通過して戻るように再方向付けされ、
前記N個のビームは、次に、前記分割/再結合手段によって再結合されて単一ビームを形成し、この単一ビームの一部分は、前記部分反射器を通って共振器を出射し、
前記分割/再結合手段は、請求項1から請求項22のいずれか1項に記載の中空コアマルチモード干渉装置である、
ことを特徴とする共振器。
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