JP2000508083A - 光回折格子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光回折格子（グレーテング）が光学結晶材料１の領域から形成される。光が光学結晶材料に接続さわ、グレーズ状態で放出された出力ビームが集められる。この光学結晶材料は例えばＩｎＰという誘電体材料の基板（２）内に形成された孔のアレイで構成され、平面状の導波路構造（４）と集積されている。

Description

【発明の詳細な説明】 光回折格子 この発明は、例えば光遠隔通信システムにおいて波長マルチプレクサ／デマル チプレクサとして使用するのに適した光回折格子（グレーテング）に関する。発明の背景 バルク光回折格子はよく知られており、また、このようなグレーテングを波長 分割多重（ＷＤＭ）を採用する光網における受動マルチプレクサ／デマルチプレ クサとして使うことが以前に提案されている。しかし、バルク光部品の使用は大 きなパッケージ作りと保守コストとをもたらす傾向がある。したがって、波長多 重化／解多重化が僅かなコアスイッチに限定されている範囲ではこのような部品 の使用は実現性があるかもしれないが、バルク光部品は網内でのもっと広範な使 用には適していない。ＷＤＭの現在の関心は、その中心が網内でのもっと長いリ ンクに対して光時分割多重（ＯＴＤＭ）と組合せてローカルアクセス網でするそ の使用に置かれている。したがって、網内のローカルアクセスループで使用する ための丈夫で高価でないグレーテングに対する需要が残っていて、各加入者端末 に置くことになることもあり得る。 PoguntkeとSooleの“Design of A Multistripe Array Grating Intgrated Cav ity(MAGIC)Laser”Journal of Light Wave Technology,Vol.11 No.12 December 1933はＩｎＰ応用のプレーナ導波路構造で作られたグレーテングを開示している 。グレーテングはホトリソグラフィと例えば化学的な支援を受けたイオンビーム エッチングを使用するドライエッチングとを用いて規定されて、プレーナ導波路 全体に垂直に延びる段のある壁を形成するようにしている。次にこのグレーテン グをメタライズ（金属化）してその反射率を改善している。この構造は、しかし 限られた角度分散しか与えず、それ故に受け入れられないほど大きくならずにた くさんの波長チャンネルを収容することはできない。発明の要約 この発明の第１の特徴によると、光学結晶材料の領域と、この光学結晶材料に 入力ビームを結合するための手段と、光学結晶材料からの入射面と平行に近い角 度であたって放出される（grazingly emergent、グレーズ状態で放出される）出 力ビームと結合するための手段とから成る光回折グレーテング（格子）が提供さ れる。 ここでいう光学結晶材料という用語は屈折率に周期的な変化をもって作られた 材料のことで、周期は光波長の大きさのオーダである。以下詳述するように、こ のような材料はときに“光学バンドギャップ材料”と呼ばれている。 この発明は光学結晶材料を用いて他の光学部品と集積するのに適していて、高 い分散と効率とを示すグレーテングを用意することである。このような構造内部 でのフォトンの振舞いは半導体内部での電子の振舞いと類推できるものであるこ とが見付けられている。とくに、半導体結晶内の電子バンドギャップと類似の光 学（ホトニック）バンドギャップ（ＰＢＧs）があることが見付けられている。 バンドギャップ範囲内の波長をもつフォトンは伝搬が禁止される。光学結晶につ いての大部分の仕事はこういった光学バンドギャップを作ることに焦点が合わさ れてきた。しかし、この発明者による解析は光学結晶が他の性質を示し、この性 質こそが高効率のグレーテングをもたらすように展開できることを示した。もし 光学結晶のピッチを選んで、一次回折ビームがこの結晶からグレース状態で放出 されるようにすると、回折角は波長で鋭く変り、しかも回折ビームは比較的高出 力強度で、入力光強度の２０％以上に等しくなる可能性をもっている。 光学結晶材料の領域はほぼ平面状であるのが好い。光学結晶材料は誘電体材料 内に形成された散乱中心のほぼ規則正しいアレイで成り、この場合このアレイは １０列深さよりも少い最小アレイであり、僅かに１，２，または３列深さである のが好ましい。散乱センターは誘電体基板内に形成された孔で成る。 光学バンドギャップ材料は以前には広範囲な３次元アレイを作ることを狙った ものであったが、この発明者は効果的な回折格子が僅か数列（行）だけの深さで 、しかも単一の列で成るアレイで形成できることを見つけた。２以上の列がある 場合には、列間間隔は、所定の動作波長で、１つの列から散乱したグレーズ状態 で放出されたビームがその列もしくは他の列から散乱されたグレーズ状態のビー ムと建設的に干渉する。 列間間隔が、好ましい散乱方向では建設的な干渉があるように選ばれるときは 、グレーテングは高効率の固定周波数フィルタとして機能し、それ故にＷＤＭシ ス テムでの使用にとって特別に価値のあるものとなる。 光学結晶との間で結合をとるための手段は光学結晶材料と一緒に共通の基板上 に形成された導波路を含むのが好ましい。この導波路はプレーナ構造を含むこと ができ、光をプレーナ表面と垂直な方向に閉じ込めるようにすることができる。 導波路はプレーナ表面に平行な面内にビームを閉じ込めるようにもすることがで きる。グレーテングは透過形で動作するようにされていてよく、入射ビーム用の 導波路は光学結晶材料の片側上にあり、出射ビーム用の導波路は光学結晶材料の 他の側上にあるようにする。 代って、グレーテングは反射性に機能するようにされていてよく、この場合に は入射ビームを結合するための手段と、グレーズ状態で放出される出力ビームを 結合するための手段とは光学結晶の同じ側上に置かれている。 誘電体材料はIII−Ｖ族材料が好ましく、とくに好いのはインジウムフォスフ ァイドである。 光学結晶は異なる屈折率の２つの誘電体材料で作られた規則的なアレイで構成 されてよい。この構造は第１の誘電体材料内の孔のアレイとして作られ、その孔 には第２の誘電体材料が充填されているものであってよい。代って、基板に例え ば４要素から成る導波路層を含んでいる場合には、孔は基板基礎となっているの と同じ材料で充填されていてよい。代りの構造は空中にあるいは第２の誘電体材 料中に延びている第１の誘電体材料の柱で成るのもよい。光学結晶を作り上げて いる誘電体材料の一つは加えらた制御信号に応答して変化する屈折率を有してい てよい。これは加えられた電場に応答する電子光学材料であったり、加えられた 光制御信号に応答する非線形光材料であってよい。 光学結晶内で可変の屈折率を備える材料を使用することは同調可能なフィルタ としてグレーテングが機能することができるようにする。 この発明の第２の特徴によると、光回折格子（グレーテング）の製造方法が用 意されており、その構成は光学結晶材料の領域を形成し、入射ビームを結合する ための手段と、該領域に隣接してグレーズ状態で放出される出射ビームを結合す るための手段とを形成することで成る。 この発明の別な特徴によると、光回折格子（グレーテング）が用意されており 、 その構成は、 ａ）光入力と； ｂ）該光入力から入射光ビームを受けるようにされた光学結晶材料の領域と； ｃ）該光学結晶材料の領域から光ビームを受けるようにされた光出力と から成る。 この発明の回折格子（グレーテング）はグレーズ状態で放出されるビームが出 力であるような構成での使用に限定されない。例えば反射ビームが出力であると か、比較的大きな角度で回折されるビームが出力であるような構成でも使用され る。図面の説明 この発明を実施するデバイスと製造とを添付の図面を例としての目的でのみ参 照して詳細に記述して行く。 図１ａと１ｂとはそれぞれこの発明を実施するグレーテングの平面及び部分側面 図である。 図２は図１のグレーテングの光学結晶を模式的に示す図である。 図３ａと３ｂとは図２の光学結晶について周波数の関数として反射及び透過係数 をプロットしたものである。 図４ａと４ｂとは別の光学結晶のマイクロ構造の模式図である。 図５は図１のグレーテングの平面状（プレーナ）基板の構造を示す断面図である 。 図６は第２の別な光学結晶の模式図である。 図７ａと７ｂとは第３の別な光学結晶の部分及び平面図である。 図８ａと８ｂとはこの発明を実施するグレーテングの別な例の反射及び透過係数 のプロットである。 図９ａと９ｂとはＷＤＭデマルチプレクサの平面及び部分図である。 図１０はＷＤＭマルチプレクサの別な実施例の平面図である。 図１１はこの発明を実施するグレーテング（格子）の反射係数の偏光依存性を示 すプロットである。 図１２は図１１の例において異なる偏光状態の反射係数の比を示すプロットであ る。実施例 グレーテングは多層プレーナ基板２内に作られた。光学結晶材料１の領域で成 る。光学系は焦点長が例えば１０ｃｍの第１のレンズ３１と焦点長が例えば１ｃ ｍの第２のレンズで成り、入射光ビームをコリメートする。レンズ３１，３２は 距離Ｙだけ離れているが、これは焦点長の和に等しい。レンズ３２はプレーナ基 板２のファセットからこの例では１ｃｍの距離Ｚだけ離れている。この光学系は 光を導波路層４に結合され、ここで光は光学結晶１に垂直入射に適うように伝搬 する。グレーズ状態で放出される回折ビームは光学結晶１を通って透過され、導 波路層４を通って伝搬し、プレーナ基板の側のファセットから放出される。放出 されるビームはプレーナ基板に垂直な方向に拡がる傾向がある。適宜、円筒レン ズを用いて放出されるビームをコリメートするために使用することができる。 図２は光学結晶１の構成を模式的に示す。この例では、ピッチ０．５７μｍで 誘電率１３の基板中に作った孔の線形アレイを含んでいる。図に示すように、波 長約１５５０ｎｍをもつ垂直入射入力ビームが光学結晶により回折されて、グレ ーズ状態で放出され透過しまた反射されるビームを作る。これに加えて、ビーム の一部は回折せずに光学結晶を通って直進し、また一部は反射する。グレーテン グの幅Ｗはこの例では８００μｍであり、入口ファイバからグレーテングまでの 距離は４ｍｍであり、グレーテングから出口までの距離は４ｍｍである。例示を やさしくするために、比較的小数の孔だけが図示されている。実際には、後に詳 述するように、アレイは１０００以上の孔の列で成る。 図３ａは垂直入射ビームに対する反射及び透過係数を１．５５μｍで正規化し た周波数の関数として示す。プロットａは透過係数であり、ｂは反射係数であり 、ｃとｄとはそれぞれ透過と反射とをした回折ビームの係数である。グレーズ状 態の放出の始まりはプロットｃとｄとで正規化周波数約０．８で認められ、破線 で示しがしてある。以下の理論的解析で示されるように、数度の角度で（例えば ３ないし５度）でグレーズ状態で放出されるビームは実用上有用な光パワーレベ ルをもっているが、波長で急激に変る角度で放出される。 垂直入射ビームを用いる代りのものとして、グレーテングは例えば３０度の角 度で入射するビームで使うことができる。図３ｂはこの場合の反射及び透過係数 を示す。この場合与えられた波長で、グレーズ状で放出される出力ビームは光学 結晶の面に垂直ないずれもの側で異なる回折角をもつことになる。 アレイのピッチの孔の寸法及び入射角は基板材料の屈折率とそのグレーテング が使用される所望波長範囲とに従い変化する。図８ａと８ｂとは異なるピッチと 入射角とをもつよう構成されたグーティングの性質を示すグラフである。図８ａ は垂直入射で使用されるピッチが０．４７ミクロンをもつグレーテングに対する ものである。図８ｂは法線に対して３０度の角度で入射するビームについて使用 されるピッチが０．３１３ミクロンをもつグレーテングに関するものである。各 場合の孔の半径は０．１７ミクロン（図８ａ）と０．１１７５ミクロン（図８ｂ ）である。両方の場合とも、基板の誘電率は１０．９であり、屈折率は３．３と なる。 孔は円形断面をもつ必要はなく、例えばほぼ正方形である断面をもつことがで きる。 この例では光学結晶を作り上げている孔のアレイは反応性イオンビームエッチ ング（ＲＩＥ）によってプレナＩｎＰ基板内に作られている。図５はこのプレー ナ基板の構造を詳細に示す。 製造プロセスは２つの段階に分けることができる：エピタクシィもしくは堆積 段階と、それに続く段階で微細構造がエッチングされる段階である。第１の段階 では、導波路層がＩｎＰ半導体材料上に金属有機物気相エピタクシィ（ＭＯＶＰ Ｅ）技術を用いた一連のエピタキシャル堆積により形成される。この第１の段階 には次の段階が含まれる： １．ＩｎＰの１０００ｎｍ厚さのバッファ層が堆積される。 ２．ＩｎＧａＡｓＰの３００ｎｍ厚さの導波路層が堆積される−ＩｎＧａＡｓ Ｐの組成はバンドギャップ波長が約１．３ミクロンであるようにする。 ３．ＩｎＰの厚さ３００ｎｍのクラッド層が堆積される。 すべての堆積された材料は規格上純粋なものすなわちドープされていない。 続いて、第２の段階では、ウェーハ内に微細構造がエッチングされる。これは 反応性イオンエッチングを用いて行なわれる。直接書込み技術が使われて、サン プル上に直接にマスクが作られる。第２の段階には次の段階が含まれる： １．サンプルを酸でさっと洗浄し、次に１００ｎｍ厚さのシリコンナイトライ ドＳｉ₃Ｎ₄を堆積する。 ２．“Ｅビームレジスト”として知られるホトレジストの層であって、電子ビ ームに感度をもつものを厚さ約５００ｎｍでサンプル上に塗布する。この場合、 使われるレジストは日本ゼノン製品のＺＥＰ５２０である。 ３．電子ビームリソグラフィを用いてて所望の微細構造パターンでレジストが 露出される。 ４．次にレジストが現像される。これは露出された部分を溶かす。未露出のＺ ＥＰ５２０はそのまま残って、マスクを作り、それが次の段階で使用される。 ５．ＣＦ₄を使った反応性エッチングでシリコンナイトライド層にエッチング がされる。これはレジスト層からのマスクパターンをシリコンナイトライド層に 転写する。 ６．サンプルは２段階で洗浄される。未露光のレジストが除去されて、次にＲ ＩＥプロセスから生じたポリマが除去される。 ７．主たるＲＩＥプロセスが行なわれる。パターン形成されたシリコンナイト ライド層がマスクとして作用する。エッチング用混合物はメタン／水素／酸素で 成る。この混合物はシリコンナイトライドマスク上のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材 料を優先的にエッチングする。 ８．段階７のＲＩＥプロセスで生じたポリマが除去される。 ９．サンプルが約０．５ｍｍの厚さから約１５０ミクロンの厚さまで薄くされ る。これは個々のサンプルのへき開を簡単にする。個々のサンプルは規格上は１ ×１ｍｍ²である。グレーテング微細構造は側部に平行にサンプルを分ける。 上述のプロセスはただ単に例として記述したものであり、また他のいろいろなプ ロセスが使用できることは理解されよう。例えば、メタン／水素ＲＩＥも使用で きる。エッチングは基板とは違った屈折率をもつ第２の誘電体材料で孔を充填す るための再成長が続くことになってよい。図６はこの方法で形成された光学結晶 領域の模式図である。この例では導波路内の孔はＩｎＰ自体のようなIII−Ｖ族 半導体材料であるいは例えばＧａＩｎＡｓのような三元のもので充填されている 。孔を充填するために使われる材料は、屈折率として印加された制御信号に応答 し て変ることができるものを持つことができる。例えば液晶材料を含んでもよい。 そうすると充填材の屈折率は光学結晶に重なっているゲートに加えられた制御電 圧に応答して変化し、所望波長にグレーテングを同調させることができる。代っ て、充填材は、例えば強い光学的非線形性をもつような半導体を選ぶことができ る。この場合には、屈折率は印加した光制御信号に応答して制御される。 図７ａと７ｂとは光学結晶についてのさらに別な構造を示す。この例では、散 乱中心が空気の中に延びている基板構造と同じの柱７１である。この構造は第１ の例について上述したようなＲＩＥプロセスによって作ることができる。このプ ロセスはエッチング段階に先立って修正が加えられ、シリコンナイトライド ホ トレジストが柱を作るべき領域を除いて全体が露出される。それからエッチング 段階では、柱の周りの領域７２内で基板が例えば深さが０．７ミクロンの深さに なるまで除去されて、基板内の狭い溝内に柱を自由に立たせるようにする。この 例では柱が、また前の例では孔が、円形断面をもつものとしたけれども、これは グレーテングの機能上は本質的なことではなく、また散乱中心で他の均一性の少 い形状をもつものも使用できることに留意されたい。例えば断面はほぼ楕円体形 であってよいし、また孔とか柱を通る異なる深さのところで寸法が変ってもよい 。これはエッチングプロセスの使用が完全に規則正しい形を作らなくてもよいこ とになる。 この発明はこの第１の例のように１次元アレイの形をした光学結晶の使用に決 して限定されることはない。図４ａは２列の孔を用い、列間の間隔を次のように 選んで用いる例を模式的に示している。すなわち、光路差δが波長の整数倍とな り、設計波長に対して回折ビームの干渉が強め合うようにする。この拘束条件は 代数的にはλ＝ｂ（１−sin（９０−φ））として表わされ、ここでｂは列間の 隔りであり、φは回折角である。２以上の列を使用することは回折に好ましい方 向を加えるという効果があることが分る。すなわち、簡単な一次元アレイが回折 次元を透過もしくは反射する間に、修正された二次元構造は反射もしくは透過次 数を距離ｂに依存して強める。このように作られた構造は固定波長フィルタとし て機能する。一次元構造に対しては、アレイピッチ、波長及び回折角についてλ ＝ａcosφという拘束条件がここでも存在する。二次元構造が用いられ、上の第 １式拘束条件が適用される場合には単一の波長に対する解だけが存在する。二次 元構造はそれ故に１つの特定波長に対する固定フィルタとして動作するように巧 みに使われる。散乱センタの複数の列を使用することは散乱センタが比較的弱い 効果をもつときにとくに好ましいことである。これは、例えば、基板内にエッチ ングされた孔が比較的浅く、導波路層が短く終っている場合とか、基板の屈折率 と近い屈折率をもつ第２の誘電体材料で充填されている場合とかである。この場 合、最小アレイよりも多い孔が十分なパワーの回折ビームを作るのに必要とされ 、例えばアレイは１０ないし１５列の深さとなろう。 図４ｂは６列深さの格子の例を示す。この二次元格子は２つの主たる平行平面 の組をもっており、その１つは垂直に、他はほぼ水平に走っている。格子は１組 の面から零でない次数の回折を得るように、また零次回折は他の組から得るよう に設計されている。両方の組の面が同じ方向に回折を生ずるように条件が設定さ れる。したがって、零次回折（鏡面反射）を得るためにはほぼ水平に走る面はそ の法線が入力ビームと出力ビームとの間の二分するような角度をもたねばならな い。これらの面の間隔は臨界的（重要）ではないが、この面に沿った微細構造が 十分に小さな間隔を備えて零次回折だけが生ずるような間隔とするのが有利とな る。ほぼ水平に走る面は一般に初めに考察した一次元アレイ内の微細構造の間隔 よりも小さなものとなる。次の条件が一次回折に適用される。 sinθ＋sinφ＝ｎλ／ｄ ここでｎは次数であり、λは波長であり、ｄは面もしくは構造の間隔であり、θ とφとは入射及び出射ビームの入射角である。このように形成された構造は単一 波長に対する動作に限定されず、異なる角度で異なる波長を強制して回折をさせ る。したがって、例えば波長分割多重（ＷＤＭ）用デマルチプレクサとして使用 するのに適している。 例示の目的のため、上記の論述は光学結晶を多い散乱センタで成り、ブラグ回 折を生じさせるものとして取扱った。現実には、散乱センタは一般に強い散乱を 生じさせる。本発明者は強い散乱中心の一次元アレイについて新しい解析を実行 し、それを以下に示す。 先ず光学結晶についての分散式の導出について記述する。k_iとk_dとが入射 波と回折波とのウェーブベクトルとし、gは回折格子（グレーテング）の本質的 特徴である屈折率の周期変化に対する逆格子クトルであるとする。入射及び回折 波を構成する電磁波はグレーテングに対する並進対称操作の群の同じ既約表現に 属さなければならないから、 ここでｇはｇすなわちクレーテングに沿った単位ベクトルである。グレーテング の垂線となす入射及び屈折ビームの角度をθ_iとθ_dと書き、（グレーテングのい ずれかの側の媒体内の波長がλである光の）ウェーブベクトルの大きさをｋ＝２ π／λと書くと、式（ｐ１）は と一次回折に対して書ける。ここでαはグレーテングのピッチである。λについ て式（ｐ２）は次のように書ける λによる微分で次式を得る。グレーズ状態の放出θ_d＝π／２に対してはこの微分は無限大となる。そこでこ の条件の下でのグレーテングは波長に対する放出角θ_dの変化は、角度が小さい ときに、非常に大きな割合を作ることになる。これはＷＤＭデマルチプレックス にとっては理想的である。 反射、透過及び回折ビームについての場の強度の計算を記述する。グレーテン グが十分な光パワーを回折するとグレーズ状態での放出でのみグレーテングは有 用となる。この尺度は回折したビームの電場の平方が入射ビームのそれと比較し たものとなる。このような計算は空気円筒の単一ラインに対して実行されており 、空気円筒のラインは円筒軸に沿った偏光の電場に対してインジウムリン内に作 られたものであり、直交座標系内のｚ軸として円筒軸がとられている。（ｘ，ｙ ）面内を伝搬に対して、マックスウェルの方程式から得られる電場E(x,y)につい ての波動方程式は、角周波数をωとすると、 ここでε(r)はr＝(x,y).の関数である誘電率である。誘電率が周期的に変る領域 内でウェーブベクトルｋで伝搬する波に対しては、電場は次のように書ける。 ただし はε(r)の逆数の平面波展開である。磁場のｙ成分の平面波係数についての補助 式は次の通り。ｘ軸はグレーテングの面に垂直に選ばれている。グレーテング内で波動方程式（ １）を解くためには、固定のｙ成分ｋ_yと固定の周波数ωとをもつ伝搬のウェブ ベクトルがとり得る成分ｋ_xを見付ける必要がある。方程式（４）と（５）とは ｋ_xの固有値問題にすりかえることができる この固有値問題の解から、線形重畳によりグレーテング内部の波動方程式の一般 解を作り上げることができ、グレーテングの境界における電界とその微分値の連 続性を用いて係数を決めることができる。得られた線形方程式の結果の組はマト リックス形式に区分して次のようになる。 整数ng1とng2とはＧ=ng1b₁＋ng2b₂で与えられる。ｇはＧのｙ クトルのＺ成分は次のように定義される。 ここでλ＝2πc/ωは真空中の波長である。トルｋの虚数部が零の場合には実数の符号を示す。 料の誘電率である。 a₁=(a_1x,a_1y)とａa₂=(0,a₂)はグレーテングが作られている光学結晶の格 子ベクトルである。b₁とb₂とはa_i.b_i＝2πδ_ijで定義される逆格子ベクトルであ る。 式（７）はグレーテングが光学結晶の１周期だけの厚さであり、座標原点がグ レーテング層の中心にとられた場合には明確に書き下せる。 上で求めた式は今度はこの発明を実施するＷＤＭグレーテングの１例で実効の への垂直となす回折ビームの角度を表わすとする。もしλが媒体（グレーテング のいずれかの側部）内の光の波長であり、またαがグレーテングのピッチである φを波長λの関数すなわち ただしλ₀＝ｎλは真空での波長で（ｎはグレーテングのいずれかの側の媒体の 屈折率である）、λ_e＝ｎａはグレーズ状態の放出での真空中の波長である。屈 折率ｎ＝３でこの結果を用いると、１．５６０ミクロンでグレーズ状態での放出 があり、また１．５５７ミクロンと１．５５４ミクロンでのビームはそれぞれ角 度φが約３．５°と５．０°で放出されていることが分かる。そこで、真空中で １ナノメータ波長だけ分離されているチャンネルは約０．５°の角度だけ分かれ ている。グレーテングから１２００ミクロンのところでこれは１０ミクロンのビ ーム間分離を生じ、リッジ導波路技術を用いてビームを分離するのに十分な隔り となることは以下で図９を参照して述べるところである。デマルチプレックスし たチャンネル間のクロストークを回避するために、入射ビームはグレーテングに 入射するときに十分にコリメートされている必要がある。これはグレーテングが 約１ｍｍの横断寸法があり、約０．５ミクロンのピッチで２０００個の孔で１列 が作られていることが必要とされることである。 図９はこの発明を実施するグレーテングのさらに別な配置を示す。この例では 、グレーテングはＷＤＭデマルチプレクサとして使用されるところを示し、光網 から波長多重を受けて、４つの異なる出力チャンネルを選び、それらチャンネル がローカル端末装置（図示せず）に送られて行く。このような構成は、例えば広 帯域光遠隔通信網内のローカルアクセスノードで使用される。この場合のグレー テングは図１のものと構造がほぼ似ている。端がレンズである入力ファイバ９３ 、光学結晶材料の領域９１、及び４つのレンズが端にある出力ファイバ９５が含 まれている。図１のグレーテングと違うのは、凹面ミラー９６，９７が使われて 入力と出力のビームのルート設定がされている点である。このミラーはグレーテ ングに対してよりコンパクトな配置ができるようにしている。入力側にあるミラ ー９６はグレーテングに入射するビームをコリメートし、出力側にあるミラー９ ７は出力ビームを４つの異なるチャンネル用の導波路のアレイ上に絞っている。 これらのミラーは上述した結晶を形成するためのＲＩＥプロセスの途中で形成す る ことができる。交差しているハッチングをつけた部分が図示されているが、ここ は１ないし１．５ミクロンの深さまでエッチングで取除かれたところで導波路層 の深さに入り込んでいる。入射して来るビームは平面導波路とエッチングで除去 した領域内の空気との間の曲線状の境界面で全内部反射を生ずる。この例では、 入力側のミラー９６がグレーテングからは３ｍｍの距離だけ間をあけてあり、ま た出力側のミラーは同じような距離だけグレーテングから離れている。出力側ミ ラーにより反射されて絞られたビームはリッジ導波路のアレイ９８に入る。この アレイの入口端はミラー９７のフォーカス位置にある。各導波路は３ミクロン幅 で、隣接する導波路の中心間の隔りは６ミクロンである。各導波路のリッジは０ ．５ミクロンの高さである。これらの導波路はファンアウとしてそれぞれの出力 端に接続され、出力ファイバ導波路９５のアレイに接続され、これらの導波路は 異なる加入者端末への異なるチャンネルを運んでいる。図９ｂは図９ａの線ＸＸ でリッジ導波路を通る断面図を示す。陰影をつけた領域はリッジの１つの下で光 モードが閉じ込められていることを示している。 図１０はこの発明を実施する集積されたＷＤＭデマルチプレクサについての可 能性のある別な構造を示す。この例では、微細構造１０１は曲っていて、反射で 使用される。この構造は微細構造の凹面配置がコリメート用ミラーもしくはレン ズを要しないものとする点で有利である。上述の組立てプロセスはグレーテング を望みのどんな形ででも形成できるようにし、単純な数式によっては記述できな い形を含められる。このプロセスは光学的収差を最小とするために微細構造の曲 率を正確に制御できるようにしている。 上述のグレーテング構造は偏光に感応するデバイスとして動作する構成とする ことができる。この場合、入力ビームは前のようにグレーテングに向けられる。 しかし今度は反射された次数のものが例えば図１０のように入口導波路の近くに 配置された出口導波路によって拾い上げられる。ある偏光状態のものが他のもの よりも強く反射されることが見付けられている。図１１は反射係数をＴＭ（磁気 的横波）とＴＥ（電気的横波）偏光モードについて、０．４６ミクロンのピッチ をもつ円形孔の一層を含む構造で、sinθ＝０．０５であるような角度θで入射 する場合につき示している。図１２に示すように、反射ケースは信号波長の関数 として鋭いピークをもっている。この偏光感度は例えば能動偏光制御システムの 帰還ループで使用するために偏光フィルタの構造で利用される。このようなシス テムでは、このフィルタからの出力は光検出器に送られて、帰還回路を駆動する ために使用され、この回路は電子機械アクチュエータを駆動してファイバ偏光器 を捩る。こうして所望の偏光状態は光学系の出力で維持される。グレーテングは また偏光ビームスプリッタとして使用することができ、例えばコヒーレント通信 システムで直交状態を分離するようにする。量子的な暗号キー分配システムで、 この出願人の国際特許出願ＷＯ９４／１５４２２に記載されているようなもので は、偏光に感応する検出が必要とされ、この発明の微細構造は集積プレーナ光受 信機の一部としてこのコンテキストで使用することができる。さらに、この発明 の微細構造は直交偏光スイッチングとスイッチされたビームとを採用する型式の 全光式スイッチで使用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グラント、ロバート・シントン イギリス国、アイピー７・６キューエイ チ、サフォーク、イプスウィッチ、エルム セット、ソウヤーズ 17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）光学結晶材料の領域と； ｂ）該光学結晶材料に入力ビームを結合する手段と； ｃ）該光学結晶材料から、グレーズ状態で放出される出力ビームを結合するた めの手段とから成る光回折格子。 ２．前記光学結晶材料は概ね平面状である請求項１記載の回折格子。 ３．前記光学結晶材料は誘電体材料内に形成された散乱中心の概ね規則正しい アレイで成る請求項１又は２記載の回折格子。 ４．前記散乱中心のアレイは１０列を超えない深さの僅かなアレイであり、好 ましいのは１，２，もしくは３列だけの深さである請求項３記載の回折格子。 ５．前記アレイが２または３列を含み、かつ列間の間隔が、所定の動作波長で は、１つの列から散乱されたグレーズ状態で放出されたビームがその列もしくは 他の列から散乱されたグレーズ状態で放出されたビームと建設的に相互作用する ようなものである請求項４記載の回折格子。 ６．前記入力及び出力ビームを結合するための手段は、光学結晶材料で共通基 板上に形成された導波路を含む請求項１ないし５のいずれか１項記載の回折格子 。 ７．前記導波路は、平面状表面に垂直な方向に光を閉じ込めるようにされたプ レーナ構造で成る請求項６記載の回折格子。 ８．少くとも１つの導波路がリッジ導波路であり、平面状表面に平行な方向に もまた光を閉じ込めるようにされている請求項６記載の回折格子。 ９．入力ビームを結合する手段と出力ビームを結合する手段を光学結晶材料の いずれかの側に置いて、前記回折格子が透過形で動作するように構成されている 請求項１ないし８のいずれか１項記載の回折格子。 10．前記誘電体材料がIII−Ｖ族材料である請求項１ないし９のいずれか１項 記載の回折格子。 11．前記誘電体材料がインジウムフォスファイド（ＩｎＰ）である請求項１０ 記載の回折格子。 12．前記散乱中心が誘電体基板内に形成された孔で成る請求項３，４又は５の いずれか１項記載の回折格子。 13．前記孔が誘電体材料で充填されている請求項１２記載の回折格子。 14．入力ビームを結合するための前記手段は前記光学結晶材料の領域に入射す るビームをコリメートするための手段を含む請求項１ないし１３のいずれか１項 記載の回折格子。 15．出力ビームを結合するための前記手段はグレーズ状態で放出される出力ビ ームをフォーカスするための手段を含む請求項１ないし１４のいずれか１項記載 の回折格子。 16．少くとも１つの前記コリメートするための手段と、フォーカスするための 手段とが前記光学結晶材料の領域を備えた共通基板内に一体的に形成された凹状 反射面で成る請求項１４又は１５記載の回折格子。 17．光学結晶材料の領域を形成し、 前記領域に隣接して入力ビームを結合するための手段とグレーズ状で放出され るビームを結合するための手段とを形成することを特徴とする光回折格子を製造 する方法。 18．前記結合するための手段と光学結晶材料の領域とを誘電体材料の共通基板 上に形成することを含む請求項１７記載の方法。 19．前記光学結晶材料の領域を形成する段階が誘電体材料内に概ね規則正しい 孔のアレイをエッチングすることを含む請求項１７又は１８記載の方法。 20．前記孔にその後誘電体材料を充填する段階を含む請求項１９記載の方法。 21．請求項１ないし１６のいずれか１項記載の回折格子を含む波長マルチプレ クサまたはデマルチプレクサ。 22．ａ）光入力と； ｂ）該光入力からの入射光ビームを受けるようにされた光学結晶材料の領域と ； ｃ）前記光学結晶の領域からの光ビームを受けるようにされた光出力とから成 る光回折格子。 23．ａ）光入力と； ｂ）該光入力からの入射光ビームを受けるようにされ、かつ誘電体材料内に形 成された散乱中心のアレイで成る光学結晶材料の領域と； ｃ）該光学結晶材料の領域からの光ビームを受けるようにされた光出力とから 成る光回折格子。 24．請求項１ないし１６，２２，及び２３のうちのいずれか１項記載の光回折 格子を組み込んだ偏光選択性フィルタ。