JP4713464B2 - 中空コアの導波路を含む可変光減衰器 - Google Patents

Description

本発明は、可変光減衰器（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ、ＶＯＡ）装置に関し、より詳しくは、マイクロ電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、ＭＥＭＳ）作動シャッタを組み込むそのような装置に関する。

通信およびデータネットワークは、光学構成要素を使用することによって、ますます実現されてきている。制御された状態下で光学ビームのパワーの低減を可能にするために、様々なタイプの可変光減衰器（ＶＯＡ）が開発されてきた。特に、ＶＯＡは、光ファイバネットワークなどにおいて、パワーを等化するための従来の手段として使用される。

米国特許第６，１６３，６４３号および国際公開第０１／７５，５０３号に、ビームが自由空間を通って伝播する領域を含む光路を介して、光が、入力導波路から出力導波路に結合されるＶＯＡ装置が記載されている。ビームをさえぎるシャッタが、自由空間のギャップに隣接して配置され、ビームの経路に入るおよびビームの経路から出るシャッタの線形移動によって、ビームの減衰が制御可能になる。同じ原理に基づき動作するＵ字型自由空間の光路を含むＶＯＡも知られており、たとえば欧州特許第７１８，６５７号を参照されたい。

上記で述べたＶＯＡなどの自由空間ＶＯＡの欠点は、シャッタがその中に配置される自由空間領域を含むことに関連した、比較的高い光学的損失である。特に、ビームが自由空間のギャップを通って伝播するとき、回折効果からビーム直径が増加する。このため、光がその後に出力光ファイバに結合される効率が、悪くなることがある。シャッタの角度ミスアラインメントによって、装置によってビームに課される波長に応じる偏光および／または損失が増加することもある。

２つの同軸で位置合わせされた光ファイバ間の自由空間領域中に、ＭＥＭＳシャッタを配置することによって、ＶＯＡを形成することも知られている。たとえば、米国特許出願第２００３／０２７，３７０号に、伝播ガイドまたはチャネルが、光ファイバを収容するためにシリコン基板に形成されるＶＯＡが記載されている。入力および出力光ファイバは、伝播ガイドで同軸に位置合わせされて保持され、ＭＥＭＳシャッタを使用して、入力および出力ファイバ間で結合された光の量を制御する。同様の構成が、米国特許第６，３１５，４６２号にも記載されている。さらに、米国特許出願第２００２／１０２，０５９号に、入力および出力ファイバの間のわずかな軸のオフセットを使用して、不要な光の後方反射をどのようにして低減することができるかが教示されている。このタイプの光ファイバベースのＶＯＡは、通常、正確なファイバの位置合わせを確実にし、一方光ファイバ末端部のファセット間の自由空間のギャップを最小にするために、非常に複雑な構成を伴う。

国際公開第０１／３８，９２１号および国際公開第０１／５９，４９２号に、半導体基板に形成され、埋設された中実コアの光導波路を介して、入力および出力光ファイバ間で光が結合される、様々なＶＯＡ構成が記載されている。「トレンチ」が、中実コアの光導波路を横切って形成され、それによって中実コアの導波路の入力および出力部分を画定する。ＭＥＭＳ可動シャッタが、トレンチに配置され、入力および出力の中実コアの導波路部分間で、どの程度光を結合させるかを制御する。この構成の欠点は、装置の性能に有害な影響を与える、空気対中実導波路の境界面の数が大きいことである。

本発明の目的は、上記に述べた欠点の少なくともいくつかを軽減することである。

本発明によれば、可変光減衰器装置は、第１の光入力部と、第１の光出力部と、第１の光入力部と第１の光出力部との間の第１の光路と、前記第１の光路を横切る（たとえば、第１の光路に入る、または第１の光路から出る）シャッタを移動するための手段とを含み、中空コアの導波路を設けて、第１の光路に沿って光を実質的に導波する。この装置は、独立型の構成要素でもよく、またはＰＣＴによる英国特許出願第ＧＢ２００３／０００，３３１号に記載されたタイプのプレーナ光回路（ＰＬＣ）の一部を形成してもよい。

したがって、本発明のＶＯＡは、シャッタを介して第１の光入力部と第１の光出力部との間で光を結合する、中空コアの光導波路を含む。言い換えると、光は、中空コアの光導波路の第１の区画によって第１の光入力部からシャッタまで導波され、シャッタを通過する光は、すべて中空コアの光導波路の第２の区画によって第１の光出力部まで導波される。本発明の装置は、自由空間のギャップを有した従来技術の装置より有利である。というのは、中空コアの導波路内のシャッタへ光を導波しかつシャッタから光を導波することによって、自由空間での散乱から生じる不要なビームの減衰が、低減されるからである。この装置は、散乱効果が比例してより大きい、小さな直径のビームとともに使用されるとき、特に有利である。さらに、本発明による中空コアの導波路を使用すると、米国特許出願第２００３／０２７，３７０号に記載されているような、極めて近くに近接してファイバの末端部を正確に位置合わせする必要がなくなり、国際公開第０１／３８，９２１号および国際公開第０１／５９，４９２号に記載されているような、どのような追加の空気対中実導波路の境界面も導入しない。

中空コアの光導波路構造が生成されたとき、中空コアは、空気で満たすことができる可能性があることに留意すべきである。しかし、これは、本発明の範囲を限定するように、見るべきでない。中空コアは、任意の流体（たとえば、液体または窒素などの不活性ガス）を含んでもよく、または真空でもよい。用語、「中空コア」は、どのような中実材料も存在しないコアを単に意味する。さらに、用語、「光」および「光学（的）」は、本明細書では、深紫外（ｄｅｅｐ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）から遠赤外までの波長を有した任意の電磁放射を言及するために使用される。当業者に明らかになるはずのように、導波路は、光を閉じ込め導波する構造体を意味する。

光学ビームをさえぎって、第１の光路に沿って通過させないために設けられたシャッタは、必要な光学機能をもたらすように形成されることができる。多数のシャッタ形状が、当業者に知られており、たとえば国際公開第０１／７５，５０３号に記載されているタイプの、Ｖ字型シャッタまたはギザギザのシャッタの構成がある。

シャッタは、第１の光路を形成する中空コアの導波路の全体または一部分だけを横切って、移動できるように構成されてよい。あるいは、シャッタは、第１の光路内の第１と第２の位置の間で移動できるように構成されてよい。設けられる、光路へのシャッタ侵入程度およびシャッタ移動量は、ビーム減衰制御の必要になる程度を実現するように選択される。シャッタを移動できる精度が、ビーム減衰制御の精度を制御することになることは理解される。シャッタは、２つ以上の固定位置（たとえば、完全に挿入された位置および完全に引き出された位置）間を移動し、２つの減衰レベル（たとえば、全減衰およびゼロ減衰）をもたらするように、構成することができることにも留意すべきである。

有利にも、この装置は、半導体材料を含む基板に形成される。

シリコンなどの半導体基板は、エッチングによって、微細加工技術を使用して高精度を有した中空コアの導波路を提供することができる。有利にも、基板は、複数層のウェハ、たとえばＳｉＧｅ、あるいはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、またはシリコンオングラスを含んでもよい。微細加工技術は、通常、パターンを画定するためのリソグラフィステップ、続いて、基板材料上にまたは基板材料に１つまたは複数の層にパターンを変換するためのエッチングステップを伴うことを、当業者は認識する。リソグラフィステップは、フォトリソグラフィ、あるいはＸ線または電子ビームのリソグラフィを含んでよい。エッチングステップは、イオンビームミリング、化学エッチング、ドライプラズマエッチング、またはディープドライエッチング（ディープシリコンエッチングとも言われる）を使用して、実施されてよい。このタイプの微細加工技術は、スパッタリング、ＣＶＤ、および電気メッキなど様々な層堆積技術とも両立する。

半導体材料を含む基板が、有利にも使用されることができるが、装置は、様々な代替基板上に形成されることもできる。たとえば、石英、シリカ、またはガラスの基板を使用することができる。しかし、半導体処理技術を適用することができる基板を使用することが、好ましい。

装置は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）のウェハに形成されることが、好ましい。いくつかの半導体材料（シリコンを含む）の場合、光は、ウェハの表面を画定する面に平行または垂直（すなわち、ウェハを貫通する）方向で、ＶＯＡによって入力および／または出力されてよいことに留意すべきである。

都合よく、ベース部分およびふた部分を設けて、前記中空コアの導波路構造体を形成する。そのような構成は、中空コアの導波路を生成する都合のよい手段を提供し、ＰＣＴによる英国特許出願第ＧＢ２００３／０００，３３１号に、より詳細に記載されている。ふた部分またはベース部分は、中空コアの導波路を横切ってシャッタを移動するための手段を含んでよい。

有利にも、この装置は、ディープ反応性イオンエッチングなどの微細加工技術によって形成される。

都合よく、前記第１の光路を横切ってシャッタを移動するための手段は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構成要素を含む。ＭＥＭＳ構成要素の選択は、必要なシャッタの移動速度および移動量に応じる。シャッタは、ＭＥＭＳ構成要素の一体部品として形成されてもよく、またはＭＥＭＳ作動および／または変位要素に取り付けられてもよい。

本明細書では、ＭＥＭＳは、マイクロマシン要素、マイクロシステム技術、マイクロロボット、およびマイクロエンジニアリングなどを含むと理解される。有利にも、ＭＥＭＳ構成要素は、長い到達距離（たとえば、５μｍ〜１００μｍフルスケール偏向）の作動をもたらすために、電気熱の作動メカニズムを含むことができる。ＭＥＭＳ構成要素は、偏向を機械的に増幅するためにコンプライアントメカニズムを含むこともできる。静電気的、電磁的、バイモルフ、または圧電性などの代替の作動メカニズムを使用してもよい。

有利にも、ＭＥＭＳ構成要素は、中空コアの導波路とモノリシックに形成される。このようにして、ＭＥＭＳ構成要素（シャッタを含んでよい）は、中空コアの導波路と同じプロセスで形成され、それによって、追加の処理または装置組み立てを必要とせず、ＶＯＡを生成する簡単な方法が提供される。あるいは、ＭＥＭＳ構成要素（シャッタを含んでよい）は、別のプロセスで形成し、中空コアの導波路が形成された基板にハイブリッド取り付けされることができる。

位置合わせスロット内にシャッタを部分的に保持することは、シャッタが中空コアの導波路を横切って移動するとき、シャッタが正確に位置合わせされるので、有利である。これは、特にハイブリッド装置の場合である。シャッタが配置される位置合わせスロットは、中空コアの導波路の形成と同時に形成されてよい。このようにして、シャッタは、位置合わせスロット内に密にはめ込まれ、一方、第１の光路に入りかつ第１の光路から出るようになお自由に移動するように、構成されることができる。たとえば、位置合わせスロットは、シャッタの各面のいずれ側にも２μｍのギャップを残すように構成されてよい。これは、中空コアの導波路の断面全体（通常１０μｍ〜２００μｍ）に対し低い割合を示し、したがって光が、シャッタを通過して実質的に導波される、すなわち中空コアの導波路内へのモード閉じ込めが、小さなギャップによって著しくは減少されないことが、保証される。

有利にも、さらに装置は、第２の光出力部を有する。第２の光出力部は、シャッタが第１の光路に配置されたとき、シャッタによって反射された光を受光するように、構成することが好ましい。

言い換えると、シャッタが第１の光路に挿入されたとき（部分的にまたは完全に）、シャッタから反射された光を、第２の光出力部に向けてよい。シャッタと第２の光出力部との間の光路は、中空コアの光導波路を含むこともできる。第２の光出力部を設けることによって、迷光が、たとえばシャッタを加熱することによって、または不要な光散乱効果から、ＶＯＡの性能に悪影響を及ぼすことを防ぐ。

第２の光出力部は、ビームダンプ（ｄｕｍｐ）手段を有利にも含むことができる。たとえば、円形またはらせん形の中空コアの導波路構造体を使用して、不用の光を処分することができる。あるいは、第２の光出力部を設けることによって、２方向アナログスイッチまたは２方向可変強度ビームスプリッタとしての、装置の動作が可能になる。装置は、たとえばシャッタが、完全に引き込まれた位置と完全に挿入された位置との間で移動可能である、デジタルスイッチとして動作することもできる。

有利にも、第２の光入力部と第２の光出力部との間に第２の光路を画定する、第２の光入力部が設けられることができ、前記シャッタが、前記第２の光路を横切って移動可能である。このようにして、２つの別の光路が設けられる。シャッタは、２つの光路のそれぞれを横切って移動可能である。このようにして、１個のシャッタの移動によって、第１および第２の光路に沿って伝播する２つの別のビームに加えられる減衰を変えることができる。

有利にも、中空コアの導波路を設けて、第２の光路に沿って実質的に光を導波する。第１の光路に関して上記で述べたように、光を導波する中空コアの導波路を設けることによって、自由空間の伝播の場合に見られるはずの光の損失が、低減される。

都合よく、第１の光出力部は、シャッタが、第２の光路に配置されたとき、シャッタにより反射された第２の光入力部からの光を受光するように、構成される。

好ましい実施形態では、前記第１および第２の光路の伝播軸は、交点において実質的に直角であり、シャッタは、第１および第２の光路の伝播軸に対して、実質的に４５°で角度が付けられる。このようにして、装置は、ダブルビーム分割装置として動作することができる。シャッタの移動が、第１の入力部から第１および第２の出力部へ向けられる光の割合を制御し、かつ第２の入力部から第１および第２の出力部へ向けられる光の割合も制御する。

都合よく、第１の光入力部、第１の光出力部、第２の光入力部、および第２の光出力部の少なくとも１つが、光ファイバを受け入れる手段を含む。たとえば、光ファイバを受け入れる手段は、装置に形成された位置合わせスロットを含んでよく、位置合わせスロットは、所定の位置に光ファイバを固定し、それによってＶＯＡへの光学接続を可能にするように構成される。中実コアのファイバの場合、ステップ型光ファイバの位置合わせスロットを設けて、バッファ層およびクラッド層をともに固定してよい。ＶＯＡの中空コアの導波路と中空コアの光ファイバのコアとの位置合わせを、たとえば光ファイバのクラッドを位置合わせスロットに固定することによって、達成することもできる。中空コアの光ファイバの使用は、空気コア対空気コアの接続が、どのような不要な反射もないので、特に有利である。

光ファイバのコアとＶＯＡの中空コアの導波路との間を効率的に結合するために、中空コアの導波路の断面は、光ファイバのコアの断面に対して適切であるべきである。中実コアのファイバの場合、クラッドへの漏れは、ファイバが搬送するモード幅が、コア直径より実際に大きいことを意味する。たとえば、通常、シングルモードのグラスファイバの１０μｍの中実コアは、約１４μｍの直径の全フィールド幅（ｔｏｔａｌ ｆｉｅｌｄ ｗｉｄｔｈ）を有する。モード幅が、中空コアの導波路のモード幅と異なる場合、レンズ（たとえば、ボールまたはＧＲＩＮロッドなど）を使用して、光フィールドを拡大または縮小し、それによってＰＬＣの中空コアの導波路のコアと異なるサイズのコアを有したファイバへ光を結合し、または異なるサイズのコアを有したファイバからの光を結合することが可能になる。中実コアのファイバのファイバ末端部は、反射防止コーティングを施してよい。

ＶＯＡの中空コアの導波路に光を結合するために、別のコリメート手段に対する要件を無くすレンズを付けられたファイバを使用してもよい。

有利にも、シャッタは、実質的に反射型である。シャッタは、適切な反射型材料から形成してもよく、または適切な反射コーティングを施してもよい。

都合よく、シャッタ上に施された反射材料は、金、銀、または銅などの金属層である。金属は、その金属の物理的特性によって決定される波長範囲にわたり、適切な低屈折率を示す。Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋによる「光学定数ハンドブック（ｔｈｅ ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）」、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９９８などの標準の教科書に、波長に応じる様々な材料の屈折率についての正確なデータが提供されている。特に、金は、約５００ｎｍから２．２μｍの範囲内の波長で空気の屈折率より小さい屈折率を有する。この波長は、１４００ｎｍから１６００ｎｍの重要な通信帯域内の波長を含む。銅は、５６０ｎｍから２２００ｎｍの波長範囲にわたり１より小さい屈折率を示し、一方、銀は、３２０ｎｍから２４８０ｎｍの波長範囲にわたり同様の屈折率特性を有する。

金属層は、当業者に知られている様々な技術を使用して堆積されることができる。これらの技術は、スパッタリング、蒸着、化学気相堆積（ＣＶＤ）、および（電気または無電解）メッキを含む。ＣＶＤおよびメッキ技術では、金属層が、著しく方向に応じる厚さ変動なしに堆積されることが可能になる。サンプルおよび／またはソースを回転して行うスパッタリングは、また均一な被覆を提供する。メッキ技術は、バッチ処理（すなわち、複数の基板を並行して）を行うことが可能なので、特に有利である。

金属層を堆積するのに先立ち、付着層および／または拡散バリア層をシャッタに堆積できることは、当業者には認識される。たとえば、金の堆積前に、クロムまたはチタンの層を付着層として設けることができる。金の堆積前に、白金などの拡散バリア層を付着層に堆積してもよい。あるいは、組み合わされた付着および拡散層（窒化チタン、チタンタングステン合金、または絶縁層など）を使用することができる。

全て誘電体のスタックまたは金属と誘電体のスタックによって、反射コーティングを施してもよい。誘電体層の光学厚さが、コーティングの反射特性を決定する干渉効果をもたらすことは、当業者には認識される。誘電体材料は、ＣＶＤ、あるいはスパッタリング、または反応性スパッタリングによって堆積されてもよい。あるいは、誘電体層は、堆積された金属層との化学反応によって形成されることができる。たとえば、銀の層は、ハロゲン化物と化学的に反応させて、ハロゲン化銀の薄い表面の層を生成されることができる。

言い換えると、反射コーティングは、全て誘電体のスタックまたは金属と誘電体のスタックによって設けてよい。誘電体層の光学厚さが、必要な干渉効果をもたらし、したがってコーティングの反射特性を決定することは、当業者には認識される。コーティングの反射特性は、中空コアの導波路が形成される材料の特性に、ある程度応じることもあり得る。したがって、シャッタが形成される材料は、ベース層を形成してよく、ベース層の一部であってもよく、そのような任意の複数層の誘電体スタックでもよい。

有利にも、１つまたは複数の中空コアの光導波路の部分は、実質的に長方形（本明細書では正方形を含む）の断面を有する。正方形またはほぼ正方形の断面の中空コアの導波路は、損失が実質的に偏光に応じない導波路を提供し、光の偏光状態が不明または変化しているときに好ましい。その深さが幅より大きくなるように導波路を寸法設定すると、偏光に応じる損失は増加するが、導波路を通って伝播する光の偏光状態が知られているときには、有利になり得る。

長方形の断面の導波路は、都合がよいが、多数の代替導波路形状を使用することができる。たとえば、円形、楕円形、またはＶ字型の導波路を提供することができる。

中空コアの導波路の内側表面は、都合よく、反射コーティングを含んでよい。中空コアの導波路の内側表面に施される反射コーティングは、上記に述べたタイプの金属または誘電体、あるいは金属と誘電体のスタックでよい。中空コアの導波路の内側表面に施されるどんなコーティングも、シャッタに施されるコーティングとも同じでよく、または異なってもよい。

中空コアの導波路は、有利にも、基本モード伝播をサポートするように寸法設定されることができる。

あるいは、中空コアの導波路は、都合よく、マルチモード伝播をサポートするように寸法設定されてもよく、有利にも、マルチモードのリイメージング効果（ｒｅ−ｉｍａｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）をもたらすことができる。リイメージング効果は、以下により詳細に述べるが、マルチモード導波路へのフィールドの注入から一定の距離に、入力フィールドの複製を提供する。マルチモードのリイメージングポイントまたはマルチモードの複製ポイントの近傍で光路を横切ってシャッタを移動することは、光学ビームを減衰させるための都合のよい手段を提供する。特に、リイメージング効果を使用して、シャッタの近傍の導波路の縁部に接近して、リイメージングポイントを提供することができる。したがって、ビームをさえぎるために必要なシャッタの到達範囲が、低減され、装置の構造および動作が簡単化される。

都合よく、マルチモード導波路は、マルチモードのリイメージングポイントの近傍で断面寸法が減少するように、テーパを付けられる。このため、リイメージングビームの物理的寸法がさらに減少し、それによって、あるレベルのビームの減衰をもたらすために必要なシャッタ移動量が、さらに減少する。

あるいは、シャッタは、最大フィールド拡張部のポイントの近傍で光路を横切って移動することができる。これは、より高い減衰精度が要求された場合に有利である。

リイメージング効果を使用する代わりに、光は、ＧＲＩＮロッド、ボール、またはフレネルレンズなど１つまたは複数のコリメート手段によって、第１および／または第２の光路を通る伝播に関してコリメートされることができる。コリメート手段は、第１および／または第２の光路を通って伝播したコリメートされたビームの集束を弱め、そのビームが、関連する光ファイバに結合されることを可能にする。コリメート手段を含む装置を使用すると、リイメージング効果に基づくシステムで可能である分離より大きな、光入力部とその関連する光出力部の分離の柔軟性が可能になる。しかし、完全な減衰には、実質的に中空の導波路チャネル全体を遮断することができるシャッタが必要である。装置を通る２つのタイプの伝播を有利に使用できる様々な状況を、当業者は理解する。

ここで、本発明について、例としてだけで、以下の図面を参照して述べる。

図１を参照すると、本発明によるＶＯＡ２が示されている。

ＶＯＡ２は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板６に形成された、Ｔ字型中空コアの導波路構造体４を含む。その構造体を形成する中空コアの導波路は、基本モード伝播をサポートするように寸法設定される。光が、入力光ファイバ８から入力ボールレンズ１０を介して、中空の導波路構造体４の第１のアームに結合される。光は、中空の導波路構造体４の第２のアームから、出力ボールレンズ１４を介して出力光ファイバ１２に出力される。入力および出力ボールレンズは、光ファイバと中空コアの導波路のと間のモード整合を行うために設けられる。

Ｔ型接合部の領域では、ＭＥＭＳ可動シャッタ１６が、位置合わせスロット（図示せず）に設けられる。中空コアの導波路へのシャッタ１６の移動が、ＶＯＡ装置の第１のアームから第２のアームへ（すなわち、入力光ファイバ８から出力光ファイバ１２へ）伝播する光の量を遮断するように、シャッタは４５°で角度を付けられる。シャッタによってＴ型接合部の第２のアームに入ることを遮断された不要な光は、すべて９０°で反射され、Ｔ字型中空コアの導波路の第３のアームに沿って向けられる。

シャッタ１６は、中空コアの導波路の製造中にＳＯＩ基板に形成され、したがって中空コアの導波路とともにモノリシックに集積化される。その後、ふた（図示せず）が、ＳＯＩ基板に取り付けられて、中空コアの導波路が完全に形成される。シャッタ１６は、通常、導波路断面より大きく構成され、シャッタが、中空コアの導波路の幅を完全に横切って延在することができ、最大の減衰を可能にする。シャッタは、中空コアの導波路と同時に画定されるので、自己整合される。さらに、導波路の関連するギャップは、シャッタの両側で比較的狭い（たとえば、それぞれの側で２μｍ）。これは、ガイド全体の断面（通常１０μｍ〜２００μｍ）に対し低い割合を示すので、導波されない光の短い光路長を提供し（すなわち、ビームは、実質的に導波される）、したがって低い挿入損失になる。

シリコンシャッタは、ガイドのベースに（犠牲層のため）、または導波路の上部に（それが、シリコンのわずかにへこんだ部分に製作される、またはふた取り付けプロセスで使用される金属スペーサによってオフセットされるため）、完全には全面的に延在しない。したがって、シャッタは、他の表面と接触せずに移動し得る。そのようなシャッタ構成で達成可能な光減衰の程度は、モード閉じ込めによって、導波路の縁部近辺、特に隅部近辺では、パワーがほとんどないので、やはり大きい。

使用の際、中空コアの導波路構造体内のシャッタ１６の位置は、制御状態下で変化され、入力ビームに必要な減衰を与える。このようにして、光が、シャッタ領域を通って導波され、それによってビーム回折による光損失を最小にする、ＶＯＡが提供される。

図２を参照すると、本発明による代替のＶＯＡ２０が示される。図１を参照して述べた装置と同様に、ＶＯＡ２０は、Ｔ字型の中空コアの光導波路構造体４を含み、この光導波路構造体４は、シリコン基板６に形成され、かつ入力光ファイバ８と出力光ファイバ１２とを有する。ＭＥＭＳ可動シャッタ１６も設けられる。

しかし、ＶＯＡ２０は、ボールレンズを含まない。入力光ファイバ８からの光が、中空コアの導波路に直接結合される。Ｔ字型の中空コアの光導波路構造体４の寸法は、光ファイバ８から中空コアの導波路に注入された入力ビームの「リイメージング」が、ＭＥＭＳ可動シャッタ１６に近接して起こるように、構成される。

リイメージング現象は、他の文献でより詳細に説明されており、たとえばＰＣＴによる英国特許出願第ＧＢ２００３／０００，３３１号を参照されたい。簡単に言うと、光ファイバが結合される中空コアの光導波路構造体は、マルチモード導波路として作用するように形成することができる。適切に寸法設定されたマルチモード導波路によって、入力されたビームのイメージであるビームを生成することができる、様々なビームを分割しかつ結合する機能が作り出される。

特に、長方形または正方形の断面の中空マルチモード導波路は、導波路の幅と深さに適切な関係を有するように導波路の長さを構成することによって、対称、反対称、または非対称の光フィールドのリイメージングをもたらすように、構成されることができる。言い換えると、入力ビームのガウス入力プロファイルが、所定の導波路に沿って一定距離を伝播した後、リイメージング（すなわち、再生）される。この効果は、ビーム複製も生じさせる、すなわちビームの複数のイメージが、リイメージング長さより短い距離で形成される。この効果は、以前に米国特許第５，４１０，６２５号に記載されており、マルチモード干渉（ＭＭＩ）ビーム分割装置の基礎をなしている。

例として、正方形断面の導波路の対称フィールドは、（導波路幅の二乗）÷（伝播する放射の波長）で与えられる、リイメージングの長さを有する。対称フィールドのリイメージングは、リイメージング長さおよびそのリイメージング長さの倍数の長さで起こる。リイメージングポイントの中間に、ビーム複製ポイントおよび最大フィールド拡張部のポイントが見られる。

したがって、５０．０μｍ幅の中空導波路と１．５５μｍの放射の場合、リイメージング長さは１．６１３ｍｍになる。対称フィールドは、この長さで、およびこの長さの整数倍の長さ、すなわち３．２３ｍｍ、４．８４ｍｍなどで、リイメージングされる。たとえば、シングルモード光ファイバからのＴＥＭ_００ガウス入力ビームは、１．６１３ｍｍの距離でリイメージングされることができる。

あるいは、非対称光フィールドの場合、リイメージングは、対称フィールドのリイメージングに必要な長さの８倍の長さで起こる、すなわち５０．０μｍ幅の中空導波路には１２．０９ｍｍである。非対称フィールドのミラーイメージも、この長さの半分、すなわち６．０５ｍｍで形成される。特に、マルチモード領域の中心ラインから入力をオフセットさせると、中心ラインの両側において等価なオフセットで、導波路に沿った所定の距離においてリイメージングされる非対称入力が生成される。したがって、ビームは、中空コアの導波路の縁部に接近してリイメージングされることができ、それによってビームをさえぎるために必要なシャッタの移動距離が最小になる。

導波路の深さと幅が実質的に異なる長方形導波路の場合、２つの導波路の断面寸法（たとえば、深さと幅）に伴うリイメージング長さは、それら自体異なる。しかし、リイメージングが、特定の幅および深さに同一の長さで作り出されるように、長方形の中空導波路の寸法間の関係を構成することによって、どのようなフィールドもリイメージングされることができる。したがって、対称フィールドは、幅ｗ_１およびｗ_２の軸に関連してリイメージング長さをまったく同一に構成することによって、中空の長方形導波路にリイメージングされることができる。

図２の距離「ａ」は、入力光ファイバから中空コアの光導波路に注入されたガウス光学ビームに関する、リイメージング距離を表す。入力ファイバ８によって中空コアの光導波路に注入された光学ビーム２２のイメージが、リイメージング領域２４に提供されることを理解することができる。したがって、リイメージングビームは、リイメージング領域２４の近傍に配置されるシャッタ１６の移動によってさえぎることができる。ビームの光学的パワーが、リイメージング領域２４に集中するので、全減衰とゼロ減衰との間の切り替えに必要なシャッタの移動は、図１を参照して述べたタイプの装置で必要な移動と比較して減少する。

図３を参照すると、図１および図２を参照して述べた装置の中空コアの導波路４にシャッタ１６を入れる、および中空コアの導波路４からシャッタ１６を出す移動に使用される作動メカニズム３２が示される。シャッタ１６は、中空コアの導波路構造体４からわずかに離れて形成されたＭＥＭＳ作動メカニズム３２に結合されたアーム部分３０上に保持される。

ＭＥＭＳ作動メカニズム３２は、電気熱ＭＥＭＳ作動メカニズム（たとえば、曲げビーム構成）を含む。長い到達範囲（たとえば、５μｍ〜１００μｍフルスケール偏向）を作動することができるそのようなメカニズムが、前に開示された。シャッタは、ウェハの平面上（すなわち、垂直方向）に在り、したがってウェハの表面上に比較的少ないフットプリントであることができる。

電気熱駆動メカニズムを述べたが、静電、電磁、バイモルフ、および圧電などの代替の駆動メカニズムを使用してよい。特に、静電コーム駆動を使用して、所望の移動を提供することができる。シャッタは、「フリップアップ」構造として形成されることもでき、これによって、シャッタの形状をより正確に画定することが可能になる。ＭＥＭＳ装置作動技術およびそれに関連する製造技術についてのより詳細は、Ｍａｒｃ Ｍａｄｏｕによる「マイクロ製造の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）」ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ（Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ）出版、１９９７年、ＩＳＢＮ ０−８４９３−９４５１−１に見出すことができる。

シャッタの最終的な厚さは、必要とされるシャッタの平坦度の程度および装置のパワー処理性能に応じる。低スカラップで、高度に垂直方向のディープドライエッチングのプロセスが、そのような構造体を達成するのに適する。製造後、シャッタは、反射率を高めるために、導波路のコーティングプロセス中に両側をコーティングすることができる。上記で述べたように、コーティングは、通常金属であるが、誘電体スタックおよび金属と誘電体のスタックを使用してもよい。静電駆動部または電気熱駆動部の能動領域には、装置の動作を信頼できる状態に維持するために、不動態化またはマスキングが、コーティングプロセスに先立ち必要になることがあることは、当業者には理解される。

図１および図２に示したタイプのＶＯＡ装置のシャッタ１６から反射された「不要光」は、ビームダンプ部に転送されることができる。これによって、不要な光が、ノイズを増加せず、または基板のある部分を不要に加熱する原因にならないことが、保証される。

図４を参照すると、いくつかの適切な中空コアのビームダンプ構成が、示されている。図４ａに、簡単な中空コアの導波路末端部を示し、図４ｂから図４ｃに、テーパを付けた中空コアの導波路のビームダンプ部を示し、図４ｄに、らせんビームダンプ部を示し、一方図４ｅから図４ｇに、様々な環状のビームダンプ部を示す。らせんおよび環状のビームダンプ部（テーパを付けてもよい）は、最も高いレベルでビームを減衰する。当業者は、装置がダンプすべき光パワーの量に正確なテーパ構成を選択する。中空コアのビームダンプ部をＶＯＡに使用することができるが、それらは、光パワーをその中でダンプすべき他のどんな装置でも使用されることができる。特に、そのような装置は、ＰＣＴによる英国特許出願第ＧＢ２００３／０００，３３１号に記載されたタイプである、中空コアの導波路のプレーナ光回路の一部分を形成する。

図５を参照すると、ビームスプリッタまたはスイッチとして動作可能であり、図１を参照して述べたＶＯＡに基づくＶＯＡ４０が、示してある。図１に述べたＶＯＡの構成要素と同様のＶＯＡ４０の構成要素は、同じ参照符号が割り当てられる。

ＶＯＡ４０は、図１を参照して述べたような、Ｔ字型の中空コアの光導波路を含む。しかし、シャッタ１６から反射され、かつＴ字型の中空コアの導波路の第３のアームに沿って向けられる光は、第２の出力ボールレンズ４４を介して、第２の出力光ファイバ４２に結合される。

このようにして、ＶＯＡは、ビーム分割装置または光スイッチとして動作することができる。言い換えると、すべての光またはいくらかの光は、入力ファイバ８と出力ファイバ１２との間の光路から出て、第２の出力ファイバ４２へ向けられることができる。

図６を参照すると、図１を参照して述べた装置に基づく他の代替のＶＯＡ６０が、示してある。

ＶＯＡ６０は、十字型の中空コアの光導波路構造体を含む。その構造体の第１のアームが、第１の入力光ファイバ６２に連結され、その構造体の第２のアームが、第１の出力光ファイバ６４に連結され、その構造体の第３のアームが、第２の入力光ファイバ６６に連結され、その構造体の第４のアームが、第２の出力光ファイバ６８に連結される。ボールレンズ７０、７２、７４、および７６を設けて、第１、第２、第３、および第４のアームからの光を、それぞれ第１の入力光ファイバ６２、第１の出力光ファイバ６４、第２の入力光ファイバ６６、および第２の出力光ファイバ６８に結合する。

反射シャッタ７８が、中空コアの光導波路アームの交点の領域に挿入可能である。シャッタ７８が、完全に引き込まれた場合（すなわち、中空コアの光導波路から完全に取り除かれた場合）、第１の入力光ファイバ６２からの光は、装置の第１および第２のアームを通過し、第１の出力光ファイバ６４から出射する。同様に、第２の入力光ファイバ６６からの光は、装置の第３および第４のアームを通過し、第２の出力光ファイバ６８から出射する。

シャッタ７８を完全に中空の導波路構造体に挿入した場合、第１の入力光ファイバ６２からの光は、装置の第１および第４のアームを通過し、第２の出力光ファイバ６８から出射する。第２の入力光ファイバ６６からの光は、装置の第３および第２のアームを通過し、第１の出力光ファイバ６４から出射する。言い換えると、シャッタを完全に挿入すると、出力ファイバを交換し、その出力ファイバを介して、所定の入力部からの光が、装置から出射する。シャッタ７８を部分的に挿入することによって、各入力部からの光を２つの出力部間で分割することが可能になる（すなわち、装置が、２方向アナログスイッチとして動作することができる）。

本発明によるＶＯＡを示す図である。 本発明による代替のＶＯＡを示す図である。 図１および２を参照して述べた装置に使用するのに適したシャッタ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 本発明のＶＯＡ装置に使用するための、中空コアのビームダンプ構成を示す図である。 １対２の光スイッチ機能を提供する本発明によるＶＯＡを示す図である。 ２対２の光スイッチ機能を提供する本発明によるＶＯＡを示す図である。

Claims (15)

1. 第１の光入力部と、第１の光出力部と、第１の光入力部と第１の光出力部との間の第１の光路と、前記第１の光路を横切って実質的に反射型のシャッタを移動するための手段とを含む、可変光減衰器装置であって、
   既知の波長の光の入力ビームに対して、入力ビームの基本モード伝播またはマルチモード伝播をサポートするように寸法設定された中空コアの導波路が、第１の光路に沿って光を実質的に導波するために設けられ、シャッタを移動するための手段は、第１の光路に沿って光の減衰の程度を変更するために第１の光路へのシャッタの侵入程度を制御するために配置され、シャッタは、ゼロ減衰、部分減衰、および全減衰に対応する位置の間で移動可能であり、前記可変光減衰器装置が、中空コアの光導波路からなる第２の光出力部を含み、第２の光出力部は、シャッタが第１の光路に配置されたとき、シャッタによって反射された光を受光するように構成される、装置。
2. 半導体材料を含む基板に形成される、請求項１に記載の装置。
3. シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハに形成される、請求項１または２に記載の装置。
4. ベース部分およびふた部分が、前記中空コアの導波路構造体を形成するために設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 微細加工技術によって形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 微細加工技術が、ディープ反応性イオンエッチングである、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１の光路を横切ってシャッタを移動するための手段が、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構成要素を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. ＭＥＭＳ構成要素が、中空コアの導波路とモノリシックに形成される、請求項７に記載の装置。
9. 第２の光出力部が、ビームダンプ手段を含む、請求項１に記載の装置。
10. 第２の光入力部が設けられ、第２の光路が、第２の光入力部と第２の光出力部との間に画定され、前記シャッタが、前記第２の光路を横切って移動可能である、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 中空コアの導波路が、第２の光路に沿って光を実質的に導波するために設けられる、請求項１０に記載の装置。
12. 第１の光出力部は、シャッタが第２の光路に配置されたとき、シャッタによって反射された第２の光入力部からの光を受光するように構成される、請求項１０または１１に記載の装置。
13. 中空コアの導波路が、実質的に長方形の断面を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 中空コアの導波路の内側表面が、反射型コーティングを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 中空コアの導波路が、マルチモードリイメージング効果を提供するように寸法設定される、請求項１に記載の装置。

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