JP2007522532A - シリコンナノテーパカプラおよびモードマッチングデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 フリースペース伝播光学信号と、シリコン−オン−絶縁体（ＳＯＩ）構造の上側シリコン層に形成された超薄型シリコン導波管の間に光学カップリングを提供する構成が、ＳＯＩ構造の上側シリコン層（ＳＯＩ層）中に形成され、超薄型シリコン導波管に接続されたシリコンナノテーパ構造を具える。誘電絶縁層の屈折率より大きく、シリコンの屈折率より小さい屈折率を有する誘電体導波管カップリング層が、ＳＯＩ層の関連部分が除去された領域における誘電絶縁層の一部の上に横たわるように配置されている。誘電体導波管カップリング層の端部は、シリコンナノテーパの端部に重なって配置されており、フリースペース伝達光学信号と超薄型シリコン導波管との間にモード変換領域を形成する。フリースペース光学カップリング構成（プリズムまたはグレーティングなど）は、誘電体導波管カップリング層の上に配置されており、フリースペースと誘電体導波管カップリング層の間を伝達する光学信号を、後に超薄型シリコン導波管内にカップリングするように用いられる。
【選択図】図３

Description

関連出願のクロスリファレンス
本出願は、２００４年２月１１日に出願した暫定出願第６０／５４３，６１３号の利益を請求する。

技術分野
本発明は、シリコンベースのナノテーパカプラに関するものであり、特に、フリースペース光学カプラと共に使用して、超薄型シングルモードシリコン導波管内へのおよび超薄型シングルモードシリコン導波管からの光信号のカップリングを容易にするナノテーパカプラに関する。

発明の背景
「ナノテーパ」あるいは「逆テーパ」は、シングルモード光学ファイバ（たとえば）と超薄型シングルモード高コントラストインデックス光学導波管間の効率の良い接続を容易にするために使用される高コントラストインデックス導波管のコアの終端部分として一般的に規定される。本発明の目的のために、「超薄型」導波管は、典型的な幅が約０．５μｍのオーダで、典型的な厚さが約０．２５μｍのものとして定義される。典型的なデバイス構造では、高コントラストインデックス導波管のコア近傍のナノテーパ部分の横方向の寸法は、そのコアの幅にほぼ合致する。ナノテーパの横方向の寸法は、光の伝達方向に沿って、「先端」に関連する小さな値になるまで単調に小さくなる（すなわち、ナノテーパ高コントラストインデックス導波管のコアから離れた部分）。この先端部分は、光が、「入射」ナノテーパとして高コントラストインデックス導波管に最初に入るポイント、あるいは光が、「出射」ナノテーパとして高コントラストインデックス導波管から最初に出てゆくポイントを表す。

いくつかの従来技術のナノテーパでは、この先端位置が割れた端部とほぼ一致するようにデバイスが割れている。従って光が、入射ナノテーパ先端内に直接発射されるか、出射ナノテーパの先端から直接に抽出される。代替的に、別の従来技術のナノテーパでは、先端の位置がデバイス内部に、割れた端部から離れて配置されており；従って補助導波管を用いて、この割れた端部からナノテーパ先端へ光を送るようにしている。この補助導波管は一般的に、超薄型導波管より寸法が大きく、屈折率が小さいので、補助導波管のモードサイズと開口数が超薄型導波管のパラメータよりファイバパラメータにより近いので、光ファイバへの最大カップリング効率が達成される。補助導波管のコアは、屈折率が１．５−１．６のオーダのポリマベースの材料を具える。シリコンオキシニトリド、ドーピングした二酸化シリコンなどのその他の材料を用いて、補助導波管のコア領域を形成するようにしてもよい。

特に、従来技術のナノテーパカプラは、通常、一対の導波管部分を具える。第１の、より大きい寸法の導波管部分は、一般的に第２のより小さい寸法の導波管部分に対して第１の部分の一部が第２の部分の一部に重なるように配置されており、「モード転換領域」を形成している。一の例示的な重なり合うジオメトリが、米国特許公開２００４／００５７６６７号に開示されている。ここで、図１及び図２は、平面と側面のジオメトリを記載したものである。図に示すように、符号１は、超薄型シングルモード導波管であって、符号２は、モードフィールドサイズ変換領域であり、符号３は、補助導波管部分であり、符号４は、ナノテーパである。モードフィールドサイズ変換領域２内において、ナノテーパ４は、先端５において比較的小さい値（しばしば５０−１５０ｎｍ）で開始する横方向の寸法を有し、超薄型導波管セクション１に関連する最終的な所望の導波管寸法に向けて外側に広がっている。ナノテーパ４の厚さは、モードフィールドサイズ変換領域２に沿って比較的一定を保っている。

ナノテーパ４の先端５に関連するモードサイズは「大きく」（光の弱い閉じ込めによって）、ナノテーパ４のサイズが膨張するときに収縮し、ナノテーパの長さに沿って有効屈折率が大きくなるときに光をよりタイトに閉じ込める。この効果は、超薄型シングルモード導波管１に関連するより小さいモードへの所望のモード変換を容易にする。図に示すように、光は、補助導波管部分３の端面６に発射される（おそらく、光ファイバ−図示せず−から）。ここで、光は、モード変換領域２内のナノテーパ４の先端５に当たるまで、妨げられずに伝播する。モードサイズは、テーパの流れに沿って徐々に低減するので、このポイントで、光ビームは補助導波管セクション３の比較的低い有効インデックス層７から、有効インデックスが比較的高い超薄型導波管１へ、少ないロスで送られる。

これらの、およびその他の従来技術のナノテーパカプラは、光ファイバから超薄型シングルモード導波管へ光をうまく運んでいるが、使用することのできる方法に制限がある。おそらく、従来技術のナノテーパカプラを用いることの最も大きな障害は、「エンドファイヤ」カップリングの必要性、すなわち、光ファイバ（あるいはその他の導波管）が、光学基板のサイドウオール（端面）を介してナノテーパへカップリングする信号を提供しなければならないことである。このようなカップリング構成は、結合させて研磨する（散乱のロスを低減するために）ことによって、サイドウオール面を注意深く整えて、反射防止（ＡＲ）コーティングを行うことを要求する。これらの準備活動の全ては、高価であり、時間がかかる。「エンドファイヤ」カップリングに関するより大きな問題は、基板の端部のみがカップリングに使用されることであり、ウエハ表面の残りの部分は、従来のナノテーパカプラと共に使用することができないことである。

更に、より大きな補助導波管セクションは、時に、数ミクロンの厚さの材料の使用が必要であり（ファイバへのロスの少ないインターフェースを取るために）、これらの大きさは、従来のＣＭＯＳ製造技術と相入れない。

従って、より丈夫で、事実上ウエハ表面のいずれの位置においても、カップリングデバイスとして使用することのできるシリコンナノテーパカップリングを開発する必要がある。

発明の概要
本発明は従来技術に残るこの必要性に取り組んでいる。これは、シリコンベースのナノテーパカプラに関し、特に、フリースペース光学カプラとともに使用することができ、超薄型シングルモードシリコン導波管内へのおよび超薄型シングルモードシリコン導波管からの光信号のカップリングを容易にするナノテーパカプラに関する。

本発明によれば、「ナノテーパカプラ」は、コアの屈折率が関連するクラッド材料の屈折率より大きいが、シリコンの屈折率より小さい、薄型誘電体カップリング導波管と組み合わせたシリコンナノテーパを具えるカップリング構成に関する。上述したとおり、シリコンナノテーパは、モード変換と、関連する超薄型シリコン導波管への伝送信号のカップリングを提供するように、誘電体導波管（補助導波管として動作する）と重なりあう関係に配置されている。本発明によれば、プリズムカプラ、またはグレーティング構造などのフリースペースカップリングデバイスを用いて、フリースペース光学信号を、薄型誘電体カップリング導波管へ導波管面を介してカップリングしている。従って、従来技術で要求される「エンドファイヤ」カップリング構造の必要がなくなる。

更に、フリースペースカップリングデバイス（例えば、プリズムカプラや、グレーティング）を用いて、従来技術のナノテーパカプラにおける誘電体導波管を具える材料の厚さと屈折率に関する制限が大きく緩和される。フリースペースカップリングデバイスは、光を薄い層の物質に効率よくカップリングして、ある範囲の値の屈折率を提供することができる。従って、好適な屈折率の高い材料が誘電体導波管コアとするのに入手可能であれば、誘電体導波管の寸法を半導体製造にコンパチブルである値に低減することができる。窒化シリコン

は、本発明を実装するのに使用することができる例示的誘電体の一つである。

シリコンよりコアの屈折率が小さい薄型誘電体カップリング導波管を使用することによって、フリースペースカップリング構成において様々な調整を可能にして、効率を改善することは、本発明の利点である。例えば、誘電体層の厚さは、従来のＣＭＯＳ製造プロセスによって調整することができ、カップリングに必要な最適厚さを提供できる（選択された特定の誘電体材料の機能として）。

本発明の好ましい実施例では、シリコンナノテーパの入口に、光ビームが到達したときのカップリングされた光ビームの横方向の寸法を低減するためのフォーカシング光学部品が、誘電体カップリング導波管内に含まれている。この誘電体カップリング導波管はそれ自体が、横方向の寸法にテーパの付いたプロファイルを有しており、ナノテーパとのインターフェースにおける反射を低減する。

誘電体カップリング導波管用にシリコン以外の材料を使用することによって、シリコン以外の材料も関連するフリースペース光学カプラを形成するのに使用できるようになり、導波管層の表面内へのまたは表面からの光ビームをカップリングするのに必要な発射条件のジオメトリをいくらか緩和する。

シリコンナノテーパと共に誘電体カップリング導波管を用いて光−電子構造（すなわち、入力／出力カプラとしての使用に限定されない）上のいずれの位置でも超薄型シリコン導波管へおよび導波管からのカップリングを提供することは、本発明の一の特徴である。この場合、誘電体カップリング導波管は、超薄型導波管の特性（例えば、散乱ロスの問題）と相入れない様々な光学デバイス（受動デバイス）を形成するのに使用することができ、高性能な動的光学デバイス用の超薄型導波管の使用を確保する。

本発明のその他の及び更なる実施例及び態様は、添付の図面を参照して、以下の説明によって明らかになる。

詳細な説明
本発明による、シリコンベースのナノテーパカプラと、フリースペース光学カプラを具えるハイブリッドカップリング構成の使用は、従来技術のエンドファイヤカプラに関連する問題の多くに取り組むものであり、ウェハスケールの製造とフリースペース光学カップリングに関して更なるフレキシビリティを提供する。図３は、本発明にかかるＳＯＩベースの例示的なハイブリッドカプラの側面図、図４は平面図である。ほとんどの場合、本発明に関連して形成されたデバイスは、シリコン基板１０と、二酸化シリコン絶縁層１２と、上側シリコンデバイス層（以下、「ＳＯＩ層」という）１４と、を含むＳＯＩ構造を具え、ここで、ＳＯＩ層１４は、一般的に１ミクロン未満の厚さを有する。

シリコンナノテーパ１６（図４に最もよく示されている）は、ＳＯＩ層１４の一部内に形成されており、上述したように使用して、やはりＳＯＩ層１４内に形成された超薄型シリコンストリップ導波管１８中に効率のよいカップリングを提供している。本発明によれば、従来技術のエンドファイヤナノテーパカップリング構造に関連する様々な制限事項が、ＳＯＩベース構造を有するフリースペース光学カップリングエレメントを有することで克服される。図３および図４に示す例示的な実施例では、プリズムカプラ２０と、関連するエバネッセントカップリング層２４を用いて、光がシリコンナノテーパ１６に届くまで誘電体導波管内を伝達する光で、フリースペース光学ビームを誘電体導波管カップリング層２４にカップリングしており、ここで、この光は次いで、超薄型シリコン導波管１８に伝送される。代替的に、以下に更に詳細に説明するように、グレーティング構造をフリースペース光学カプラとして用いて、伝達光学信号を誘電体導波管カップリング層２４に案内するようにしても良い。

本発明によれば、比較的薄い誘電体カップリング層２４が、本発明の構成中に含まれており、プリズムカプラ２０からの入射光Ｉをシリコンナノテーパ１６にカップリングするのに使用されている。ここで、層２４の屈折率は、エバネッセントカップリング層２２と絶縁層１２の屈折率より大きく、シリコンの屈折率より小さくなるように選択される。一の実施例では、二酸化シリコン（ｎ＝１．４５）を用いて、エバネッセントカップリング層２２（同様に、絶縁層１２）を形成することができる。この場合、窒化シリコン（ｎが約２）を用いて、誘電体カップリング層２４を形成することができ、ここで、窒化シリコンはＣＭＯＳの製造に使用されている共通の材料であり、蒸着、パターン形成、およびエッチングを容易に行って、所望の大きさにすることができる。

ナノテーパ１６へ所望の光カップリングを提供するために、誘電体カップリング層２４の端部を、モードフィールドサイズ変換部分２６内でナノテーパ１６の予め決められた終端部と重なるように配置する。好ましくは、誘電体カップリング層２４は、ナノテーパ１６に近くなるにつれて（図４に符号２８で記載されている）、シリコンストリップ導波管（図３に示す）の誘電体カップリング層２４と上側クラッディング層２５間のインターフェースで反射ロスを低減するように、横方向においてテーパの付いたプロファイルを有するように形成されている。以下に詳細を説明するように、フォーカッシングエレメント３０が誘電体カップリング層２４中に形成されており、これを用いて、入射ビームをナノテーパ１６に好適なスポットサイズへのフォーカッシングを容易にする。フォーカッシングエレメント３０は、レンズの形状であってもよく、鏡、あるいは断熱カップリング構造として、モード保存カプラを形成することもできる。

動作中に、入射フリースペース光学信号Ｉは、プリズムカプラ２０の入射面３９上に当たり、ついで、エバネッセントカップリング層２２を通過して、誘電体カップリング層２４のスラブモードにカップリングされる。伝達する光学ビームＢのアウトラインが、図４に示されている。有利なことに、このようなカップリング構成の使用によって、プリズムカプラ（あるいはその他のフリースペース光学カップリングデバイス）とエバネッセントカップリング領域が存在する限り、ビームがあらゆる所望の位置において実質的にウエハ表面に入射する。更に、誘電体カップリング層２４（窒化シリコンなど）の使用によって、このカップリングエレメントとしてのシリコン材料（特に、ＳＯＩ層１４）の使用に関するこれまでの限定事項を低減する。更に、この誘電体カップリング層用代替材料の使用は、プリズムカプラ２０用にその他の多くの材料オプションを可能とする。

実際、分離誘電体カップリング層２４を入力カップリング領域のＳＯＩ層１４の位置において使用することの利点は、この入力カップリング領域の屈折率を必要なだけ変えることができることである。従来技術のほとんどの場合、ＳＯＩ層１４は、ＳＯＩ構造にカップリングするためだけでなく、光−電子システム内のその他の構成要素を形成するためにも使用されている。ＳＯＩ層のこれらの更なる条件が、光学的な問題と電気的な問題の双方に関して、ＳＯＩ層１４のドーピングと厚さの双方を制御しており、従って、ＳＯＩ層１４のパラメータを好適なカップリング性能に変形することができない。この制限は、逆に、入力（同様に、出力）ビームの発射条件のジオメトリを有意に拘束する。

従って、層の一部を除去して、窒化シリコンなどの誘電体導波管カップリング材料でそれを置き換えてＳＯＩ層１４を製造することによって、この蒸着した窒化シリコン層の厚さを制御して（標準ＣＭＯＳプロセスを用いて）、最終的な誘電領域が十分な光学カップリングに必要な詳細寸法を示すようにすることができる。一の実施例では、誘電体カップリング層２４の厚さが、０．５μｍより小さく、１．０μｍのオーダの厚さを有する絶縁層１２を有する。

フリースペースビームをＳＯＩ構造体にカップリングするためにシリコン導波管領域（通常、ＳＯＩ層）を用いていた従来の構造では、関連するプリズムカプラも、必然的にシリコンで形成されていた。ここで、導波管カップリング領域用に別の誘電体材料（シリコンより屈折率が低い）を使用すること、その他の多くの材料及び／又は構造を用いて、プリズムカプラを作ることができる。別の材料を選択する能力も、入力ビームカップリング角度（入射面３２に対する）、エバネッセントカップリング層２２の厚さ／特性の厳しい条件をいくらか「緩和」すると考えられる。

カップリング導波管としてシリコンに代えて窒化シリコンを使用することによって、更なる利点が見出される。実際、窒化シリコンを使用する場合、波長に対する感度がより低くなるという光の入射条件が見出され、本発明のカップリング構造をより広い波長レンジにわたって使用することができる。図５及び６は、θ_Ｓｉ（プリズム２０内のビーム角度、図３参照）とθ_ａｉｒ（プリズム２０内へのビーム入射角度、図３参照）のそれぞれについての本発明のこの特徴を示すプロットである。図５を参照すると、窒化シリコン導波管カップリング層と、従来技術のシリコンカップリング層との比較が示されている。結果から明らかな通り、窒化シリコンカップリング導波管を用いる場合、入力波長が１．３から１．６５μｍの範囲で変化する場合に、θ_Ｓｉの最適値の変化がわずかであり、単一のデバイスで複数の波長を十分にカップリングできる（特に、ＷＤＭアプリケーションにおいて有益である）。これに対して、従来技術の構成は、同じ波長レンジにおいて５°以上の変化を示す。同様の結果が、図６のグラフにも見られる。ここでは、従来技術のθ_ａｉｒの変化が、対象の波長レンジを超えて２０°以下から約４０°で変化している。本発明によって窒化シリコンカップリング導波管を用いる場合に、この角度の依存性が同じ帯域において５°を超えない値に低減される。

誘電体カップリング層２４から下側の誘電体層１２および基板１０への光の「漏れ」を通じての光学信号のロスを防ぐために、誘電体カップリング層２４内での光学信号のタイトな制限が必要である。従って、誘電体カップリング層２４の屈折率は、標準クラッド材料の屈折率（例えば、ｎ＝１．４５の二酸化シリコン）を大幅に超えなくてはならない。上述したとおり、屈折率が約２の窒化シリコンは、この目的に使用することができる比較的屈折率が高い例示的な材料である。ドーピングした二酸化シリコン、シリコンオキシニトリド、シリコンカーバイドなどのその他の材料を使用することもできる。

誘電体カップリング層２４の有効厚さが通常１ミクロン未満である一方、ビーム径（光学モードプロファイルＯで示す）は、１０ミクロンのオーダであってもよい。超薄型シリコン導波管にこのビームを十分にカップリングさせるためには（１ミクロン、あるいはそれ以下のオーダで）、ビームの横方向の寸法を導波管の寸法に低減する必要がある。所望のカップリングパワーを提供するのに、従来技術のナノテーパ構造を用いると、ナノテーパを、スペースが珍重されるＳＯＩベースの光−電子デバイス用に好ましくない長さにする必要がある。従って、誘電体カップリング層２４に沿って配置されている本発明の構造に追加のフォーカッシング光学部品３０を用いて、誘電体カップリング層２４とナノテーパ１６との間の重なりによって規定されるビーム入射モード変換領域２６に先立って光学モードＯの横方向の寸法を低減する。所望の横方向の制限を提供するのにその他の様々な構成を用いることができると理解される。例えば、光子バンドギャップ構造（ＰＢＧ）を誘電体カップリング層２４の一部に沿って形成して、モード変換領域２６とのインターフェースにおいて所望の制限を設けることができる。断熱性のテーパ構造を使用することもできる。

様々なタイプのフォーカッシング構成を用いて、モード変換領域に所望のビームを形成することができる。図７は、フォーカッシング用光学部品３０が示されている一の例示的な構成を示す平面図であり、誘電体カップリング層２４内のビーム路に沿って配置されたチューニングミラー３２とフォーカッシングミラー３４を具える。有利なことに、これらの導波管ミラーは、従来のＣＭＯＳ製造技術を用いて誘電体カップリング層２４内に容易に形成することができる。誘電体カップリング層２４が窒化シリコン層を具える場合、チューニングミラー３２とフォーカッシングミラー３４は、二酸化シリコンでできていても良い。これらの二つの材料の屈折率が異なる結果、本質的に、すべての衝突光ビームが入射面で反射される。従って、光信号は、まず、チューニングミラー３２の表面３６で反射して、フォーカッシングミラー３４の表面３８に向かって伝達される。フォーカッシングミラー３４で提供されるフォーカシングは、図７に示すように、ビームがモード変換領域２６、ついにはナノテーパ１６に入るときのビームの横方向の寸法を有意に低減する。

代替の実施例（図示せず）において、凸状導波管レンズを誘電体カップリング層２４内に作ることができる。この場合、誘電体カップリングスラブ層２４は、窒化シリコンでできていても良く、一方、レンズエレメントは、酸化物材料で形成されている。

幅の狭い超薄型シリコン導波管（「シリコンワイヤ」ともいう）は、０．２μｍ×０．５μｍのオーダの非常に小さな寸法を有し、誘電体の対応部分よりいくらかロスが大きい傾向にある。増加した光学的ロスは、高インデックスコントラスト、サイドウォールの粗さ、ドーピングの必要性などのファクタに寄与する。ロスが非常に低いアプリケーション用に、あるいは、デバイスの感度（例えば、センサのような）を上げるために長い光路長を必要とするアプリケーション用に、シリコンワイヤ導波管に関連するロスは、極端に高い。従って、本発明の教示によれば、誘電体カップリング層２４とシリコンナノテーパ１６の組み合わせを用いて、様々な光学デバイスを誘電体カップリング層２４またはシリコンワイヤ１８内に意図的に配置することができる。実際、層２４がより大きい寸法を示すので（少ないロスで）、いくつもの受動光学デバイス（例えば、レンズ、ミラー、フィルタ、グレーティング、等）を誘電体カップリング層２４内に形成することができ、比較的長い導波管路長を使用することができる。従って、シリコンワイヤ１８を、基準となる動的光学デバイスのみ用に、「セーブ」することができる。

図８は、誘電体カップリング層２４内に複数の受動光学デバイス４０を組み込むための例示的な構成を示す平面図であり、図９に部分側面図（関連するカップリング光学部材なし）を示す。図８及び９には、特定の数で、特定のタイプの受動光学デバイスは示されていない。代替の実施例が、図１０に（平面図で）示されており、ここでは、チューニングミラー３２とフォーカッシングミラー３４が複数の光学デバイス４０の出力側に、フォーカッシングミラー３４からの出力をモード変換領域２６内に直接フォーカスさせるように配置されている。

実際、本発明のこの特定の態様は、ＳＯＩ構造内の様々な位置に実装することができ、ＳＯＩ層自体の中へのおよびＳＯＩ層自体からの光をカップリングする動きに関連させる必要がない。すなわち、誘電体カップリング層２４とナノテーパ１６の組み合わせを、受動および能動光学構造の双方が要求される様々な位置において、誘電体カップリング層２４中に設けた受動デバイスと、受動的構成部品からの光をシリコンワイヤ１８内に形成されている一またはそれ以上の能動デバイス内に効率よくカップリングするのに使用されるナノテーパ１６とで、受動デバイスに慎重に使用することができる。同様のテーパを用いて、光エネルギィをシリコンワイヤを別の誘電体導波管に送り返すことができる。

上述したとおり、本発明のハイブリッドフリー−スペース／ナノテーパカップリング構成は、超薄型シリコン導波管領域からカプラを介してフリースペースへ戻すアウトカップリングの改善にも同様に適用される。図１１は、入力カプラと出力カプラを有する構成を示す図であり、この場合台形プリズムカプラ５０である。図１１を参照すると、台形プリズムカプラ５０が、入力面５２と出力面５４を含めて示されている（入力面５２に当たっている入力ビーム「Ｉ」と、出力面５４に沿って出射している出力ビーム「Ｏ」）。

上述したとおり、入力ビームＩは、プリズムカプラ５０を通って伝達し、次いでエバネッセントカップリング層２２（エバネッセントカップリング層２２は通常二酸化シリコンでできている）に入射する。この光学ビームは、その後、誘電体カップリング層２４（好ましい厚さに形成されている）にカップリングされ、カップリング層において信号が、次いで少なくともフォーカッシング光学部品３０を具える受動光学デバイスと、おそらく複数の受動光学デバイス４０に入る。モード変換領域２６は、誘電体カップリング層２４とナノテーパ１６間の重なりを規定する。図に示すように、光学信号は、モード変換を介して、ナノテーパ１６に沿って伝達し、最終的に超薄型（「シリコンワイヤ」）導波管１８内にカップリングされる。超薄型導波管１８に対する上側クラッド層２５（通常、二酸化シリコンを含む）の位置は、図１１の実施例に明らかに示されており、これは、誘電層の下側クラッド層１２と組み合わされて、超薄型導波管１８内の光学信号の伝達を制限する。

「出口」ナノテーパとも呼ぶ、第２のシリコンナノテーパ５６が、超薄型導波管１８の終端に配置され、図１１に示されている。この場合、出口ナノテーパ５６の横方向の寸法は、出力カップリング面５４に近づくにつれて狭くなるように示されている。この態様は、図１２に最も良く示されている。誘電体カップリング導波管５８は、図１１及び１２に、出口ナノテーパ５６の終端部と重なるように配置され、モード変換領域５７を形成するように示されており、伝達する信号が誘導体カップリング導波管５８中に広がっている。受動光学デバイス６０は、伝達する信号を出口エバネッセントカップリング層６２中へ正しく再度導いて、カップリングプリズム５０を介して出力面５４から出射させるコリメータミラー（図示せず）を少なくとも具える誘電体カップリング導波管５８内に形成されたものが示されている。

本発明のカップリング特性についての上述した実施例はプリズムカプラを用いて、フリースペース光学信号をＳＯＩ層に持ち込むようにしている（また、表面伝達ビームをフリースペースへ戻す）が、本発明の誘導導波管／ナノテーパ構成と共に様々なその他のフリースペースカップリング構成を使用することができる。図１３および１４は、プリズムカプラ２０（または５０）に代えてグレーティング構造７０を用いた一の特別な代替例を示す。図１３は、この特別な実施例の側面図を、図１４は平面図を示す。図に示すように、グレーティング７０は、エバネッセントカップリング層２２（及び／又はおそらく誘電層２４）に形成されて、フリースペース光学信号Ｉを誘電体カップリング層２４にカップリングしている。この場合、グレーティング７０の周期（図１３及び１４において「Λ」で示す）が決定され、誘電体カップリング導波管２４の特性とともに、最も効率のよいカップリング構成を提供する。本発明の構成の利点は、グレーティングが十分な量のカップリングを提供するように、誘電体カップリング導波管２４の特性を製造時に調整することができる（製造時のドーパント、厚さの制御、他）ことである。図１３及び１４には特に示されていないが、同様の構成を、図１１及び１２に関連して上述した出力カプラとして用いることができるのは明らかである。

上述した発明から、本発明の実施例が様々な方法で変形できることは明らかである。このような変形例は、本発明の精神と範囲から離れたものではなく、当業者に明らかな全ての変形例は、以下の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲内に含まれることを意図している。

図面を参照すると、
図１は、従来技術の例示的なナノテーパカップリング構造を示す図である。 図２は、従来技術の例示的なナノテーパカップリング構造を示す図である。 図３は、本発明によって形成されたＳＯＩベースの例示的なハイブリッドカプラの側面図である。 図４は、本発明によって形成されたＳＯＩベースの例示的なハイブリッドカプラの平面図である。 図５は、例示的なプリズムカプラ内のビーム角度θ_Ｓｉに関連する波長の依存性を示すプロットである。 図６は、例示的なプリズムカプラ内のビーム出射角度θ_ａｉｒに関連する波長の依存性を示すプロットである。 図７は、フォーカッシング光学部品が含まれる場合の、本発明の例示的な構造の平面図である。 図８は、本発明の代替の実施例の平面図であり、誘電体導波管層へ動的光学部品を組み込んでいる。 図９は、図８に示す構造の側面図である。 図１０は、本発明の構造における静的光学部品を含めるための代替の構造の平面図である。 図１１は、入力カプラと出力カプラの双方を有する構造を示す図であり、ここでは、本発明によって形成された台形プリズムカプラである。 図１２は、図１１の構造に用いる、例示的なアウトカップリング構造の平面図である。 図１３は、フリースペース光学カップリング構造としてグレーティングを用いた、本発明の代替の実施例を示す図である。 図１４は、図１３の実施例の平面図である。

Claims (14)

1. 光学信号を伝達するフリースペースと、シリコン−オン−絶縁体（ＳＯＩ）構造の上側シリコン層に形成した超薄型シリコン導波管間の光学カップリングを提供する構成であって、前記ＳＯＩ構造が更に、シリコン基板と、誘電絶縁層を具える構成において：
   前記ＳＯＩ構造の上側シリコン層（ＳＯＩ層）中に形成されたシリコンナノテーパ構造であって、第１の狭い端面と、第２の広い端面を有し、両者間に横方向に延在するテーパ構造を有し、前記超薄型シリコン導波管に接続された前記第２の広い端面が両者間に光学カップリングを提供しているシリコンナノテーパ構造と；
   前記誘電絶縁層の屈折率より大きいが、シリコンの屈折率より屈折率が小さい、上側主表面を有する誘電体導波管カップリング層であって、前記ＳＯＩ層の関連部分が除去され、前記ＳＯＩ層の残りの部分への光学カップリングが必要な領域中の誘電絶縁層部分の上にくる用に配置され、前記フリースペースを伝達する光学信号と前記超薄型シリコン導波管との間にモード変換領域を形成するための第１の狭い端面を具えるシリコンナノテーパの端部と重なり合う誘電体導波管カップリング層の端部部分を具える誘電体導波管カップリング層と；
   前記誘電体導波管カップリング層の上側主表面の上に、フリースペースと誘電体導波管カップリング層との間を伝達する光学信号を前記超薄型シリコン導波管内にカップリングするように配置したフリースペース光学カップリング構成と；
   を具えることを特徴とする構成。
2. 請求項１に記載の構成において、前記フリースペース光学カップリング構成が、前記誘電体導波管カップリング層の少なくとも一部の上に配置されたエバネッセントカップリング層を具えることを特徴とする構成。
3. 請求項２に記載の構成において、前記フリースペース光学カップリング構成が、更に、前記エバネッセントカップリング層の上に、下側の誘電体導波管カップリング層内へ及び誘電体導波管カップリング層からフリースペース信号をカップリングするように配置された光学プリズムカプラを具えることを特徴とする構成。
4. 請求項３に記載の構成において、前記光学プリズムカプラがシリコンでできていることを特徴とする構成。
5. 請求項３に記載の構成において、前記光学プリズムカプラが、誘電体導波管カップリング層の屈折率と屈折率が少なくとも等しい誘電材料を具えることを特徴とする構成。
6. 請求項１に記載の構成において、前記誘電体導波管カップリング層がさらに、伝達する光学信号が前記モード変換領域に入射するときに、伝達する光学信号の横方向の境界をより狭く制限するフォーカッシング光学部品を具えることを特徴とする構成。
7. 請求項６に記載の構成において、前記フォーカッシング光学部品が、前記誘電体導波管カップリング層に正確にパターン形成された二酸化シリコンの領域を配置することによって形成した少なくとも一の導波管ミラーを具えることを特徴とする構成。
8. 請求項１に記載の構成において、前記誘電体導波管カップリング層がさらに、前記モード変換領域から離れた位置に配置された少なくとも一の受動光学部品を具えることを特徴とする構成。
9. 請求項１に記載の構成において、前記フリースペース光学カップリング構成が、前記ＳＯＩ構造の表面上に配置されたカップリンググレーティングを具えることを特徴とする構成。
10. 請求項９に記載の構成において、前記構成が更に、前記誘電体導波管カップリング層の一部の上に形成されたエバネッセントカップリング層を具えることを特徴とする構成。
11. 請求項１に記載の構成において、前記誘電体導波管カップリング層が、ドーピングした二酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイド、シリコンオキシニトリドからなる群から選択された材料の層を具えることを特徴とする構成。
12. 請求項１に記載の構成において、前記誘電体導波管カップリング層が、前記モード変換領域に向けて内側にテーパがついて光学的な反射を低減するように、テーパ付横方向のプロファイルを示すことを特徴とする構成。
13. シリコン−オン−絶縁体（ＳＯＩ）構造の上側シリコン層内に形成された超薄型シリコン導波管部分内へ、およびこの導波管部分からカップリングするオンウエハ構成において：
    前記ＳＯＩ構造の上側シリコン層（ＳＯＩ層）に形成されたチャネル中に配置された複数の誘電体導波管と；
    前記ＳＯＩ層の選択された部分内に形成された複数の超薄型シリコン導波管と；
    前記複数の誘電体導波管のうちの選択されたものと、前記複数の超薄型シリコン導波管のうちの選択されたものとの間に、これらの間に光学カップリングを提供するように配置された複数のシリコンナノテーパであって、これらの間に各シリコンナノテーパが誘電体導波管の関連する端部と重なってモード変換を提供する第１の狭い端部と、関連する超薄型シリコン導波管に接続されこれらの間に光学カップリングを提供する第２のより広い端部を具えるシリコンナノテーパと；
    を具えることを特徴とするオンウエハ構成。
14. 請求項１３に記載のオンウエハ構成において、前記複数の誘電体導波管が窒化シリコン導波管を具えることを特徴とするオンウエハ構成。

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