JP2013524286A - 光格子カプラ - Google Patents

Abstract

装置は、結晶無機半導体基板を含んでいる。平面光導波路コアは、第１の長さの平面光導波路コアが基板の上に直接に存在するように、基板の上に位置する。光散乱構造の規則的配列構造は、第２の長さの平面光導波路コアの内部に位置する。キャビティは、規則的配列構造と、基板との間の基板の中に位置する。

Description

本出願は、一般に、光デバイス（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ）を対象としたものであり、またより詳細には光カプラ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ）を対象としたものである。

いくつかの光デバイスは、シリコン・オン・インシュレータ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）（ＳＯＩ）やインジウム・リン（ＩｎＰ）の上のインジウム・ガリウム・ヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）などの基板の上に形成される平面導波路（ｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を利用している。多くの場合に、平面導波路をファイバ導波路に結合して、光信号を平面導波路へと送信すること、または平面導波路から送信することが、必要である。

一態様は、結晶無機半導体基板（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を含む装置を提供するものである。平面光導波路コア（ｐｌａｎａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃｏｒｅ）は、第１の長さの平面光導波路コアが、基板の上に直接に存在するように基板の上に位置する。光散乱構造（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の規則的配列構造（ｒｅｇｕｌａｒ ａｒｒａｙ）が、第２の長さの平面光導波路コアの内部に位置する。キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）は、規則的配列構造と、基板との間の基板の中に位置する。

別の態様は、一方法を提供するものである。本方法は、その上に位置する平面光導波路コアを有する半導体基板を提供するステップを含んでいる。光散乱構造の規則的配列構造は、平面光導波路コアの内部に位置する。基板の一部分が、取り除かれて、規則的配列構造と、基板の残りの部分との間に位置するキャビティを形成する。

さらに別の態様は、一方法を提供するものである。本方法は、その上に位置する平面導波路と、平面光導波路コアの内部に位置する光散乱構造の規則的配列構造と、基板と規則的配列構造との間に位置するギャップとを有する結晶半導体基板を提供するステップを含んでいる。光ファイバ導波路は、光ファイバ導波路からの光が平面導波路に結合されるように、規則的配列構造を照らすように位置付けられる。

次に、添付図面と併せて解釈される以下の説明に対する参照が、行われる。

光ファイバ導波路を平面光導波路に対してインターフェースで接続するように構成された光散乱要素の規則的配列構造を含む装置の一実施形態を示す図である。 光ファイバ導波路を平面光導波路に対してインターフェースで接続するように構成された光散乱要素の規則的配列構造を含む装置の一実施形態を示す図である。 光散乱要素の規則的配列構造を含む、例えば、図１Ａの装置において使用され得る格子カプラの一実施形態を示す図である。 光ファイバ導波路から平面光導波路へと光信号を結合するように構成された、例えば、図２の格子カプラなどの格子カプラを含む光学系の一実施形態を示す図である。 平面光導波路から光ファイバ導波路へと光信号を結合するように構成された、例えば、図２の格子カプラなどの格子カプラを含む光学系の一実施形態を示す図である。 光信号の偏光モードを分離するように構成された、例えば、図５Ａの格子カプラなどの格子カプラを含む光学系の一実施形態を示す図である。 平面光導波路と、光信号の偏光モードを分離するように構成された格子要素の規則的配列構造とを含む格子カプラの一実施形態を示す図である。 平面光導波路と、光信号の偏光モードを分離するように構成された格子要素の規則的配列構造とを含む格子カプラの一実施形態を示す図である。 図２の格子カプラと整合した格子カプラを製造する方法の一実施形態を示す図である。 図２の格子カプラと整合した格子カプラを製造する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図６Ａの方法を実施する方法の一実施形態を示す図である。 図２の格子カプラと整合した、また例えば、図７Ａ〜７Ｌによって説明される方法と整合した方法によって形成される格子カプラの一実施形態の顕微鏡写真を提示する図である。 図２の格子カプラと整合した、また例えば、図７Ａ〜７Ｌによって説明される方法と整合した方法によって形成される格子カプラの一実施形態の顕微鏡写真を提示する図である。 図の装置と整合した装置を製造する方法の一実施形態を示す図である。

平面光導波路は、一般的に、導波路コアと、導波路クラッディング（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ）との間で比較的高い屈折率コントラストを有する。そのような導波路は、１ミクロンより狭いモード幅を有する単一モードの光信号を伝搬させることができ、またそれゆえに同様なサイズの幅を有することができる。しかしながら、光ファイバ導波路は、約１０ミクロンまでのモード幅を有する、ファイバの直径が同様なサイズである、単一モードの光信号を伝搬させることができる。モード・サイズの違いは、平面導波路と、ファイバ導波路との間のかなりのモード・ミスマッチをもたらす。このミスマッチは、平面導波路と、ファイバ導波路との間の光信号のカップリングを困難に、または非実用的にしてしまう可能性がある。

様々な実施形態は、規則的配列構造と、その下に横たわる基板との間にキャビティを形成することにより、導波路のコア層における格子要素の規則的配列構造を経由して、平面導波路と、ファイバ導波路との間の光結合を大幅に改善する。キャビティは、格子の近くの平面導波路コアと、平面導波路クラッディングとの間の屈折率の違いを増大させ、それによって規則的配列構造のカップリング効率を増大させる。カップリング効率のこの増大は、そのようなカプラの使用から以前に恩恵を受けていないことになる光用途において格子カプラの使用を実用的なものにすることができる。

以下では、２つの近隣媒体の間の屈折率の違いは、「屈折率コントラスト」、または簡単に「コントラスト」と称される。

上記で簡単に説明されるように、いくつかの場合において、平面導波路は、１ミクロン以下の幅を有することができるが、ファイバ導波路は、例えば、約１．５μｍの波長において、約１０μｍの直径を有することができる。一般に、サイズの違いは、伝搬モードの大きなミスマッチをもたらす。ミスマッチが大きいときに、信号の大部分は、ファイバと平面導波路との間の反射および放射により失われてしまう可能性がある。

ファイバ導波路と、平面半導体導波路との間のミスマッチを緩和する様々なアプローチが、可能である。１つのアプローチにおいては、平面導波路の下に位置する基板のファセット近くの平面コンバータが、ファイバに突き合わせ結合される（ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ）。これは、時には、例えば、強いモード閉じ込めを有する大きなコアの導波路、または弱いモード閉じ込めを有する小さなコアの導波路を用いて行われる。このアプローチは、複数の材料層を使用して、平面導波路モードに対してファイバ・モードのサイズをマッチングさせる際に助けとなることができるが、製造をより複雑に、また費用のかかるものにしてしまう。

別の例においては、格子カプラを使用して、光デバイスの表面に対してほぼ垂直にそろえられるファイバ導波路をインターフェースすることができる。格子カプラは、分散型の散乱を生成する、平面導波路の内部の周期的パターンを含むことができる。格子パラメータの適切な選択とともに、散乱は、ファイバ導波路と、平面導波路との間の伝搬を十分にマッチさせることができる。

しかしながら、格子は光を散乱するので、光信号のエネルギーのかなりの部分が格子において失われる可能性がある。この問題は、格子カプラの下のクラッディングの屈折率が、格子が形成される導波路の実効的な屈折率に近いときに、特に深刻である。クラッディング層と、コア導波路層との間のそのような低いコントラストは、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）／アルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）とインジウム・リン（ＩｎＰ）／インジウム・ガリウム・ヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）とに基づいた平面デバイスにおいては一般的であるが、そのような材料系は、他の理由のために、様々な平面光導波路の用途において望ましいものとすることができる。

平面格子カプラは、屈折率のコントラストが比較的大きいシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）などの材料系の形で実装されているが、低いコントラストの材料系においては、実装は知られていない。それゆえに、導波路コア材料と、基板材料との間の屈折率のコントラストが小さい材料系においては、格子カプラを実装する平面光学技術においては満たされていないニーズが存在するように見える。

本発明者等は、平面格子カプラを使用することの上記で説明された従来の実行についての制限が、格子の下に横たわる基板の一部分を取り除くことによって克服され得ることを認識している。とりわけ、ピット（ｐｉｔ）またはキャビティが、格子の下の基板の中に形成され、それによって格子の下のクラッディングの屈折率を基板材料の屈折率から、空気の屈折率へと、例えば、およそ１へと、または低い誘電率を有する誘電体材料の屈折率へと低減させている。

図１Ａは、格子カプラを含む平面光装置１００を示すものである。装置１００においては、半導体基板１１０は、厚さＴを有する平面導波路コア１２０を支持する。平面導波路コア１２０は、例えば、下記で説明されるような従来のマイクロエレクトロニクスの製造方法により、基板１１０の上に位置する半導体層から形成される。平面導波路コア１２０のすぐ近傍にある基板１１０は、導波路クラッディングとして機能することができる。基板１１０は、様々な半導体材料、例えば、ガリウム・ヒ素、またはインジウム・リン、のうちの任意のものとすることができる。光散乱要素の規則的配列構造は、光格子１３０を形成する。

図１Ｂは、格子１３０の一部分をより詳細に示すものである。格子１３０は、平面導波路コア１２０の一領域の内部に位置する光散乱構造１３５の実質的に規則的な一次元または二次元の配列構造である。格子１３０は、格子要素幅Ｗと、格子高さＨと、格子ピッチＰ、すなわち隣接する光散乱構造１３５の中心の間の距離とによって特徴づけられる。「実質的に規則的な」は、ＰおよびＷが、格子１３０の内部で実質的に一定であること、またはＰおよび／またはＷが、格子１３０を通して単調に変化する、例えば、チャープされることを意味する。

図１Ａに戻ると、ファイバ導波路１４０が、格子１３０のすぐ近傍に位置付けられ、また格子１３０を経由して平面導波路コア１２０に対して光信号を送信するように、または平面導波路コア１２０から光信号を受信するように構成されている。ファイバ導波路１４０の端部１４５は、格子１３０からギャップ１５０だけ、例えば、自由空間ギャップだけ間隔をあけられる。ファイバ導波路１４０は、それによって、平面導波路コア１２０に対して光信号を送信し、または平面導波路コア１２０から光信号を受信することができる。

基板１１０の中のキャビティ１６０は、基板１１０の格子１３０と、すぐ近傍にある表面との間に位置する。キャビティ１６０に起因して、キャビティの上の導波路コア１２０の部分は、ギャップ１６５によって基板１１０から分離される。キャビティ１６０は、格子１３０の近くの平面導波路コア１２０についてのクラッディングとして機能する。キャビティ１６０は、基板１１０の屈折率よりも小さな屈折率を有する。低屈折率のキャビティ１６０の存在は、格子１３０が基板の上に直接に位置付けられる類似したデバイスのカップリングに比べて、ファイバ導波路１４０と、平面導波路コア１２０との間のカップリング効率を増大させる。

ファイバ導波路１４０と、格子１３０との間を伝搬する光信号は、例えば、レーザー光源によって生成されるコヒーレントな光とすることができる。そのような光信号は、多くの場合にガウス放射状強度プロファイル（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｒａｄｉａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ）を有し、またそれゆえに自由空間ギャップ１５０において著しく分散することが期待されない。したがって、装置１００のオペレーションは、ギャップ１５０のサイズに対して比較的感度が低いことが期待される。ギャップ１５０のサイズは、どのような特定の値にも制限されない。様々な実施形態においては、ギャップ１５０は、およそファイバ導波路１４０の直径以下と、例えば、およそ１０〜１００μｍとすることができる。光学技術の当業者は、従来の光学装置を使用して、ファイバ導波路１４０をこのようにして位置付けることができる。

ファイバ導波路１４０は、ゼロでない角度αだけ基板１１０の表面の法線１４７に対して傾けられることが可能である。下記でさらに説明されるように、ファイバ導波路１４０と、平面導波路コア１２０との間のカップリングは、部分的にαの値に依存する。αの値は、どのような特定の値にも制限されないが、一般的にＰと、Ｗと、Ｈと（図１Ｂ）の値によって部分的に決定される。αについての値の例は、およそ１０°またはそれより小さく、またいくつかの実施形態においては、αは、およそ５°またはそれより小さい。

平面導波路コア１２０と、基板１１０との間のコントラストが、比較的小さい場合には、ファイバ導波路１４０と、平面導波路コア１２０との間のカップリング効率は、基板１１０に対する光エネルギーの損失に起因して低減させられる可能性がある。非限定的な一例においては、平面導波路コア１２０と、基板１１０とは、それぞれインジウム・ガリウム・ヒ素リンとインジウム・リンとから形成されることが可能である。インジウム・ガリウム・ヒ素リンと、インジウム・リンとは、１．５μｍの波長において、それぞれおよそ３．４５と、３．１７との屈折率を有する。したがって、インジウム・ガリウム・ヒ素リン層と、インジウム・リン層との間のコントラストは、およそ０．２８である。光信号は、平面導波路コア１２０によって誘導されるが、コントラストは、十分に小さいので、ファイバ導波路１４０と、平面導波路コア１２０との間で送信されている光信号のエネルギーのかなりのパーセンテージが、例えば、格子１３０の中で散乱することにより、基板１１０へと失われる可能性がある。

図２は、格子カプラ２００の一実施形態の平面図を示すものである。平面導波路コア１２０の第１の領域２１０は、キャビティ１６０の上に位置しており、すなわち、キャビティ１６０は、平面導波路コア１２０の第１の領域２１０と、基板１１０との間に位置する。平面導波路コア１２０の第２の領域２２０は、基板１１０の上に直接に位置する。平面導波路コア１２０の第３の領域２３０は、格子１３０と、第２の領域２２０との間に位置する。

いくつかの実施形態においては、キャビティ１６０は、誘電体材料で充てんされることが可能である。キャビティ１６０の内部の誘電体材料は、基板１１０の屈折率を下回る屈折率を有することができ、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）と、ＳｉＬＫ（商標）と、スピン・オン・グラスと、いくつかのエポキシ樹脂とは、典型的なＩＩＩ−Ｖ族の半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有する。そのような誘電体材料は、平面導波路コア１２０の第１の領域２１０を物理的に支持することができ、それによって増大された機械的強度を提供する。

本発明者等は、ファイバ導波路１４０から平面導波路コア１２０へと光を送信するプロセスが、２つの関連したプロセスを伴うと考える。第１のプロセスは、ファイバ導波路１４０から平面導波路コア１２０の第１の領域２１０へと光を送信することを伴う。第２のプロセスは、平面導波路コア１２０の第１の領域２１０と、その第２の領域２２０との間で光を送信することを伴う。第１の領域２１０における伝搬するモード・サイズと第２の領域２２０における伝搬するモード・サイズとの間にミスマッチが存在するときに、第２のプロセスは、かなりの損失を引き起こす可能性を有する。

図３Ａは、本明細書において説明される格子カプラ２００のいくつかの実施形態と整合した格子カプラを使用するシステム３００Ａの一実施形態を示すものである。光源３１０は、ファイバ導波路３３０と自由空間経路３４０とを含む光学経路を経由して格子カプラ３２０へと伝搬する光信号を出力するように構成されている。平面導波路３５０は、さらに光信号を処理するように構成され得る光回路３６０に対して光信号を伝搬するように構成されている。光学経路は、ＴＥモードまたはＴＭ（直交磁気）モードが格子カプラ３２０とそろうように、光信号偏光モードを回転させる偏光回転子（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ）３７０をオプションとして含むことができる。本明細書においては、フィールド強度ベクトルが、例えば、Ｅ−フィールドまたはＨ−フィールドが、光格子１３０の線形格子要素などの線形格子要素の長軸にほとんど平行であり、または光格子４３０の光散乱構造などの光散乱構造の二次元配列構造の軸に平行であるときに、偏光モードは、格子カプラ３２０とそろえられている。

格子カプラ３２０は、一般に、そろえられた偏光モードで光エネルギーを伝搬するが、そろえられていないエネルギーは、一般に、受信された光信号からフィルタにかけて取り除かれる。

図３Ｂは、システム３００Ｂの一実施形態を示すものであり、このシステムにおいては、光源３１０は、光信号を平面導波路３５０に対して出力するように構成されている。この実施形態においては、格子カプラは、自由空間経路３４０を経由して光信号の一部分をファイバ導波路３３０に結合するように構成されている。次いで、光信号のその部分は、さらなる処理のために光回路３６０に対して伝搬することができる。

図４は、光源４１０からの光信号についての偏光多重化のために構成されたシステム４００の一実施形態を示すものである。偏光多重化を、例えば、ＴＥモードと、ＴＭモードとの同時伝搬を使用して、２つの独立なデータ・ストリームを同時に送信することができる。ファイバ導波路４２０は、自由空間経路４４０を経由して光信号を光格子４３０に対して伝搬するように構成されている。偏光コントローラ４５０は、光格子４３０が光信号の偏光モードを分離するように、ファイバ導波路４２０における光信号の偏光を回転させるように構成可能である。１つのモードは、例えば、ＴＥは、平面導波路４６０を経由して光チャネル４７０に対して伝搬することができる。別のモードは、例えば、ＴＭは、平面導波路４８０を経由して光チャネル４９０に対して伝搬することができる。

図５Ａは、光信号の偏光モードを分離するように構成された格子カプラの一実施形態５００を示すものである。図５Ｂにおける詳細図に示される、光格子４３０の様々な実施形態は、光散乱構造５１０の正方形の配列構造を含んでいる。光散乱構造５１０は、光散乱構造１３５に類似している。光散乱構造５１０は、平面導波路コアにおける、例えば、導波路コア１２０における、例えば、高くなった部分または低くなった部分とすることができる。散乱構造は、関連する高さと幅とを有しており、またピッチに応じて分散される。格子１３０は、近似的に一次元の周期性だけを有するが、光格子４３０は、近似的に二次元の周期性を有する。しかしながら、格子１３０、４３０は、いくつかの実施形態において、チャープされて、例えば、それらの帯域幅を増大させることができる。装置１００に類似して、光格子４３０は、キャビティ、例えば、キャビティ１６０の上に位置する平面導波路コアを含む領域５２０の内部に位置する。基板１１０などの基板の上に直接に位置している領域５３０は、第１の偏光ブランチ５４０と、第２の偏光ブランチ５５０とを含んでいる。

光格子４３０は、関連するｘ−軸と、ｙ−軸とを有する（図５Ｂ）。例証された実施形態においては、ｘ−軸とｙ−軸とは、対称の軸５６０に関しておよそ４５°で方向づけられることが可能であるが、他の規則的な二次元の格子に基づいた実施形態は、異なるように方向づけられた基本格子ベクトルを有することができ、例えば、基本格子ベクトルは、比較的に直交していないこともある。１つの偏光成分がｘ−軸に平行であり、直交偏光成分がｙ−軸に平行であるように、受信された光信号が、方向づけられるときに、受信された光信号の偏光成分は、光格子４３０によって別々に方向づけられることが可能である。とりわけ、格子は、一方の偏光成分を第１の偏光ブランチ５４０へと送信し、また他方の偏光成分を第２の偏光ブランチ５５０へと送信することができる。光格子４３０は、偏光チャネルが方向づけられる相手の偏光ブランチ５４０、５５０のＴＥ伝搬モードに対して受信された偏光チャネルの伝搬モードを実質的にサイズをマッチさせることになることが好ましい。偏光モードが光格子４３０の軸と実質的にそろえられて、２つの偏光チャネルの分離を達成するように、例えば、およそ±１０度内にそろえられるように、オプションの偏光コントローラ４５０は、光信号を回転させることができる。

次に図６Ａを参照すると、一例の方法６００は、図１Ａの装置１００を製造するために適している。方法６００は、図７Ａ〜７Ｊを参照して説明され、これらの図は、製造中の装置１００についての中間構造の断面図を示すものである。

方法６００は、ステップ６１０で開始され、このステップにおいて、結晶半導体基板１１０が、提供される。基板１１０は、その上に位置する平面光導波路コアと、その平面光導波路コアの内部に位置する光散乱構造の規則的配列構造とを有する。

図１１Ａ〜１１Ｇは、平面導波路コア１２０と、関連する格子１３０とを製造する方法の一実施形態を示すものである。図７Ａにおいて、基板１１０は、ステップ７０５において提供される。一実施形態においては、基板１１０は、（１００）のインジウム・リンのウェーハ（ｗａｆｅｒ）である。いくつかの場合においては、ウェーハの［０１１］方向に沿って方向づけられたウェーハの平面を有することが有利である可能性がある。

図７Ｂは、ステップ７１０を示すものであり、このステップにおいては、導波路コア層７１１が、基板１１０の上に形成される。導波路コア層７１１は、有機金属化学気相堆積プロセス（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用して基板１１０の上にエピタキシャル成長されることが可能であり、またはウェーハ・ボンディング・プロセスを経由して別の基板から転送されることが可能であり、例えば、これらの技法の両方が、当業者には知られている。様々な実施形態においては、導波路コア層７１１の厚さは、オペレーションについての望ましい波長のために、例えば、電気通信のＣ帯域および／またはＦ帯域における波長のために、選択される。一実施形態においては、導波路コア層７１１は、電気通信のＣ−帯域における動作する波長のために、およそ３８０ｎｍの厚さを有する。コア層７１１の組成は、フォトルミネッセンス・ピーク波長によって特徴づけられることが可能である。様々な実施形態においては、コア層７１１は、およそ１．３７μｍのフォトルミネッセンス・ピーク波長を有するインジウム・ガリウム・ヒ素リン層である。

ステップ７１５を示す図７Ｃにおいては、ＣＶＤシリコン酸化物層とすることができるハードマスク７１６が、導波路コア層７１１の上に形成される。当業者なら、ハードマスク７１６の厚さが、特定の製造ツール・セットと、後からのエッチング・プロセスとのために、必要に応じて選択され得ることを理解する。一実施形態においては、ハードマスク７１６は、およそ６０ｎｍの厚さである。フォトレジスト層７１７は、ハードマスク７１６の上で形成され、また従来の電子ビーム、またはサブミクロンの光のリソグラフィを含むことができるパターン形成プロセスにより、格子パターン７１８を用いてパターン形成される。フォトレジスト層７１７の厚さは、例えば、およそ２００ｎｍとすることができる。

ステップ７２０を示す図７Ｄにおいては、格子パターン７１８が、従来、格子１３０を形成するためにハードマスク７１１に対して転送されている。従来のプラズマ・エッチング・プロセスを、例えば、反応性イオン・エッチングを使用して、その転送を達成することができる。エッチング・プロセスの後に残るフォトレジスト層７１７の任意の部分が、例えば、プラズマ・エッチング（ｐｌａｓｍａ ｅｔｃｈ）および／または溶剤クリーニング（ｓｏｌｖｅｎｔ ｃｌｅａｎ）によって取り除かれることが可能である。

図７Ｅは、ステップ７２５を示すものであり、このステップにおいて、パターン７１８は、格子１３０を形成するために導波路コア層７１１へと転送される。転送プロセスは、従来のプラズマ・エッチング・プロセス、例えば、反応性イオン・エッチングとすることができる。格子１３０（図１Ｂ）のターゲット深さＤは、装置１００のオペレーションについての意図された波長に基づいて選択される。非限定的な実施形態においては、Ｄは、１．５μｍの動作波長の場合には、およそ２００ｎｍである。当業者は、Ｄが、エッチング・プロセスにおける変動に起因して、格子１３０の上でいくらか変化することになることを理解するであろう。

図１１Ｆおよび１１Ｇは、平面導波路コア１２０の形成を示すものである。ステップ７３０（図７Ｆ）においては、パターン形成されたハードマスク層７３１が、導波路コア層７１１の上に形成される。パターン形成されたハードマスク層７３１は、連続的なＣＶＤシリコン酸化物層（図示されず）から従来、形成されることが可能である。ステップ７１５〜７２５と同様に、連続的な酸化物層は、フォトレジスト層（図示されず）と従来のプラズマ・エッチング、例えば、ＲＩＥとを経由してパターン形成されて、平面導波路コア１２０についての適切なパターンを用いてパターン形成されたハードマスク層７３１を形成することができる。ステップ７３５（図７Ｇ）においては、従来のエッチング・プロセスは、ハードマスク層７３１によって定義されるパターンを層７１１に対して転送して、平面導波路コア１２０を定義する。例証された実施形態においては、基板１１０の一部分７３６はまた、エッチング・プロセスによって除去される。この除去は、平面導波路コア１２０の下にリッジ７３７を形成する効果を有する。そのようなリッジは、平面導波路コア１２０を基板１１０に対して横切る光信号のカップリングを低減させる。いくつかの実施形態においては、エッチング・プロセスは、基板１１０のうちのおよそ１．５μｍを除去するが、本開示の実施形態は、除去についてのどのような特定の量だけにも限定されない。

図６Ａに戻ると、ステップ６２０において、基板１１０の一部分が、除去されて、規則的配列構造と、基板１１０の残りの部分との間に位置するキャビティ１６０を形成する。

図１１Ｈ〜Ｊは、キャビティ１６０の形成の一例の実施形態を示すものである。ステップ７４０において、トレンチ７４１が、基板１１０の中に形成される。例証された実施形態においては、ＣＶＤシリコン酸化物層７４２が、従来、基板１１０の上に形成されており、またフォトレジスト層７４３が、その上に形成されている。開口部７４４が、フォトレジスト層７４３の中に形成され、また従来のエッチング・プロセス、例えば、プラズマ・エッチングを経由して酸化物層７４２と基板１１０とに転送されており、それによってトレンチ７４１を形成する。トレンチ７４１は、例えば、およそ７μｍの深さまで基板１１０の中へとエッチングされることが可能である。フォトレジスト層７４３は、トレンチ７４１を形成した後に除去されることが可能である。

ステップ７４５（図７Ｉ）において、キャビティ１６０は、例えば、ウェット・エッチング・プロセスによって形成される。当業者によって理解されるであろうように、半導体基板をウェット・エッチングすることの詳細は、例えば、基板１１０の表面において提示される結晶面と、基板１１０の格子に関してのキャビティ１６０の方向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）とに依存することになる。基板についての非限定的な例としてインジウム・リンを使用して、基板１１０の露出された表面は、例えば、およそ３．５分間にわたって、およそ３の割合の塩酸に対する１の割合のリン酸という比率を有する塩酸とリン酸との室温での混合物を使用してエッチングされることが可能である。他の基板１１０の材料は、一般に、他の従来から知られているウェット・エッチング液、および／または使用される他の比率のエッチング液によってエッチングされることになる。他のエッチング液と材料とは、異なるエッチング時間を必要とする可能性がある。

当業者はまた、基板１１０の露出された表面のエッチング・レートが、露出された表面に関する基板１１０の格子の方向に非常に依存する可能性があることも理解するであろう。したがって、例えば、（１１１）の表面は、（１００）の表面よりもかなりゆっくりとエッチングされる可能性がある。その差別的なエッチング・レートは、一般的に、キャビティ１６０のファセット形成（ｆａｃｅｔｉｎｇ）をもたらす。

様々な実施形態においては、基板１１０の様々な結晶面についての期待される異なるエッチング・レートは、平面導波路コア１２０と格子１３０とを配置する際に考慮される。例えば、いくつかの実施形態においては、平面導波路コア１２０の長軸は、基板１１０の格子の（００１）軸に平行に方向づけられる。（００１）軸は、一般に、例えば、（１１１）方向よりも大きなエッチング・レートを有する。このようにして、エッチングは、平面導波路コア１２０の下を切り取ることになり、平面導波路コア１２０の下側（例えば、平面導波路コア１２０の以前に基板１１０と接触していた側）を露出することが望ましい。

図７Ｊは、開口部７４４の一実施形態についての平面図を示すものである。例証された実施形態など、いくつかの実施形態においては、開口部７４４は、基板１１０の露出された結晶面の異なるエッチング・レートを考慮に入れて、キャビティ１６０の望ましいプロファイルを生成するようにして形成される。例証された例においては、開口部７４４は、格子１３０の周囲に「Ｃ」を形成する。基板１１０は、（００１）の格子方向７４６ではより急速に取り除かれ、図７Ｉに示されるキャビティのプロファイルに類似したキャビティ１６０のプロファイルをもたらす。対照的に、酸化物層７４２の中の、例えば、正方形の簡単な開口部についての仮説に基づいた場合においては、トレンチ７４１が、基板１１０の格子の（１１１）面によって定義される壁を有するキャビティを形成することが、期待されるであろう。そのようなキャビティは、ゆっくりとエッチングされ、また一般に望ましくないと考えられるピラミッド状プロファイルを有することが、期待されるであろう。これらの欠点にもかかわらず、そのようなキャビティは、本明細書において説明される実施形態の範囲内にある。

図７Ｋは、酸化物層７４２の除去の後の装置１００を示すものである。その除去は、従来、例えば、基板１１０に対して選択的なウェット・エッチングによって、例えばフッ化水素（ＨＦ）によって実行されることが可能である。格子１３０は、以上で説明されるようにファイバ導波路１４０と一体化されて、装置１００を形成することができる。

図６Ｂは、方法６００を用いてオプションとして実行され得る様々なステップを提示するものである。例証された順序で提示されているが、これらのステップは、たとえそうであるとしても、異なる順序で実行されることが可能である。

オプションのステップ６３０においては、誘電体材料が、キャビティ１６０の内部に位置する。図７Ｌは、キャビティ１６０が、誘電体材料７５６で充てんされた一実施形態を示すものである。以上で説明されるように、例えば、ＢＣＢ、ＳｉＬＫ（商標）、スピン・オン・ガラス、エポキシ樹脂など、集積回路の処理において使用される様々なスピン・オン誘電体材料が、使用されることが可能である。しかしながら、他の従来のスピン・オン誘電体材料が、他の実施形態において使用されることも可能である。誘電体材料７５６は、誘電体材料７５６の溶液をスピン・キャスティングすること（ｓｐｉｎ ｃａｓｔｉｎｇ）により、塗布されることが可能である。オプションとして、過剰なスピン・オン誘電体材料は、例証された実施形態におけるように、プラズマ・エッチング・バック（ｐｌａｓｍａ ｅｔｃｈ−ｂａｃｋ）を用いて基板１１０の表面から取り除かれることが可能である。

引き続き図６Ｂを参照すると、オプションのステップ６４０においては、ファイバ導波路１４０などの光ファイバ導波路は、その端部が、格子１３０を経由して平面光導波路コア１２０に対して送信することができるように位置付けられる。このステップは、例えば、図３Ａおよび３Ｂのシステム３００Ａ、３００Ｂによって示される。

オプションのステップ６５０においては、格子は、格子によって受信される光信号の２つの横軸偏光成分を分離することができるように構築される。このステップは、例えば、図４のシステム４００によって示される。

オプションのステップ６６０においては、規則的配列構造の軸は、基板の（００１）の格子軸に平行に配列される。このステップは、例えば、図７Ｊにおける（０１０）軸に平行な光散乱構造１３５の構成によって示される。

オプションのステップ６７０においては、偏光コントローラが、光ファイバ導波路と規則的配列構造との間の光学経路の中に位置付けられる。このステップは、例えば、図３Ａのシステム３００Ａによって示される。

次に、図８Ａおよび８Ｂを参照すると、製造された格子カプラ８００のより低い倍率の拡大図（図８Ａ）と、より高い倍率の拡大図（図８Ｂ）とが示されている。図８Ａは、キャビティ８１０など以上で説明された様々な特徴と、キャビティ７２０の上に突き出ている平面導波路７２０とを示すものである。図８Ｂは、光格子８３０を含めて、平面導波路８２０をより詳細に示すものである。

ファイバ導波路１４０と平面導波路コア１２０との間のカップリングは、格子カプラ８００によって代表される格子カプラについて数値的にシミュレーションされた。シミュレーションは、平面導波路コア１２０についての３８０ｎｍの厚さＴと、５８０ｎｍの格子ピッチＰと、２００ｎｍの格子の高さＨとの場合に実行された。光信号は、ＴＥ−偏光されたガウス・ビームとして制限なしにモデル化された。光信号の方向は、平面導波路１２０の表面の法線に関して５°だけ傾けられた。推定されたエネルギー・カップリング効率は、およそ４５％であることが決定された。

平面導波路コアと、基板との間にキャビティを欠いている類似した格子カプラのシミュレーションは、およそ１０％よりも低いエネルギー・カップリング効率をもたらした。それゆえに、本明細書において説明される実施形態は、キャビティを欠いている類似した格子カプラよりも少なくとも４のファクタだけ大きいエネルギー・カップリング効率をもたらす可能性がある。カップリング効率は、例えば、デバイスの形状の最適化によって改善され得ることが期待される。

次に図９を参照すると、方法９００が、示されている。方法９００は、例えば、本明細書において説明される特徴を有する格子カプラを使用して光学系を構成する際に、使用されることが可能である。

ステップ９１０においては、その上に直接に位置する平面導波路コアを有する結晶半導体基板が、提供される。光散乱構造の規則的配列構造が、導波路コアの内部に位置しており、またギャップ１６５（図１Ａ）などのギャップが、基板と、規則的配列構造との間に位置している。そのような基板は、例えば、図７Ｋに示される実施形態によって説明される。

ステップ９２０において、光ファイバ導波路は、光散乱構造の規則的配列構造を照らすように構成されている。

オプションのステップ９３０においては、偏光コントローラは、ファイバ導波路によって放射される光の偏光モードの方向を制御するように構築される。そのような構成が、例えば、図４のシステム４００によって示されている。

オプションのステップ９４０においては、格子カプラは、ファイバ導波路１４０と、格子１３０との間で送信される光の２つの横軸偏光成分を、例えば、ＴＥとＴＭとを分離するように、または結合するように構成されている。そのような構成が、例えば、図５Ａの実施形態５００によって示されている。

この出願が関連している当業者は、他のさらなる追加、削除、置換、および修正が、説明された実施形態に対して行われ得ることを理解するであろう。

Claims (10)

1. 結晶無機半導体基板と、
   第１の長さの平面光導波路コアが、前記基板の上に直接に存在するように前記基板の上に位置する平面光導波路コアと、
   第２の長さの前記平面光導波路コアの内部に位置する、光散乱構造の規則的配列構造と、
   前記規則的配列構造が、前記基板の残りの部分の上に横たわるように、前記基板を通して部分的にだけ形成され、また前記基板の内部に配置されるキャビティと
   を備え、前記キャビティは、前記規則的配列構造と、前記残りの部分との間に位置する、装置。
2. 前記規則的配列構造は、前記平面光導波路コアと、光ファイバ導波路との間で光信号を結合するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記規則的配列構造は、第１および第２の比較的直交した偏光成分を異なる方向へと方向づけるように構成された二次元の規則的配列構造を備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記キャビティの内部に位置する誘電体材料をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. その上に直接に位置する平面光導波路コアと、前記平面光導波路コアの内部に位置する、光散乱構造の規則的配列構造とを有する結晶半導体基板を提供するステップと、
   前記規則的配列構造が、前記基板の残りの部分の上に横たわり、キャビティが、前記規則的配列構造と、前記残りの部分との間に位置するように、前記基板を通して部分的にだけ、また前記基板の内部に配置される前記キャビティを形成するように前記基板の一部分を取り除くステップと
   を備える方法。
6. 前記規則的配列構造を経由して前記平面光導波路コアに対して送信するように光ファイバ導波路の端部を位置付けるステップをさらに備える、請求項５に記載の方法。
7. 前記光ファイバ導波路と、前記規則的配列構造との間の光学経路の中に偏光コントローラを位置付けるステップをさらに備える、請求項６に記載の方法。
8. その上に直接に位置する平面光導波路コアと、前記平面光導波路コアの内部に位置する、光散乱構造の規則的配列構造と、前記基板と前記規則的配列構造との間に位置するギャップとを有する結晶半導体基板を提供するステップと、
   光ファイバ導波路からの光が、前記平面導波路コアに結合されるように、前記規則的配列構造を照らすように前記光ファイバ導波路を位置付けるステップと
   を備える方法。
9. 前記ファイバ導波路から受信される前記光の２つの偏光成分を異なるように方向づけるように前記規則的配列構造を構成するステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の偏光成分がその中へと方向づけられる第１の導波路と、前記第２の偏光成分がその中へと方向づけられる第２の導波路と、前記の第１の導波路と第２の導波路との間に位置する導波路スタブとをさらに備える、請求項３に記載の装置。

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