JP2015121787A - 集積フォトニックカプラ - Google Patents

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Abstract

【課題】光ファイバとの間での効率的で良好な放射結合を示す集積フォトニックデバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】集積フォトニックデバイス１は、基板１０と、基板１０上に形成され、予め定めた波長の光を伝達するように構成された集積導波路１２と、集積導波路１２と光学的に接続され、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供するサブ波長グレーティング１３と、基板１０に対してサブ波長グレーティング１３の上方に配置され、または、サブ波長グレーティング１３内に部分的にエッチングされた回折グレーティング１４であって、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する回折グレーティング１４とを備える。第１周期変動は、予め定めた波長の半分より小さい第１ピッチを有し、第２周期変動は、予め定めた波長の少なくとも半分の第２ピッチを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニック集積回路の分野に関し、詳細には、チップと光ファイバとの間の放射結合のためのシステムおよび方法に関する。
光ファイバとフォトニック集積回路、例えば、シリコンテクロノジーを用いたプレーナ型集積回路との間の放射結合が、幾つかの理由のために挑戦しがいのあることである。光チップ結合において３つの重要な挑戦項目は、光ファイバと集積回路との間で良好な結合効率を達成すること、広帯域を達成すること、そして、実装の複雑さを取り扱うことである。
グレーティング(grating)ベースのファイバチップカプラが、ウエハスケールの光学検査を実施し許容するのに比較的簡潔な多才な解決法を提供できるであろう。グレーティングベースのファイバチップカプラの種々の利点は、カプラをチップ上のどこにでも設置できる自由度、ファセット(facet)研磨の不要性、光学的機能、例えば、パワーまたは偏光の分岐などの実装の容易さ、を含む。
先行技術で知られているように、従来のグレーティングベースのファイバチップカプラでは、プレーナ型導波路の入出力での良好な光結合が、周期的な局所有効屈折率変調を実装するためのグレーティングを用いて達成できる。例えば、こうしたグレーティングは、交互配列した高い有効屈折率と低い有効屈折率の領域を形成する周期的なライン・スペース構造を備えてもよい。先行技術で知られているカプラ内のグレーティング構造は、例えば、金属ライン、浅いエッチング溝または傾斜溝によって実装できる。
しかしながら、先行技術のグレーティングカプラの実用的利点にも関わらず、こうしたカプラによって提供される動作帯域は比較的制限され、カプラは入力偏光に対して敏感になる。さらに、こうしたカプラでの良好な製造誤差を達成する際の困難さが、産業用途にはあまり魅力的ではないであろう。
先行技術で知られている特定のファイバ−チップグレーティングカプラは、サブ波長グレーティングを含む。例えば、文献（Chen and Tsang, "Nanoholes Grating Couplers for Coupling Between Silicon-on-Insulator Waveguides and Optical Fibers", IEEE Photonics Journal 1(3)）は、ナノフォトニックワイヤ導波路とシングルモード光ファイバとの間のＴＥモード結合のための高効率グレーティングカプラを開示する。このカプラは、従来のグレーティングの代わりに、ナノホールアレイを用いており、シリコン・オン・インシュレータ導波路で用いられるように、同じフォトリソグラフィマスクおよびエッチングプロセスを用いて好都合に製造できる。サブ波長構造は、光波を伝搬する位相面をほぼ歪ませることなく、有効屈折率ステップを低減でき、こうして損失、例えば、グレーティング外での反射を減少させる。
しかしながら、こうしたカプラの結合効率は、回折の方向性によって制限され、これは、ある構造を追加することによって、ある程度までさらに改善できる。
本発明の実施形態の目的は、集積フォトニックデバイスの入出力、例えば、光ファイバと集積フォトニックデバイスとの間での効率的で良好な放射結合を提供することである。
本発明の実施形態の目的は、フォトニックカプラにおいて高い動作帯域が達成できることである。
本発明の実施形態の目的は、製造不良に対して許容度がある集積フォトニックカプラが提供できることである。
本発明の実施形態の目的は、良好な効率および製造不良に対して良好な許容誤差の組合せで、高い動作帯域が得られることである。
本発明の実施形態の目的は、良好な効率が得られることと、適切または正確な帯域が得られることとが互いに分離できることである。
本発明の実施形態の目的は、同じフォトニクス・プラットフォーム上で、例えば、同じ基板および層材料および製造プロセスを用いて、可能な帯域のある範囲から選択された特定の帯域に同調されたカプラが提供できることである。
本発明の実施形態の目的は、フォトニックデバイスの入出力、例えば、光ファイバとチップとの間での放射結合が低い反射損失で達成できることである。
本発明の実施形態の目的は、発展したトランジスタ配置(geometries)で容易に集積できる放射結合が達成できることである。
上記目的は、本発明に係る方法およびデバイスによって達成される。
本発明は、集積フォトニックデバイスに関し、基板と、
前記基板上に形成され、予め定めた波長の光を伝達するように構成された集積導波路と、
前記集積導波路と光学的に接続され、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供するサブ波長グレーティングと、
基板に対してサブ波長グレーティングの上方に配置され、または、前記サブ波長グレーティング内に部分的にエッチングされた回折グレーティングであって、前記サブ波長グレーティングを経由して、前記集積導波路の入力及び／又は出力において前記予め定めた波長の光を結合するために、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する回折グレーティングとを備え、
前記第１周期変動は、前記予め定めた波長の半分より小さい第１ピッチを有し、
前記第２周期変動は、前記予め定めた波長の少なくとも半分の第２ピッチを有する。
本発明の実施形態の利点は、高い帯域で光導波路からおよび光導波路への放射結合を可能にするシステムが提供されることである。
サブ波長グレーティングは、前記集積導波路内に集積してもよい。
本発明の実施形態の利点は、高集積化した光学システムが得られることである。
サブ波長グレーティングは、予め定めた波長の光に関して有効屈折率を局所的に低下させるために、集積導波路の材料内に形成されたナノホール及び／又はトレンチを含んでもよい。
本発明の実施形態の利点は、当業者に知られているサブ波長プロセス技術が使用可能であること、即ち、サブ波長グレーティングを発生するための既存の技術が使用可能であることである。
第１ピッチは、回折グレーティングおよびサブ波長グレーティングを経由して集積導波路に光を供給したり、集積導波路から光を受けたりするために、サブ波長グレーティングの光パワープロファイルを、ファイバのあるモードの光パワープロファイルと整合させるように、場所の関数として変化してもよい。
本発明の実施形態の利点は、システムが用いられるファイバのあるモードの光パワープロファイルを最適に整合させるために、同調が実施可能であることである。
第２ピッチは、回折グレーティング（１４）およびサブ波長グレーティング（１３）を経由して集積導波路に光を供給したり、集積導波路から光を受けたりするために、回折グレーティングの光パワープロファイルを、ファイバのあるモードの光パワープロファイルと整合させるように、場所の関数として変化している。
本発明の実施形態の利点は、システムが用いられるファイバのあるモードの光パワープロファイルを最適に整合させるために、同調が実施可能であることである。
集積フォトニックデバイスは、前記予め定めた波長の前記光のうち上向きに回折した部分と建設的に干渉するように、前記予め定めた波長の前記光のうち下向きに回折した部分を反射するために、前記基板と前記サブ波長グレーティングとの間に配置された反射エレメントをさらに備えてもよい。
本発明の実施形態の利点は、フォトニックデバイスに追加のエレメントを設けることによって、結合効率が改善できることである。
反射エレメントは、分布ブラッグ(Bragg)ミラーを含んでもよい。
サブ波長グレーティングは、導波路有効屈折率を有する媒体を通じて、予め定めた波長の光を伝達するように構成してもよく、前記第１周期変動は、前記導波路有効屈折率より低い有効屈折率を提供するようにしている。
基板は、半導体・オン・インシュレータの一部でもよく、集積導波路は、前記半導体・オン・インシュレータ層の半導体層に形成される。
半導体層は、シリコン層でもよく、集積導波路は、シリコン導波路である。
回折グレーティングは、金属ライン・グレーティングでもよい。
本発明はまた、集積フォトニックデバイスを製造する方法に関し、該方法は、下記ステップを含む。
・基板を用意するステップ。該基板は、その上に堆積した埋め込み酸化物層と、前記埋め込み酸化物層の上にある導波路材料層とを有する。
・集積導波路を前記導波路材料層に設けるステップ。該集積導波路は、予め定めた波長の光を伝達するように構成される。
・前記集積導波路と光学的に接続されたサブ波長グレーティングを形成するステップ。該サブ波長グレーティングは、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供する。
・前記サブ波長グレーティングを経由して、前記集積導波路の入力及び／又は出力において前記予め定めた波長の光を結合するために、回折グレーティングを、基板に対してサブ波長グレーティングの上方に配置し、または、前記サブ波長グレーティング内に部分的にエッチングするステップ。該回折グレーティングは、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する。
・前記第１周期変動は、前記予め定めた波長の半分より小さい第１ピッチを有し、前記第２周期変動は、前記予め定めた波長の少なくとも半分の第２ピッチを有する。
サブ波長グレーティングを形成するステップは、エッチング停止層として機能する埋め込み酸化物層に至るまで、導波路材料層において導波路を完全にエッチングすることを含んでもよい。前記エッチングは、前記第１周期変動に対応したエッチングパターンに合致している。
基板を用意することは、シリコン・オン・インシュレータを用意することを含み、集積導波路を形成することは、シリコン導波路を形成することを含む。本発明の実施形態の利点は、既知で容易な処理ステップが適用できることである。
本発明の特定かつ好ましい態様が、添付した独立および従属の請求項に記述されている。従属請求項からの特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と適切に組み合わせてもよく、請求項に明記されたものだけに限らない。本発明のこれらのおよび他の態様が、後述する実施形態を参照しながら明らかになり解明されるであろう。
本発明の実施形態に係るフォトニック集積デバイスを示す。 本発明の実施形態に係る方法を示す。 本発明の実施形態に係るデバイスの放射結合効率を示す。 本発明の実施形態に係るデバイスにおいて、有効媒体屈折率およびトレンチ幅またはホール直径を充填率(fill factor)の関数として示す。 本発明の実施形態に係るデバイスを通る放射伝搬のシミュレーションを示す。 本発明の実施形態に係る分布ブラッグミラーを含むデバイスを通る放射伝搬のシミュレーションを示す。 本発明の実施形態に係る分布ブラッグミラーを含むデバイスの放射結合効率を示す。 本発明の実施形態に係るデバイスにおいて、シングルモード光ファイバおよびグレーティング結合の光パワー分布を示す。 本発明の実施形態に係るデバイスにおいて、シングルモード光ファイバおよびアポダイズ(apodized)グレーティング結合の光パワー分布を示す。 本発明の実施形態に係るデバイスのための代替のアポディゼーション(apodization)手段を示す。 本発明の実施形態に係る集積フォトニックデバイスの一部および種々の光学モードを示す。 本発明の実施形態で用いられるピッチの概念を示す。 本発明の実施形態に従って、回折グレーティングがサブ波長グレーティング内に集積可能または埋め込み可能であることを概略的に示す。 本発明の実施形態に従って、回折グレーティングがサブ波長グレーティング内に集積可能または埋め込み可能であることを概略的に示す。
図面は、概略的に過ぎず、非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。請求項での参照符号は、範囲を限定するものとして解釈すべきでない。
異なる図面において、同じ参照符号は同じまたは類似の要素を参照する。
本発明は、特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。寸法および相対寸法は、本発明の実際の具体化に対応していない。
さらに、説明および請求項での用語「第１」「第２」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも時間的、空間的、ランキングまたは他の手法での順番を記述するためではない。ここで使用した用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで説明した本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。
さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「下(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。
請求項で使用した用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していないことに留意する。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。本発明に関して、デバイスの関連した構成要素だけがＡとＢであることを意味する。
本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、実施形態との関連で記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書を通じていろいろな場所での「一実施形態」または「実施形態」の語句の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そうこともある。さらに、１つ又はそれ以上の実施形態において、本発明から当業者にとって明らかなように、特定の特徴、構造または特性は、いずれか適切な方法で組み合わせてもよい。
同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本開示を合理化し、本発明の１つ又はそれ以上の種々の態様の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面、または説明において、本発明のいろいろな特徴が一緒にグループ化していることがあると理解すべきである。しかしながら、この開示の方法は、請求項の発明が、各請求項で明示的に記載したものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ下記の請求項が反映しているように、発明の態様は、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない場合がある。こうして詳細な説明に追従する請求項は、この詳細な説明の中に明示的に組み込まれており、各請求項は、本発明の別々の実施形態として自立している。
さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が、他の実施形態に含まれる幾つかの他でない特徴を含むとともに、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組合せが本発明の範囲内にあって、異なる実施形態を構成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態の何れも、何れの組合せで使用可能である。
ここで提供した説明では、多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは理解されよう。別の例では、本説明の理解を曖昧にしないために、周知の方法、構造、および技法は詳細には示していない。
本発明の実施形態においてピッチを参照する場合、グレーティング内に生ずる周期的空間変動を参照する。トレンチ状のグレーティングでは、ピッチは、典型的には、隣接するトレンチ間の周期的距離として定義される。ナノホールをベースとしたグレーティングでは、ピッチは、隣接するホール間の相互距離(interdistance)を参照する。典型的には、ナノホールでは、隣接するホール間の相互距離は、全ての方向で同じである必要はなく、ピッチは、しばしば２つの垂直な方向、例えば、ナノホールが配置されたパターンの主軸に沿って表現される。例として、ナノホールの場合、ピッチがどのように定義できるかの一例を図１２に示す。ナノホールは、典型的にはアレイ状に配置され、ピッチは、異なる方向、本例ではｘ，ｙ方向について定義できる。本例では、ｘ方向のピッチＰｘはナノホールの直径に略等しく、一方、ｙ方向のピッチＰｙはより大きい。
本発明の実施形態において、ピッチに条件が課せられる場合、これらは全方向でのピッチについて好都合に満足すべきである。例えば、本発明の実施形態において、全方向でのピッチは、サブ波長グレーティングについて議論するには、サブ波長制限条件、例えば、波長の半分より小さいピッチを満足すべきである。
本発明の実施形態において、低有効／屈折率と高有効／屈折率の領域の比率を所定ピッチについて参照する。その結果、１つのピッチ領域において、低有効屈折率材料と比べてより多くの高有効屈折率材料が存在する場合、充填率は低くなる。１つのピッチ領域において、高有効屈折率材料と比べてより多くの低有効屈折率材料が存在する場合、充填率は高くなる。
本発明は、第１態様において、基板と、前記基板上に形成された集積導波路とを備える集積フォトニックデバイスに関する。この集積導波路は、予め定めた波長の放射を伝達するように構成され、例えば、集積導波路は、少なくとも１つの予め定めた波長の放射を伝達するための少なくとも１つの光学モードを提供する形状および寸法に構成される。集積フォトニックデバイスは、この集積導波路と光学的に接続されたサブ波長グレーティングをさらに備える。サブ波長グレーティングは、集積導波路内に集積してもよい。例えば、集積導波路は、サブ波長グレーティングを実装するように構成されたサブ波長グレーティング部分またはセグメントを含んでもよい。サブ波長グレーティングは、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供する。
集積フォトニックデバイスは、前記サブ波長グレーティングを経由して、前記集積導波路の入力及び／又は出力において予め定めた波長の光を結合するために、サブ波長グレーティングの上方またはその中に配置された回折グレーティングをさらに備える。幾つかの実施形態において、回折グレーティングは、サブ波長グレーティングの上に重なっており、一方、他の実施形態おいて、回折グレーティングは、サブ波長グレーティング内に実装され、またはそこに埋め込まれる。これらの異なる実施形態の例は後述する。
回折グレーティングは、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する。第１周期変動は、第１ピッチ、例えば、予め定めた波長の半分より小さい第１空間周期を有し、第２周期変動は、第２ピッチ、例えば、前記予め定めた波長の少なくとも半分の第２空間周期を有する。
本発明の実施形態において、回折グレーティングを参照する場合、サブ波長グレーティングの上部にあるグレーティングを参照する。回折グレーティングは、光伝搬面から放射を回折させる。本発明の実施形態において、サブ波長グレーティングを参照する場合、導波路内で、放射の波長未満のサイズを持つ周期的構造物を参照するものであり、サブ波長グレーティングは、特定の媒体として機能する。
本発明の実施形態において、予め定めた波長を参照する場合、導波路内で伝搬する放射の波長を参照する。
本発明の実施形態に係る集積フォトニックデバイスの利点は、デバイスが大きな動作帯域を提供する複合(compound)ファィバチップカプラを備えることである。更なる利点は、こうした複合ファィバチップカプラが製造不良に対して許容度があることである。
例として、本発明の実施形態はこれに限定されないが、本発明の実施形態の幾つかの標準および任意の特徴、特性は、図面を参照してさらに後述する。
図１において、本発明の第１態様の実施形態に係る集積フォトニックデバイス１の断面を示す。この集積フォトニックデバイスは、基板１０を含む。の上に、典型的には、埋め込み酸化物層１１が設けられる。埋め込み酸化物層１１の上部には、導波路材料層１２が設けられ、集積導波路１６が形成される。詳細には、集積導波路１６は、基板１０の上部に位置決めしてもよく、中間層が存在してもよい。有利な実施形態において、集積導波路１６は、半導体・オン・インシュレータに集積される。こうした半導体・オン・インシュレータは、例えば、シリコン・オン・インシュレータデバイス、例えば、半導体層１２で覆われた二酸化シリコン層１１を含む半導体基板１０でもよい。そして半導体層は、導波路材料層に対応している。代替として、導波路が集積可能である他の基板も用意してもよい。例えば、基板または中間層と組み合わせた基板が、種々の形態および材料系、例えば、低屈折率コントラスト導波路プラットフォーム（例えば、ポリマー導波路、ガラス／シリカ導波路、ＡｌｘＧａ１‐ｘＡｓ導波路、ＩｎｘＧａ１‐ｘＡｓｙＰ１‐ｙ導波路）、高屈折率コントラスト導波路（例えば、シリコン・オン・インシュレータ、半導体膜）、プラズモン導波路（例えば、金属ナノ粒子、アレイ、金属層）を参照してもよく、これらはフォトニック光波回路(Photonic Lightwave circuits: ＰＬＣ)とも称される。
集積フォトニックデバイス１は、導波路材料層１２内に位置決めされた集積導波路１６を備える。この集積導波路１６は、予め定めた波長の放射、例えば、光を伝達するように構成される。集積導波路１６は、例えば、少なくとも１つの予め定めた波長を有するか、または予め定めた波長範囲内の少なくとも１つの光学モードの放射をサポートする形状および寸法に構成してもよい。集積導波路１６は、予め定めた波長に対応した中心波長を有するスペクトル帯域内の放射を効率的に伝達するように構成できる。例えば、集積導波路１６は、従来の導波路、例えば、スラブ型またはワイヤ型の導波路でもよい。集積導波路１６は、シリコン材料を含んでもよく、例えば、多結晶シリコン光コンダクタを含んでもよいが、実施形態はこれに限定されない。
集積導波路１６はまた、予め定めた波長の放射を集積導波路の方向に沿って伝達し、強く閉じ込めるための非共振型フォトニック構造を備えてもよい。例えば、導波路は、上述したように、基板層、埋め込み酸化物層および上部シリコン層を有するシリコン・オン・インシュレータウエハの上部シリコン層において、矩形セグメントのリニア周期アレイを備え、またはこれから成るものでもよい。導波路コアは、高屈折率セグメントを、同時にクラッド材料として使用できる低屈折率の材料と組み合わせることによって形成された複合(composite)媒体でもよい。コアの屈折率は、材料の体積割合を変化させることによって、リソグラフィ手法で制御可能である。集積導波路１６を完成するために、追加のクラッド層（不図示）を導波路材料層１２の上部に設けてもよい。
集積フォトニックデバイス１は、集積導波路１６と光学的に接続されたサブ波長グレーティング１３をさらに備え、例えば、サブ波長グレーティング１３は、集積導波路から予め定めた波長の放射を受けてもよく、及び／又は、予め定めた波長の放射を集積導波路１６に供給してもよい。
特に有利な実施形態において、サブ波長グレーティング１３は、集積導波路１６内に集積してもよい。例えば、集積導波路１６は、サブ波長グレーティング１３を実装するように構成された、サブ波長グレーティング部分またはセグメントを含んでもよい。例えば、サブ波長グレーティング１３は、予め定めた波長の放射に関して有効屈折率を局所的に低下させるために、集積導波路１６の材料内に形成されたナノホール及び／又はトレンチを含んでもよい。サブ波長グレーティング１３は、埋め込み酸化物層の上部に、ある層を堆積することによって形成してもよい。そこには、サブ波長グレーティング用のパターンがエッチングされ、第１周期変動が得られる。そして、パターンのエッチングされたホールは、他の屈折率材料で充填できる。サブ波長グレーティング１３は、導波路材料層を、第１周期変動に対応したエッチングパターンに従って完全にエッチングすることによって得られ、例えば、材料層１２を、第１周期変動に対応したエッチングパターンに従って、停止層、ここでは埋め込み酸化物層に至るまでエッチングすることによって得られる。これにより、埋め込み酸化物層が停止層として使用できることが利点である。
集積導波路が、予め定めた波長の放射を伝達し閉じ込めるための非共振型フォトニック構造から成り、またはこれを備えた実施形態では、サブ波長グレーティング１３は、非共振型構造の周期性を局所的に変化させて、サブ波長グレーティング１３を実装することによって、この非共振型フォトニック構造の一部を形成してもよい。
サブ波長グレーティングは、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供する。第１周期変動は、例えば、ラインパターンに配置された複数のトレンチ、または、グリッドパターンに配置された複数のナノホールを備えてもよい。この第１周期変動は、少なくとも第１ピッチ、例えば、予め定めた波長の半分より小さい第１空間周期を有する。周期構造によって誘起された屈折率変化は、ピッチ、サイズ、例えば、ホールの直径またはトレンチの幅などを変化させることによって同調できる。適正な屈折率を得るために、こうしたパラメータを同調させるための同調手法は当業者に知られている。本発明の実施形態の利点は、屈折率制御が、材料技術を変える必要性なしで得られることである。こうして低屈折率コントラストプラットフォームの利点が、高屈折率プラットフォーム内に実現でき、デバイスの有利なエンジニアリングが得られる。
本発明に係る実施形態において、第１ピッチは、回折グレーティング１４およびサブ波長グレーティング１３を経由して集積導波路に放射を供給したり、集積導波路から放射を受けたりするために、サブ波長グレーティング１３の光パワープロファイルを、ファイバのあるモードの光パワープロファイルと整合させるように、場所の関数として変化してもよい。幾つかの実施形態において、第１ピッチに、適切な勾配または非線形な空間依存性を設けることによって、本発明に係るフォトニック集積デバイス１内にアポディゼーション(apodization)を実装してもよい。
本発明に係る実施形態において、第１周期変動は、低有効屈折率領域を高屈折率材料プラットフォーム内に設けるように構成してもよい。例えば、集積導波路１６は、予め定めた波長の放射を、第１有効屈折率を有する媒体を経由して伝達してもよい。サブ波長グレーティング１３は、この放射を、第１有効屈折率より低い第２有効屈折率を有する媒体を通じて伝達してもよい。集積導波路の第１有効屈折率は、集積導波路コアの材料に固有の屈折率でもよいが、導波路の非共振型フォトニック構造、例えば、導波路の主方向に沿ったサブ波長構造物の周期的リニアアレイによって得られる有効屈折率でもよい。例えば、第１周期変動は、予め定めた波長の放射に関して有効屈折率を低下させるために、集積導波路１６の材料内に形成されたナノホールを含んでもよい。
本発明の実施形態の利点は、サブ波長グレーティング１３によって実装される第２有効屈折率が、放射の伝搬モードを緩く閉じ込め可能であることである。従って、伝搬モードは、弱いグレーティング、例えば、回折グレーティング１４によって注入または取り出し可能である。
集積フォトニックデバイス１は、サブ波長グレーティング１３を経由して、集積導波路１６の入力及び／又は出力において予め定めた波長の放射を結合するために、サブ波長グレーティング１３の上方または中に配置された回折グレーティング１４をさらに備える。回折グレーティング１４は、サブ波長グレーティング１３の上に重なってもよく、サブ波長グレーティング１３内に設けてもよく、あるいは、そこに埋め込んでもよい。一例において、集積フォトニックデバイス１は、導波路カバー層１５、例えば、集積導波路１６およびサブ波長グレーティング１３の上に設けられた二酸化シリコン層を備えてもよく、その上に回折グレーティング１４が設けられ、例えば、導波路カバー層１５は、集積導波路１６のための上部クラッド層および、そこに設けられた回折グレーティング１４をエッチングするためのエッチング停止層を好都合に形成できる。図１１において、デバイス１は、光学モードとともに図示しており、光学モード１１０は、サブ波長グレーティング無しの導波路内の光学モードを示しており、光学モード１１１は、サブ波長領域内に広がる光学モードを示す。図１１から判るように、導波路カバー層１５は、ここではエッチング停止層であり、好都合には、モードのテールが上部グレーティングに到達できるように充分に薄い。もし停止層が極めて厚ければ、モードのテールが回折グレーティングに到達するのを阻止するであろう。
回折グレーティング１４は、少なくとも１つの第２空間方向に、例えば、第１空間方向と同じ方向である第２空間方向に、屈折率の第２周期変動を提供する。第２周期変動は、第２ピッチ、例えば、前記予め定めた波長の少なくとも半分の第２空間周期を有する。こうして回折グレーティング１４は、従来のグレーティング、例えば、サブ波長グレーティングの上に設けられた金属ライン・グレーティングでもよい。
本発明に係る実施形態において、第２ピッチは、回折グレーティング１４およびサブ波長グレーティング１３を経由して集積導波路に光を供給したり、集積導波路から光を受けたりするために、回折グレーティング１４の光パワープロファイルを、ファイバのあるモードの光パワープロファイルと整合させるように、場所の関数として変化してもよい。第２ピッチに、適切な勾配または非線形な空間依存性を設けることによって、本発明に係るフォトニック集積デバイス１内にアポディゼーションを実装してもよい。
実施形態に係る集積フォトニックデバイス１が、例えば、図６に示すように、予め定めた波長の放射のうち下向きに回折した部分を反射するために、例えば、予め定めた波長の放射のうち上向きに回折した部分と建設的に干渉するように、基板１０とサブ波長グレーティング１３との間に配置された反射エレメント１９（便宜上、幾つかの中間層を明示していない）をさらに備えてもよい。例えば、反射エレメント１９は、分布ブラッグミラーを含んでもよい。
第２態様において、本発明は、フォトニック集積デバイス、例えば、本発明の第１態様に係るフォトニック集積デバイスを製造する方法に関する。こうしたフォトニック集積デバイスを製造する例示の方法２０を図２に示す。この方法は、その上に埋め込み酸化物層１１を有する基板１０、例えば、シリコン基板を用意するステップ２１を含む。埋め込み酸化物層１１の上に、導波路材料層１２が存在する。
該方法はさらに、例えば、導波路材料層１２をエッチングすることによって、集積導波路１６を導波路材料層１２内に設けるステップ２２を含む。この集積導波路１６は、例えば、予め定めた波長の放射を伝達するように構成され実装される。
方法２０はさらに、集積導波路と光学的に接続されたサブ波長グレーティング１３を形成するステップ２３を含む。サブ波長グレーティングは、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供する。
方法２０はまた、サブ波長グレーティング１３を経由して、集積導波路１６の入力及び／又は出力において予め定めた波長の光を結合するために、回折グレーティング１４を、サブ波長グレーティングの上方またはその中に配置するステップ２４を含む。回折グレーティング１４は、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する。第１周期変動は、予め定めた波長の半分より小さい第１ピッチを有し、第２周期変動は、予め定めた波長の少なくとも半分の第２ピッチを有する。サブ波長グレーティング１３を形成するステップ２３は、この第１周期変動に対応したエッチングパターンに合致して、導波路材料層内の導波路における周期パターンを完全にエッチングすることを含んでもよい。
本発明の実施形態に関連する第１の例では、フォトニックデバイスのシミュレーションを行うために、有効媒質理論(Effective Medium Theory)を使用した。低い有効屈折率領域を定義するサブ波長グレーティングは、対応するバルク屈折率を持つ人工材料によって置換した。ＳｉＯ２とポリ（多結晶）Ｓｉからなるサンドイッチ層をシミュレーションのために用いた。図５は、シミュレーションを行ったシステムを示し、導波路構造１６の下部クラッドとして機能する二酸化シリコン層１１を有するベース基板１０を含む複合基板を備える。
図３は、構造の結合効率を波長の関数として示す。グレーティングカプラの帯域Δλ１ｄＢは、下記の式に従って、サブ波長グレーティングの有効屈折率ｎｅｆｆに依存する。
ここで、λ０は所望のピーク波長、θは設計回折角、ｎｃはクラッド材料の屈折率である。
従って、有効媒質の屈折率の人工設計によって、カプラの帯域は、サブ波長グレーティングの有効媒質屈折率を減少させることによって、より大きくできる。
ファイバカプラのピーク波長は、サブ波長グレーティングおよび回折グレーティング１４の厚さおよび充填率、例えば、ライン／スペース幅によって影響を受ける。これら両方のパターンは、エッチング停止層に頼って完全にエッチングした構造物によって定義できる。サブ波長グレーティング１３は、エッチング停止層として、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層を有する。プラズマベースのウエハスケールのエッチングプロセスが用いられる。ウエハに渡るプラズマ不均一性が、原理上、エッチング深さ不均一性を生じさせ、一方、停止層を用いることによって、エッチングがより速かったウエハ部分は、停止層に到達すると、それ以上はエッチングされなくなるが、遅いエッチング領域がエッチングを続けることになる。こうしてエッチング深さ不均一性が減少または回避される。
エッチングプロセスは、典型的には層１５と層１４の間で高い選択性を有する。典型的には、エッチング深さで得られる不均一性は、８％〜１０％のオーダーである。エッチング深さ不均一性を制御するための他のテクニックも適用できることに留意すべきである。回折グレーティングでは、追加のエッチング停止層が設けられる。従って、エッチングプロセスによって誘起されるエッチング深さ不均一性が減少または除去できる。
充填率変動に対する許容誤差が動作領域に依存するであろう。大きな充填率、例えば、低い有効媒質屈折率では、該構造は、例えば、高い有効媒質屈折率に対応した低い充填率と比べて比較的より強固になる。これは図４に示す。
この第１の例におけるカプラの結合効率は、上向きに回折した光と建設的に干渉するように、下向きに回折した光を反射することによって、より増加し得る。これは、例えば、従来の分布ブラッグミラー（ＤＢＲ）によって達成できる。図６と図７は、下部分布ブラッグミラー１９を備えたこうしたカプラのシミュレーションと、対応するシミュレーションを行った結合効率の改善（８０ｎｍの３ｄＢ帯域で４５％から８０％へ）とをそれぞれ示している。
前例に係るカプラが、指数関数的に減衰する光パワーを発生できるが、図８において、ファイバモードプロファイル９１と、グレーティングから離れた散乱の光パワープロファイル９２とで概略的に示すように、光ファイバとの結合にとって理想的でない。従って、カプラのグレーティング周期が、適切なプロファイル、例えば、ガウシアンプロファイルを作成するようにアポダイズ処理してもよく、その結果、図９と図１０に示すように、光ファイバとカプラとの間で改善された結合が達成できる。換言すると、アポディゼーションおよび結合を切り離すことによって、サブ波長グレーティングから回折グレーティングを経由してファイバへの該波長での放射パワー伝送の効率が改善し、その結果、全体として、より効率的なファイバチップ光学カプラが得られる。
実施形態に係るフォトニック集積デバイスが、例えば、図９に示すように、サブ波長グレーティング構造の周期を局所的に変化させることによって、結合する光パワープロファイルを、入射するファイバモードプロファイルに整合させるようにアポダイズ処理してもよい。
こうしてサブ波長グレーティング媒質の有効屈折率において局所的勾配が設けられるとともに、回折グレーティング、例えば、オーバーレイ（重ね合わせ）グレーティングの周期性が均一に維持される。屈折率が徐々に減少しているため、導波路内の光の閉じ込めは徐々に減少する。屈折率のこの段階的減少は回折の段階的増加を生じさせ、従って、適切なプロファイル、例えば、ファイバモードと整合するガウシアン状のモードパターンを実装できる。代替または追加として、回折グレーティングの周期性は、図１０に示すように、従来のグレーティングカプラのアポディゼーションで知られているように、局所的に変化してもよい。
上記の例および実施形態において、回折グレーティングは、サブ波長グレーティングにとってオーバーレイとして示しているが、本発明の幾つかの実施形態によれば、回折グレーティングは、サブ波長グレーティング内に設けてもよく、即ち、サブ波長グレーティング内にエッチングされたグレーティングとして設けてもよい。これにより帯域の人工設計が可能になるが、製造許容誤差が小さいという不具合がある。こうした実施形態の一例を図１３に示しており、回折グレーティングがサブ波長グレーティング内にエッチングされている。回折グレーティングは、サブ波長グレーティングより大きなピッチを有する。この例では、デバイスは、シリコン・オン・インシュレータをベースとしていたが、本発明の実施形態はこれに限定されない。
他のセットの実施形態において、回折グレーティングは、サブ波長グレーティング内に設けられるが、部分的にエッチングされたグレーティングを回折グレーティングとして用いる代わりに、回折グレーティングは、サブ波長グレーティング内に埋め込められる。サブ波長グレーティング自体は、第１ピッチの周期変動を有する。埋め込みグレーティングにおいて、第２ピッチの第２周期変動が同じグレーティング内に導入される。換言すると、埋め込みグレーティングにおいて、２つの周期変動の重畳(superposition)が導入される。埋め込みグレーティングの一例を図１４に示しており、実施形態はこれに限定されない。判るように、一方では、第１周期を持つサブ波長グレーティングが存在しているが、これらは他の周期を有するサブ波長グレーティング部分とともに交互配列している。第１周期および追加の周期を実質的に異ならせることによって、低有効屈折率の領域および高有効屈折率の領域を生成できる。第１および第２サブ波長グレーティング部分（および低有効屈折率の領域および高有効屈折率の領域）の交互配列は、第３周期とともに生ずる。第１周期および第２周期はともに、サブ波長グレーティングに典型的に生ずるような第１周期変動と対応し、一方、第３周期は、回折グレーティングに典型的に生ずるような第２周期変動と対応している。埋め込みグレーティングは、サブ波長グレーティングおよびサブ波長グレーティングの上に重なる回折グレーティングの代替品として、上述のようなフォトニックデバイスに実装できる。

Claims (14)

  1. 基板（１０）と、
    前記基板上に形成され、予め定めた波長の光を伝達するように構成された集積導波路（１２）と、
    前記集積導波路と光学的に接続され、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供するサブ波長グレーティング（１３）と、
    基板に対してサブ波長グレーティングの上方に配置され、または、前記サブ波長グレーティング内に部分的にエッチングされた回折グレーティング（１４）であって、前記サブ波長グレーティングを経由して、前記集積導波路の入力及び／又は出力において前記予め定めた波長の光を結合するために、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する回折グレーティング（１４）とを備え、
    前記第１周期変動は、前記予め定めた波長の半分より小さい第１ピッチを有し、
    前記第２周期変動は、前記予め定めた波長の少なくとも半分の第２ピッチを有する、集積フォトニックデバイス（１）。
  2. サブ波長グレーティング（１３）は、前記集積導波路（１２）内に集積されている請求項１記載の集積フォトニックデバイス。
  3. サブ波長グレーティング（１３）は、予め定めた波長の光に関して有効屈折率を局所的に低下させるために、集積導波路（１２）の材料内に形成されたナノホール及び／又はトレンチを含む請求項１〜２のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  4. 前記第１ピッチは、回折グレーティング（１４）およびサブ波長グレーティング（１３）を経由して集積導波路に光を供給したり、集積導波路から光を受けたりするために、サブ波長グレーティングの光パワープロファイルを、ファイバのあるモードの光パワープロファイルと整合させるように、場所の関数として変化している請求項１〜３のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  5. 第２ピッチは、回折グレーティング（１４）およびサブ波長グレーティング（１３）を経由して集積導波路に光を供給したり、集積導波路から光を受けたりするために、回折グレーティングの光パワープロファイルを、ファイバのあるモードの光パワープロファイルと整合させるように、場所の関数として変化している請求項１〜４のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  6. 前記予め定めた波長の前記光のうち上向きに回折した部分と建設的に干渉するように、前記予め定めた波長の前記光のうち下向きに回折した部分を反射するために、前記基板（９）と前記サブ波長グレーティング（１３）との間に配置された反射エレメント（１９）をさらに備える請求項１〜５のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  7. 前記反射エレメント（１９）は、分布ブラッグミラーを含む請求項６記載の集積フォトニックデバイス。
  8. サブ波長グレーティング（１３）は、導波路有効屈折率を有する媒体を通じて、予め定めた波長の光を伝達するように構成され、
    前記第１周期変動は、前記導波路有効屈折率より低い有効屈折率を提供するようにした請求項１〜７のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  9. 基板は、半導体・オン・インシュレータの一部であり、
    集積導波路（１６）は、前記半導体・オン・インシュレータ層の半導体層に形成される請求項１〜８のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  10. 半導体層は、シリコン層であり、
    集積導波路（１６）は、シリコン導波路である請求項９記載の集積フォトニックデバイス。
  11. 回折グレーティング（１４）は、金属ライン・グレーティングである請求項１〜１０のいずれかに記載の集積フォトニックデバイス。
  12. 集積フォトニックデバイス（１）を製造する方法（２０）であって、
    ・上に堆積した埋め込み酸化物層（１１）と、前記埋め込み酸化物層（１１）の上にある導波路材料層（１２）とを有する基板（１０）を用意するステップ（２１）と、
    ・予め定めた波長の光を伝達するように構成された集積導波路（１６）を、前記導波路材料層（１２）に設けるステップ（２２）と、
    ・前記集積導波路（１６）と光学的に接続され、少なくとも１つの第１空間方向に屈折率の第１周期変動を提供するサブ波長グレーティング（１３）を形成するステップ（２３）と、
    ・前記サブ波長グレーティング（１３）を経由して、前記集積導波路の入力及び／又は出力において前記予め定めた波長の放射を結合するために、少なくとも１つの第２空間方向に屈折率の第２周期変動を提供する回折グレーティング（１４）を、基板に対して前記サブ波長グレーティング（１３）の上方に配置するステップ（２４）とを含み、
    前記第１周期変動は、前記予め定めた波長の半分より小さい第１ピッチを有し、
    前記第２周期変動は、前記予め定めた波長の少なくとも半分の第２ピッチを有する、方法。
  13. 前記サブ波長グレーティング（１３）を形成するステップ（２３）は、エッチング停止層として機能する埋め込み酸化物層（１１）に至るまで、導波路材料層（１２）において導波路を完全にエッチングすることを含み、
    前記エッチングは、前記第１周期変動に対応したエッチングパターンに合致している請求項１２記載の方法。
  14. 基板を用意するステップは、シリコン・オン・インシュレータを用意することを含み、
    集積導波路は、シリコン・オン・インシュレータのシリコン層に形成される請求項１３記載の方法。
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