JP2015517123A - 導波管およびエバネッセント場結合フォトニック検出器を提供する方法および装置 - Google Patents

導波管およびエバネッセント場結合フォトニック検出器を提供する方法および装置 Download PDF

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Abstract

記述された実施形態は、光導波管からの光波を受信して、共通点へと光波を方向づけるための光導波管およびフォトニック検出器などの、電子フォトニックデバイス用の光接続を含む。当該接続を作製する方法も記述される。【選択図】図４

Description

本明細書で開示された実施形態は、概して、電子デバイス（例えば、半導体デバイス）の分野に関し、より詳細には、電子フォトニックデバイスに関する。
光伝送は、個別の集積回路チップ間での通信（チップ間接続）および同一チップ上のコンポーネント内の通信（チップ内接続）用の手段として使用されることがある。光電子デバイスとしても知られている電子フォトニックデバイスは、光を生成し、制御しおよび／もしくは検出することが可能な電子デバイスの一種である。電子フォトニックデバイスは、電子的機能およびフォトニック機能の双方を含む。より多く要求される通信帯域幅、エネルギー消費、半導体デバイスなどの電子デバイス用の性能規準に対して、電子フォトニック集積回路とよばれる電子フォトニックデバイスの一種を形成するために、フォトニックデバイスは、ますます光／電気回路と一体化される。
例えば、半導体産業においては、フォトニックデバイスは、チップ内の通信、コンピュータボードのチップ間の通信およびコンピュータボード間の通信を含む種々の用途を有する。光相互接続を介するチップトゥチップ（ｃｈｉｐ−ｔｏ−ｃｈｉｐ）通信においては、回路ボード上の各チップは、フォトニック−電子的送受信器回路でインターフェイス接続することができ、二つのチップは、光導波管を介して動作可能に接続される。同様に、光導波管は、一体化された光源およびフォトニック検出器の間など、チップ内のコンポーネントを接続するために使用されてもよい。電子フォトニックデバイスの別の利点は、純粋な光機能、純粋な電気機能および光電子機能を実施する素子が、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）半導体製造プロセスなどの既存の製造プロセスを利用して、同一もしくは異なる基板上に、同時に形成できることである。
図１は、従来の電子フォトニックデバイス１００の一例のブロック図を示す。電子フォトニックデバイス１００は、シングルチップもしくは基板上の集積回路又は個別の基板上のデバイスなどの素子を動作可能なように接続するために使用されてもよい。
電子フォトニックデバイス１００は、光ビームを生成するように構成された光源１２０を含む。光源１２０は、例えば、レーザ（ハイブリッドシリコンレーザもしくはガリウム砒素レーザなど）、コヒーレント発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオードもしくは本技術分野で既知の他の適切な光源などのコヒーレント光源であってもよい。コヒーレント光源は、典型的には、均質かつ同位相である狭い波長帯域を有する光源である。光源１２０は、約１２００ｎｍから１５５０ｎｍの範囲内の波長を有する光ビームを出力するように構成されてもよい。
光導波管１３０は、光源１２０の光ビームを、ＰＩＮ接合を有する光リング共振器などの変調器１４０へと接続する。変調器１４０は、受信された電子データ１４５で受信された光ビームを変調し、別の導波管１５０に沿って変調された光データを出力する。変調器１４０は、光ビームが同一の電子フォトニックシステム内の別の変調器１４０によって既に変調されたときなどは、変調なしで光ビームを通過させることもできる。
フォトニック検出器１６０は、変調された光ビームを受信して集光するように構成された半導体材料１６２（ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムホスフェイト（ＩｎＰ）もしくは他の適切な材料）を含む。電気的応答は、変調された光データの波長のエネルギーの受信に応じて電気応答を生成して、受信された光データ用の外部電気接続を提供する一つ以上の電極１６４に伝送される。
図２Ａおよび図２Ｂは、其々、光導波管１５０ａ、１５０ｂの二つの実施例の断面図を示す。光導波管１５０ａ、１５０ｂの双方は、其々、内部コア１５２ａ、１５２ｂおよび外部クラッド１５４ａ、１５４ｂを含む。
光導波管１５０ａ（図２Ａ）は、楕円形状の光導波管である。光導波管１５０ａは、単一モードもしくは複数モード光ファイバもしくは他のフォトニックデバイス（例えば、光源１２０、フォトニック検出器１６０など）が形成される基板もしくはチップから分離された他の素子などの光ファイバとして形成されうる典型的導波管である。外部コア１５４ａは、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料であってもよい。内部コア１５２ａは、例えば、ＧｅＯ２などの不純物がドープされたＳｉＯ２などのシリコン（Ｓｉ）材料であって、外部クラッド１５４ａと比較すると、典型的には非常に小さい寸法を有する。例えば、内部コア１５２ａは、約９μｍの半径を有するが、外部クラッド１５４ａは、約１２５μｍの半径を有することがある。
光導波管１５０ｂ（図２Ｂ）は、長方形の導波管である。光導波管１５０ｂは、シリコン基板、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板もしくはリソグラフィー処理を利用するプリント回路基板（ＰＣＢ）などの半導体上に形成されうる典型的集積光導波管である。例えば、外部クラッド１５４ｂとして機能するＳｉＯ２基板上に形成された集積光導波管１５０ｂは、例えば、シリコン（Ｓｉ）材料で形成された長方形の内部コア１５２ｂを有してもよい。内部コア１５２ｂは、約３００ｎｍの直径を有するが、外部クラッド１５４ｂは、光導波管１５０ｂが形成され、約１μｍもしくはことによると更に大きい直径を有しうるより大きい基板のうちの一部である。
導波管１５０ａ、１５０ｂを通る光ビームの導波性は、より高い反射率の内部コア１５２ａ、１５２ｂとより低い反射率の外部クラッド１５４ａ、１５４ｂとの間の界面における光ビームの電磁波の内部反射を通して生じる。内部コア１５２ａ、１５２ｂは、外部クラッド１５４ａ、１５４ｂを形成する材料の反射率よりも大きい反射率を有する材料で形成される。内部コア１５２ａ、１５２ｂの反射率は、外部クラッド１５４ａ、１５４ｂの反射率よりもわずかに（例えば、１％）高いか、または、より大きい総内部反射（ＴＩＲ）を提供するために、顕著に高い（“高コントラスト導波管”と称される）ことがある。例えば、内部コア１５２ａ、１５２ｂは、約３．５の反射率を有するシリコン（Ｓｉ）材料で形成されるが、外部クラッド１５４ａ、１５４ｂは、約１．５の反射率を有する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料で形成されてもよい。
外部クラッド１５４ａ、１５４ｂは、内部コア１５２ａ、１５２ｂの反射率よりも低い反射率を有する任意の材料で形成することができることを理解されたい。例えば、約１．０の反射率を有する大気は、Ｓｉ内部コアを有する光導波管１５０用の外部クラッドとして利用することができ、それによってクラッドは、個別の材料を使用する必要がない。光導波管１３０、１５０（図１）の双方は、図２Ａおよび図２Ｂに関連して上述されたものと類似もしくは異なる特性を有してもよいことを理解されたい。
図３Ａおよび図３Ｂは、光導波管１５０とフォトニック検出器１６０ａ、１６０ｂの間の光接続の二つの全体図を示す。図３Ａは、フォトニック検出器１６０ａへと突合せ結合された光導波管１５０を有するフォトニック検出器１６０ａを示す。フォトニック検出器用の突合せ（ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ）接続は、最小の相互接続長を必要とする。しかしながら、光導波管１５０とフォトニック検出器１６０ａの半導体材料の間の異なる反射率は、光ビーム由来のエネルギーが光導波管１５０へと反射することを引き起こす可能性がある。例えば、光導波管１５０は、約１．５の反射率を有するＳｉで構成され、フォトニック検出器１６０ａは、約４．３４の反射率を有する例えばＧｅで構成されてもよい。この反射は、“リターンロス（反射損失）”として知られ、フォトニック検出器１６０ａによって受信される光信号の強度を減少するのに加えて、光源１２０（図１）の動作と干渉する可能性がある。
図３Ｂは、フォトニック検出器部分１６０ｂ１および１６０ｂ２で構成されるフォトニック検出器１６０ｂにエバネッセント結合された光導波管１５０を有するフォトニック検出器１６０ｂを示す。フォトニック検出器部分１６０ｂ１、１６０ｂ２は、光導波管１５０を包囲するが、其々距離ｄ１、ｄ２によって光導波管１５０から分離される。エバネッセント結合においては、光導波管１５０内の光ビームの伝達によって生成されるエバネッセント場（即ち、図５Ｂの内部コア１５２ｂと外部クラッド１５４ｂの間の境界において形成される近接場定常波（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ）が完全に減衰する前にフォトニック検出器部分１６０ｂ１、１６０ｂ２に到達するように、光導波管１５０は、フォトニック検出器部分１６０ｂ１、１６０ｂ２に近接して配置される。光導波管１５０からのエバネッセント場の強度がフォトニック検出器部分１６０ｂ１、１６０ｂ２によって検出される前に、完全に減少しないように、距離ｄ１、ｄ２は、十分に小さくなければならない。例えば、距離ｄ１、ｄ２は、約１０μｍ以下であってもよい。光導波管１５０由来のエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）場は、フォトニック検出器部分１６０ｂ１、１６０ｂ２上で伝搬波モードを生じさせ、それによって、光導波管１５０からの波をフォトニック検出器部分１６０ｂ１、１６０ｂ２へと接続（もしくは結合）する。
エバネッセント結合されたフォトニック検出器１６０ｂは、突合せ結合されたフォトニック検出器１６０ａ（図３）よりも低いリターンロスを有するが、典型的には、突合せ結合されたフォトニック検出器１６０ａよりも長い経路長（例えば、約５０μｍ以上）を必要とする。これは、フォトニック検出器１６０ｂ用に必要とされるフットプリントを増加させ、それによって、電子フォトニックデバイス１００（図１）の全体寸法も増加させる。
したがって、短い経路長だとしても低いリターンロスを有する光導波管とフォトニック検出器の間の光接続を提供することが望ましい。
従来の電子フォトニックデバイスのブロック図である。 従来の光導波管の断面図を示す。 従来の光導波管の断面図を示す。 光導波管およびフォトニック検出器用の従来の光接続の全体図を示す。 光導波管およびフォトニック検出器用の従来の光接続の全体図を示す。 本明細書で記述された実施形態に従う、光接続の全体図を示す。 本明細書で記述された実施形態に従う、光接続における光路の全体図を示す。 本明細書で記述された実施形態に従う、別の光接続における光路の全体図を示す。
以下の詳細な説明においては、本発明の種々の実施形態に対して参照がなされる。これらの実施形態は、当業者がそれらを実践することが可能なほど十分詳細に記述される。他の実施形態が使用されてもよく、種々の構造的、論理的および電気的変更がなされてもよいことを理解されたい。さらには、種々のプロセスが記述される場合には、プロセスのステップは、特に記述されない限り、具体的に記述される以外の順序で生じてもよいことを理解されたい。
本明細書で記述された実施形態は、光導波管で生じる曲げ損失として知られる現象を利用する。光ビームが光導波管内を伝送するとき、エバネッセント波と称される近接場定常波が、光導波管の内部コアと外部クラッドの間の境界に形成される。光導波管内に曲げが生じるとき、内部コアと外部クラッドとの間の境界の外に位置するエバネッセント波の一部は、同一の角速度を維持するために、内部コアの内部に位置する波の一部よりも速く伝送しなければならない。“臨界半径”として称される点において、エバネッセント波は、導波管内部の波の一部と同一の角速度を維持するために其々の媒体において十分速く伝送できず、この部分のエネルギーは、曲がった導波管から離れて放射状方向に導波管から外側へと伝搬する。
曲げ損失は、典型的には、光導波管設計における障害と考えられる。しかしながら、以下に記述される実施形態は、光導波管とフォトニック検出器の間の接続を提供するために、この現象をさらに激化させて、利用する。
図４は、光導波管４１０とフォトニック検出器４２０の間の光接続４００の全体図を示す。光接続４００は、例えば、シリコン基板、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）基板、もしくはプリント回路基板（ＰＣＢ）などの基板上に形成されてもよい。あるいは、光接続４００の素子は、複数の個別の基板（例えば、Ｓｉ、ＳＩＯ２、ＳＯＩもしくは他の適切な基板）上に形成されてもよい。
光導波管４１０は、内部コア４１２および外部クラッド４１４を含み、基板（例えば、フォトニック検出器４２０と共通の基板）へと一体化されてもよいし、または、例えば、単一モードもしくはデュアルモード光ファイバであってもよい。内部コア４１２は、例えば、Ｓｉ材料で形成されてもよいし、約３００ｎｍの幅を有してもよい。外部クラッド４１４は、例えば、ＳｉＯ２で形成されてもよい。内部コア４１２は、既知のプロセスを利用して外部クラッド４１４内にパターン化されてもよい。
フォトニック検出器４２０は、以下に記述されるように、光導波管４１０からの光波の受信によって電気的応答を生成する、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムホスフェイト（ＩｎＰ）もしくは他の適切な材料などの半導体材料で構成される。フォトニック検出器４２０は、少なくとも一つの電極４３０を含み、電極４３０は、例えば、アルミニウム、銅、チタンなどの金属で構成されてもよい。フォトニック検出器４２０は、ウェーハ接着および、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）半導体製造プロセスなどの他の既存の製造プロセスを利用して作製されてもよい。
光導波管４１０の動作可能なように接続された端は、θ１の角度で曲げられ、対応する曲率半径はｒ１である。光導波管４１０の曲げ部分は、リソグラフィープロセスを利用して形成されてもよい。曲率半径ｒ１は、光導波管４１０の曲げにそって一定であってもよいし、または、角度θ１の関数として変化してもよい。曲率半径ｒ１が十分に小さく（即ち、“臨界半径”以下であり）、それによって、光導波管４１０内の十分に急峻な曲げを生成する場合には、光導波管４１０からのエバネッセント波が光導波管４１０を離れて、フォトニック検出器４２０に向かって放射状に伝搬する。導波管４１０の臨界半径は、内部コア４１２の幅、内部コア４１２および外部クラッド４１４の材料および其々の屈折率に依存する。例えば３００ｎｍ幅のＳｉ内部コア４１２とＳｉＯ２外部クラッドを含む光導波管４１０に対して、半径ｒ１は、１μｍ以下であってもよい。
図５は、光接続４００におけるフォトニック検出器４２０へと光導波管４１０から放射状に伝搬するエバネッセント波の経路の全体図を示す。
フォトニック検出器４２０を形成するために使用される半導体材料は、伝搬されたエバネッセント波を共通点（例えば、電極４３０）へと反射するように形成されてもよい。半導体材料は、例えば、電子ビームリソグラフィーなどのリソグラフィープロセスを利用してもしくはエッチング技術を通して形成されてもよい。フォトニック検出器４２０の反射端４２５は、望ましくは、光導波管４１０から 約５−１５μｍの範囲内にあり、小型のフォトニック検出器４２０を可能としながら、伝搬されたエバネッセント波の波長に対して適切な経路長を提供する。
フォトニック検出器４２０によって受信された放射状に伝搬されたエバネッセント波は、端４２５から電極４３０に向かって、実質的に一定の角度θ２で反射することができる。例えば、フォトニック検出器４２０の反射端４２５は、電極４３０に向かって約２０°の角度でエバネッセント波を反射するように形成されてもよい。他の実施形態においては、角度θ２は、光導波管４１０からその距離の関数として変化してもよい。光導波管４１０に比較的近接した（即ち、１０μｍ以内の）電極４３０に対して、共通点を選択することによって、より円滑な反射端４２５を提供する。なぜなら複雑な反射点は必要とされないからである。
光ビームの反射率をより促進するために、フォトニック検出器４２０は、周囲の基板よりも高い反射率を有する材料で形成されてもよい。例えば、約４．３４の屈折率を有するゲルマニウム（Ｇｅ）フォトニック検出器４２０は、約１．５の屈折率を有するＳｉＯ２の基板内で使用されてもよい。他の材料は、ＩｎＰ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓおよび他の適切な材料などのフォトニック検出器４２０を形成するために使用されてもよい。
図６は、フォトニック検出器５２０の別の実施形態において、光接続５００における光路の全体図を示す。フォトニック検出器５２０は、曲げ損失によって光導波管４１０から放射状に伝搬されたエバネッセント波を反射するために、図４に関連して上述された端４２５に類似する形状の反射端５２５を含む。さらには、フォトニック検出器５２０の底部は、内部コア４１４からの残存する光ビームをフォトニック検出器５２０へと結合するために、光導波管４１０の端子点４１８へと突合せ結合される。光ビームは、フォトニック検出器５２０の別の反射端５２７から反射され、共通点（例えば、電極４３０）に到達する前に数回反射されてもよい。フォトニック検出器５２０は、ウェーハ接着および相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）半導体製造プロセスなどの他の既存の製造プロセスを利用して作製されてもよい。
図４−図６に関連して記述されたように、光導波管４１０および／もしくはフォトニック検出器４２０、５２０を含む光接続は、種々の電子フォトニックデバイスで使用されてもよい。例えば、光接続は、複数のメモリ素子（例えば、一つ以上のコアもしくはＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＲＯＭもしくは他のタイプのソリッドステートもしくはスタティックメモリ素子）を接続するために、少なくとも一つの光源１２０および変調器１４０（図１）を含むチップ間もしくはチップ内システムで使用される可能性がある。
上記の記述および図面は、本明細書で記述された特徴および利点を達成する特定の実施形態の例示としてのみ考えるべきである。特定のプロセス、コンポーネントおよび構造に対する改変および置換を行うことができる。例えば、上記の実施形態に関連して特に記述された以外の適切なタイプの半導体材料およびメモリ素子が使用されてもよいことを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、前述の記述および図面によって限定されるものとして考えられるべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されると考えられるべきである。

Claims (19)

  1. 光ビームを伝送するように構成された光導波管と、
    前記光導波管に動作可能なように接続されたフォトニック検出器と、
    を含み、
    前記光導波管は、前記光ビームに対応して放射状に伝搬する複数のエバネッセント波を前記フォトニック検出器へと放射するように構成された曲げ部分を含む、
    ことを特徴とする光接続。
  2. 前記フォトニック検出器は、共通点へと前記放射状に伝搬する複数のエバネッセント波を反射するように形成された少なくとも一つの反射端を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光接続。
  3. 前記共通点は電極の位置である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光接続。
  4. 前記光導波管は、第一の屈折率を有する材料で構成される内部コアと、第二の屈折率を有する材料で構成される外部クラッドと、を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光接続。
  5. 前記第一の屈折率は前記第二の屈折率よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項４に記載の光接続。
  6. 前記内部コアは、約３００ｎｍから５００ｎｍの範囲内の幅を有する、
    ことを特徴とする請求項４に記載の光接続。
  7. 前記光導波管の前記曲げ部分は、約１μｍの曲率半径を有する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の光接続。
  8. 前記内部コアはシリコンを含み、前記外部クラッドは二酸化シリコンを含む、
    ことを特徴とする請求項４に記載の光接続。
  9. 前記光導波管および前記フォトニック検出器は、共通基板上に集積される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光接続。
  10. 前記光導波管は、
    前記共通基板上に形成された第一の材料で構成された外部クラッドと、
    前記第一の材料内に形成された第二の材料で構成された内部コアと、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の光接続。
  11. 前記光導波管は、前記フォトニック検出器の部分へと突合せ結合された端子端をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光接続。
  12. 前記光導波管の前記端子端に突合せ結合された前記フォトニック検出器の前記部分は、前記共通点へと前記端子端から脱漏した光ビームを反射するように構成された第二の反射端を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光接続。
  13. 光エネルギー波を受信するように構成された半導体材料を含み、
    前記半導体材料は、複数の受信された光エネルギー波を共通点へと反射するように形成された少なくとも一つの反射端を含む、
    ことを特徴とするフォトニック検出器。
  14. 前記共通点は、前記フォトニック検出器内に位置する少なくとも一つの電極を含む、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のフォトニック検出器。
  15. 前記フォトニック検出器は、約５μｍから１５μｍの範囲内の幅を有する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のフォトニック検出器。
  16. 前記フォトニック検出器は、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、インジウムガリウム砒素、及びインジウムホスフェイトの材料のうちの少なくとも１つを含む、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のフォトニック検出器。
  17. 基板上にクラッドの材料を提供することと、
    前記クラッドの材料内に、光導波管の内部コアをパターン化することであって、
    前記内部コアは、前記内部コアによって伝送される光ビームに対応して放射状に伝播する複数のエバネッセント波を放射するように構成された曲げ部分を含む、ことと、
    フォトニック検出器を形成することであって、前記フォトニック検出器は、放射状に伝播された複数のエバネッセント波を共通点に反射するように形成された少なくとも一つの反射端を含む、ことと、
    を含む、
    ことを特徴とする光接続を形成する方法。
  18. 前記共通点に電極を形成することをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 前記内部コアをパターン化することは、約３００から５００ｎｍの範囲内の幅及び約１μｍ以下の曲率半径を有するシリコン内部コアをパターン化することを含む、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
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