JP2016500451A

JP2016500451A - 光ファイバカプラアレイ

Info

Publication number: JP2016500451A
Application number: JP2015547541A
Authority: JP
Inventors: ダブリュ．テイラージェフ; ジャーンイエン
Original assignee: ユニバーシティオブコネティカット; オペルソーラー，インコーポレイティド
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2016-01-12
Also published as: EP2932320A1; CA2891684A1; KR20150094635A; WO2014093616A4; CN105026968A; US9377587B2; EP2932320A4; US20150316723A1; WO2014093616A1

Abstract

組立体は、それぞれが導波路コアを有する光ファイバと、光ファイバに対応する面内導波路を含むフォトニック集積回路（ＩＣ）と、光ファイバを支持する溝を有するフォトニックＩＣに接合された基板と、を含む。基板及びフォトニックＩＣは、基板とフォトニックＩＣとの間に機械的接合及び電気的接続を提供するように協働する金属バンプを有することができる。基板の溝によって支持された光ファイバの部分は、光ファイバのコアから離隔した平らな表面を定義することができる。フォトニックＩＣは、（光信号のエバネッセント結合のために）対応する光ファイバの平らな表面に対してインターフェイスする第一結合セクションと、（光信号の断熱スポットサイズ変換のために）対応する面内導波路に対してインターフェイスする第二結合セクションと、を有する受動型導波路構造を含むことができる。

Description

関連出願に対する相互参照
本出願は、２０１３年１２月１３日付けで出願された米国仮特許出願第６１／７３６，７６８号の優先権を主張するものであり、この内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。

本出願は、光集積回路用の導波路入力及び出力カプラに関する。

導波路入力及び出力カプラは、常に、光集積回路設計における重要な課題であり続けている。チップ上における光ファイバと導波路との間の低結合効率を克服するべく、様々な結合方式が提案及び実証されている。光が導波路との間において結合される方向に基づいて、これらの方式は、垂直方向結合（面外）と横方向結合（面内）という２つのカテゴリのいずれかに分類される。

垂直方向結合は、通常、シングルモードファイバ（Single-Mode Fiber：ＳＭＦ）内の光学モードと導波路との間の変換を提供するべく導波路層に内蔵された回折格子によって実現される。垂直結合方式は、通常、ウエハに対してある程度の角度を有するようにファイバを位置決めすることを必要としている。複数ファイバ入出力が可能である。欠点は、この方式の回折特性が、限られた波長範囲にしか適用可能ではない干渉計測動作に依存しており、従って、大きなスペクトル帯域幅の光学結合に適さない場合があるという点にある。又、この方式は、強力な偏光依存性をも有する。

横方向結合の場合には、光は、横方向における導波路の露出断面との間において結合され、且つ、これは、常に、突合せ結合構成において報告されている。通常、ファイバと導波路との間のモード変換のために、レンズ又はスポットサイズコンバータ（Spot-Size Converter：ＳＳＣ）が必要とされる。ファイバアレイに対する導波路のマルチチャネル結合は、実証済みである。横方向結合は、弱い偏光依存性を有し、且つ、入力帯域幅の影響を受けにくいが、垂直方向及び横方向の両方においてファイバのアライメントに対する厳しい要件が課されることになる。又、ＳＳＣ設計は、限界寸法の卓越した制御を必要とし、且つ、ナノ導波路の場合には、特に短い波長において実装される際に、しばしば、レンズを有するファイバ又は特殊なファイバが必要とされ、この結果、費用が増大すると共に、集積回路の製造及びパッケージングが複雑化する。

光ファイバカプラアレイ組立体は、導波路コアをそれぞれが有する複数の光ファイバ導波路と、複数の光ファイバ導波路に対応する複数の面内導波路構造を含むフォトニック集積回路（Integrated Circuit：ＩＣ）と、フォトニックＩＣに接合された基板と、を含む。基板は、光ファイバ導波路を支持する複数の溝を含む。基板及びフォトニックＩＣは、いずれも、基板とフォトニックＩＣとの間における機械的接合及び電気的接続を提供するべく協働する金属バンプ接合部を有することができる。

基板の溝によって支持されている光ファイバ導波路の部分は、光ファイバ導波路の導波路コアから離隔した対応する複数の平らな表面を定義することが可能であり、且つ、フォトニックＩＣは、フォトニックＩＣの複数の面内導波路構造と複数の光ファイバ導波路との両方に対応する複数の受動型導波路構造を含むことができる。それぞれの受動型導波路構造は、対応する光ファイバ導波路の平らな表面に対してインターフェイスする第一結合セクションと、フォトニックＩＣの対応する面内導波路構造に対してインターフェイスする第二結合セクションと、を含むことができる。第一結合セクションは、対応する光ファイバ導波路との間における光信号のエバネッセント結合を提供するように構成することが可能であり、且つ、第二結合セクションは、第一結合セクションとフォトニックＩＣの対応する面内導波路構造との間における光信号の断熱スポットサイズ変換を提供するように構成することができる。

一実施形態において、光ファイバ導波路の導波路コアは、第一屈折率を有する材料から実現されており、且つ、フォトニックＩＣの受動型導波路構造の第一結合セクション及び第二結合セクションは、第一屈折率と整合した第二屈折率を有する材料から実現されている。

別の実施形態において、光ファイバ導波路の導波路コアは、二酸化ケイ素から実現されており、且つ、フォトニックＩＣの受動型導波路構造の第一結合セクション及び第二結合セクションも、二酸化ケイ素から実現されている。

更に別の実施形態において、それぞれの個々の受動型導波路構造の第一結合セクションは、対応する光ファイバ導波路の光学モードのサイズに対応したサイズを有する正方形の断面を有する。

更に別の実施形態において、それぞれの個々の受動型導波路構造の第二結合セクションは、第二結合セクションの長さに沿って互いに垂直方向においてオーバーラップしたいくつかの別個のレベルを定義しており、それぞれのレベルは、幅が横方向においてテーパー化された両側壁を有する。例示用の一構成において、第二結合セクションは、第二結合セクションの長さに沿って延在する下部、中間、及び上部レベルを含み、上部レベルは、第一結合セクションの高さに対応した高さと、第一結合セクションの幅に対応した幅Ｗ_Iから幅Ｗ₁まで横方向においてテーパー化された両側壁と、を有し、第二レベルは、幅Ｗ_Mから対応する面内導波路構造に隣接した幅Ｍ₂まで横方向においてテーパー化された両側壁を伴って上部レベルを超えて延在する部分を有し、第三レベルは、幅Ｗ_Mから幅Ｗ₀まで横方向においてテーパー化された両側部を伴って上部レベルを超えて延在する部分を有し、且つ、Ｗ₂＜Ｍ₁＜Ｗ_M＜Ｗ_Iであり、且つ、Ｗ₀＜Ｗ_Mである。

フォトニックＩＣは、第III−Ｖ族材料の材料系によって実現することができる。又、フォトニックＩＣは、ｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスと垂直方向においてオフセットされたｎタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスを含むエピタキシャル層構造から実現することができる。

本出願による光ファイバカプラアレイの概略分解図である。図１の光ファイバカプラアレイのウエハ部分の概略部分等角図である。フォトニック集積回路の受動型半導体導波路（ＰＧ）と図１の光ファイバカプラアレイのウエハによって支持されたシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の平らな表面との間のインターフェイスの概略断面図である。ＳＭＦ内の光信号のパワー及び図１及び図３のフォトニック集積回路の半導体導波路（ＰＧ）のエバネッセント結合ガイドセクション内の光信号のパワーをフォトニック集積回路の半導体導波路（ＰＧ）のエバネッセント結合ガイドセクションの長さに沿った伝播距離の関数として示すプロットである。図１のフォトニック集積回路の一部であるリブ導波路の例示用の構成の概略断面図である。図５Ａの例示用のリブ導波路の基本（ＴＥ）モードのプロファイルのプロットである。図１及び図３のフォトニック集積回路の受動型半導体導波路（ＰＧ）及びリブ導波路の例示用の構成の概略等角図である。図６の例示用の構成のシミュレーションの結果として得られる半導体導波路（ＰＧ）のエバネッセント結合ガイドセクションとリブ導波路との間の光信号の伝達を示すプロットである。図６の例示用の構成における半導体導波路（ＰＧ）のスポットサイズコンバータセクションとリブ導波路との間の例示用のインターフェイスの概略図である。図１の光ファイバカプラアレイの例示用の伝達効率を、ＳＭＦのほぼ平らな表面と図１及び図３のフォトニック集積回路の半導体導波路（ＰＧ）のエバネッセント結合ガイドセクションとの間の間隔Ｇの関数として示すプロットである。図６の例示用の構成におけるスポットサイズコンバータのレベルのミスアライメントを示す概略図である。図６の例示用の構成におけるスポットサイズコンバータセクション内の光信号のパワーを、スポットサイズコンバータセクションの第一及び第二レベルのミスアライメントなし、スポットサイズコンバータセクションの第一レベルにおけるミスアライメント、及びスポットサイズコンバータセクションの第二レベルにおけるミスアライメント、という３つのケースにおけるスポットサイズコンバータセクションの長さに沿った伝播距離の関数として示すプロットである。

図１は、本出願による光ファイバカプラアレイ１００を示している。カプラアレイ１００は、複数のシングルモード光ファイバ（Single-Mode Optical Fiber：ＳＭＦ）１０３を機械的に支持するウエハ１０１と、ウエハ１０１によって支持されたＳＭＦ１０３に対して動作可能に結合される能動型電気−機械コンポーネントを有するフォトニック集積回路（ＩＣ）１０５と、という２つの部分を含む。ＳＭＦ１０３は、必要に応じて、その他のネットワークコンポーネントに対する接続のために、ウエハ１０１の周囲を超えて延在することができる。フォトニックＩＣ１０５は、反転された構成（基板１０７が上部に位置している）において構成されており、オンチップの受動型半導体導波路（ＰＧ）１０９が、（基板１０７の反対側において）その上部表面１１１と一体化されている。それぞれのＰＧ１０９は、対応するＳＭＦ１０３との緊密な接触状態となるように構成されており、この場合に、ＳＭＦ１０３とＰＧ１０９との間にエバネッセント波結合を提供するべく、ファイバ断面が適切に変更されている。図３及び図６において明瞭に示されているように、それぞれのＰＧ１０９は、エバネッセント結合ガイド（Evanescent Coupling Guide：ＥＣＧ）セクション１１３と、スポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）セクション１１５と、を含む。ＥＣＧセクション１１３は、ＳＭＦ１０３に対してインターフェイスしており、且つ、エバネッセント波結合をＳＭＦ１０３に対して提供する。ＳＳＣセクション１１５は、フォトニックＩＣ１０５の上部表面１１１と一体化されているリブ導波路１１７に対してインターフェイスしており、且つ、リブ導波路１１７とエバネッセント結合ガイド（ＥＣＧ）セクション１１３との間における光信号の低損失断熱スポットサイズ変換を提供する。対応するＰＧ１０９（ＥＣＧセクション１１３及びＳＳＣセクション１１５））がその間に結合された状態で、特定のＳＭＦ１０３に対応する一つのリブ導波路１１７が存在している。個々のＰＧ１０９のＥＣＧセクション１１３及びＳＳＣセクション１１５は、対応するＳＭＦ／ＲＷペアのＳＭＦ１０３とＲＷ１１７との間における光信号の光結合及びモード変換を提供する。

この設計は、以下の利点を有する。第一に、この設計は、当然のことながら、低費用を実現するべく、複数ファイバ−導波路インターフェイスに適している。第二に、垂直方向及び横方向の両方におけるアライメントを十分に制御することができる。第三に、この設計は、標準的な技法を使用して製造することが可能であり、この結果、臨界寸法に対する厳しい要件を緩和することができる。この設計は、後述するように、プレーナー光−電子技術に基づいたフォトニック集積回路において、実行されているが、この設計は、任意の半導体導波路を利用したフォトニック集積回路に対して容易に適合させることができる。

本出願の一実施形態によれば、ウエハ１０１は、図２に示されているように、ＳＭＦ１０３を保持するように調製されている。まず、標準的な技法を使用することにより、ウエハ１０１の一表面（即ち、図２の上部表面１２１）上に、溝１１９の組（Ｖ字形状の断面を有することができる）が形成される。溝１１９は、図示のように、互いに平行に延在することができる。それぞれのＳＭＦ１０３ごとに、一つの溝１１９が存在している。ＳＭＦ１０３が、溝１１９内に配置され、且つ、屈折率整合ゲル（図２には示されていない）の注入により、その内部において機械的に固定される。ＳＭＦ１０３は、それぞれ、全内部反射と呼ばれる光学技法を使用して光をコア１２３内においてトラップするクラッディング材料によって取り囲まれたコア１２３を有する。それぞれのＳＭＦ１０３のクラッディング材料は、湿気及び物理的な損傷からクラッディング及びコアを保護する緩衝材（図示されてはいない）によって被覆することができる。溝１１９の深さは、図３に明瞭に示されているように、ＳＭＦ１０３のコア１２３が、ウエハ１０１の表面１２１の下方約１μｍに位置するように、（固定された溝のエッチング角度によるものなどの）リソグラフにより、構成される。次いで、ＳＭＦ１０３が溝１１９内において位置決めされた状態において、ＳＭＦ１０３の個々のコア１２３の上方約１μｍに位置したＳＭＦ１０３の平らな表面１２２を定義するべくウエハ１０１の表面１２１まで下方に研磨することにより、溝１１９内において支持されているＳＭＦ１０３の一部分（特に、ＳＭＦ１０３の支持されている部分の上部クラッディング材料）が除去される。又、ウエハ１０１の表面１２１は、既定数の金属バンプ１２５（例えば、八つが示されている）と、既定数のアライメントマーク１２７（例えば、四つが示されている）と、をも含む。金属バンプ１２５は、好ましくは、図示のように、ウエハ１０１の表面１２１の周囲に配設される。アライメントマーク１２７は、好ましくは、例えば、図示のように、表面１２１の四つのコーナーに隣接するなどのように、ウエハ１０１の表面１２１の周囲に配設される。ウエハ１０１の金属バンプ１２５は、図１において明瞭に示されているように、フォトニックＩＣ１０５の上部表面１１１上に配設された対応する金属バンプ１２９に接触及び接合するように、位置決めされている。アライメントマーク１２７は、対応する金属バンプが接合を目的として互いに接触するように、ウエハ１０１をフォトニックＩＣ１０５に対してアライメントさせるべく、使用される。ウエハ１０１は、シリコン又はその他の適切な基板であってよい。金属バンプ１２５は、インジウムから実現することができる。ウエハ１０１の金属バンプ１２５は、ウエハ１０１を通じて反対側の後部表面まで延在する基板貫通金属ビア（Through-Substrate metal Via：ＴＳＶ、図示されてはいない）に接続している。ウエハ１０１の後部表面は、印刷回路板（Printed Circuit Board：ＰＣＢ、図示されてはいない）に対して取り付けられる。ＴＳＶは、チップ外における電気的入出力のために、適切な表面実装パッケージング技術（ピングリッドアレイ又はボールグリッドアレイパッケージなど）により、ＰＣＢ上において金属トレースに対して電気的に結合されている。その他のＩＣをＰＣＢ上において取り付けることもできる。

フォトニックＩＣ１０５の表面１１１（図１及び図３の反転構成の下部表面として示されている）は、フォトニックＩＣ１０５のプレーン内において光信号を導波するリブ導波路（Rib Waveguide：ＲＷ）１１７を含む。それぞれのＳＭＦ１０３ごとに、一つのＲＷ１１７が存在している。ＲＷ１１７は、フォトニックＩＣ１０５の一部分として実現された受動型光装置（例えば、受動型導波路）又は能動型光電子装置（例えば、レーザー、検出器、又はカプラスイッチ）の一部分であってもよい。又、フォトニックＩＣ１０５の表面１１１は、既定数の金属バンプ１２９（例えば、八つが示されている）をも含む。金属バンプ１２９は、好ましくは、インジウムから実現される。金属バンプ１２９は、好ましくは、図示のように、フォトニックＩＣ１０５の表面１１１の周囲に配設される。金属バンプ１２９は、ウエハ１０１の対応する金属バンプ１２５に対して接触及び接合するように位置決めされている。又、フォトニックＩＣ１０５の表面１１１は、アライメントマーク（図示されてはいない）をも含み、これらは、対応する金属バンプ１２５／１２９が接合を目的として互いに接触するように、フォトニックＩＣ１０５をウエハ１０１に対してアライメントさせるべく使用される。フォトニックＩＣ１０５の金属バンプ１２９は、ビア及び／又は電気的入出力のためのその他の金属／導体相互接続方式により、フォトニックＩＣ１０５の電気光コンポーネント（又は、電気コンポーネント）に電気的に結合される。

フォトニックＩＣ１０５は、上下が逆になるように反転され（基板が上部にある）、且つ、両者の上部のアライメントマークの支援により、ウエハ１０１に対して接合される。この接合は、対応する金属バンプ１２５、１２９を使用することによって実行され、これらは、同時に、フォトニックＩＣ１０５のエッジにおいてバンプ接合部１２９に対する電気接続を実行するためにも、利用される。この結果、光接続と同時に、電気接続が実行される。更に詳しくは、フォトニックＩＣ１０５の金属バンプ１２９がウエハ１０１の対応する金属バンプ１２５に対して接合された際に、フォトニックＩＣの電気光コンポーネント（又は、電気コンポーネント）との間のＰＣＢの金属トレース上における電気的入出力を提供するべく、ＴＳＶ及びウエハ１０１の背面パッケージング技術が、フォトニックＩＣ１０５の電気光コンポーネント（又は、電気コンポーネント）に対して電気的に結合される。

フォトニックＩＣ１０５がウエハ１０１に対して接合された状態において、それぞれの個々のＰＧ１０９のＥＣＧセクション１１３の下部表面は、対応するＳＭＦ１０３の研磨された表面１２２に対してインターフェイスしており、且つ、ＳＭＦ１０３に対するエバネッセント波結合を提供する。具体的には、それぞれのＳＭＦ１０３内の光信号は、図３に明瞭に示されているように、ＳＭＦ１０３のコア１２３（ＳＭＦ１０２の研磨された表面１２２の下方に配設されている）とＰＧ１０９のＥＣＧセクション１１３（ＳＭＦ１０３のコアの上方において位置決めされている）との間におけるエバネッセント結合により、対応するＰＧ１０９のＥＣＧセクション１１３内に結合される（或いは、この逆も又同様である）。エバネッセント結合とは、エバネッセントな指数的に減衰する電磁界により、電磁波が一つの媒体から別のものに伝達されるプロセスである。このようなエバネッセント結合は、ＢＰＭ法に基づいた商用の３ＤフォトニックシミュレーションツールであるＢｅａｍＰＲＯＰにおいて検査することができる。最大パワー伝達効率を得るには、ＥＣＧセクション１１３の材料の屈折率（並びに、ＳＳＣセクション１１５の材料の屈折率）をＳＭＦ１０３のコア１２３の材料の屈折率と同一にする必要があることが明らかになっている。従って、ＳＭＦ１０３のコアがＳｉＯ₂から実現されている場合には、フォトニックＩＣ１０５の対応するＥＣＧセクション１１３及びＳＳＣセクション１１５を形成するべく、ＳｉＯ₂を使用することができる。

一実施形態において、ＥＣＧセクション１１３の断面は、図６に示されているように、正方形の形状であってもよく、エッジ長Ｗ_iは、９８０ｎｍの波長において標準的なＳＭＦとサイズにおいて匹敵するモードを得るべく、〜６μｍとなるように決定されている。図３に示されているＥＣＧセクション１１３とＳＭＦ１０３のコア１２３との間の間隔Ｇが１μｍである場合には、ＥＣＧセクション１１３の長さＬ０は、〜５５０μｍであってもよい。この構成は、図４から明らかなように、ＳＭＦ１０３とＰＧ１０９のＥＣＧセクション１１３との間のパワー伝達を極大化させることができる。又、ＥＣＧセクション１１３の長さＬ０（この例においては、〜５５０μｍ）は、ＥＣＧセクション１１３内において安定した伝播モードを確立するようにも、選択されている。ＳＭＦ１０３からＥＣＧセクション１１３に伝達される光パワーの効率は、〜０．６ｄＢの損失に対応する８７％においてピークを有する。このような損失は、ＳＭＦ１０３のインターフェイス表面１２２を提供するべく研磨によって除去されたＳＭＦ１０３の部分に起因する可能性がある。ＥＣＧセクション１１３内に結合された光学モード（或いは、この逆も又同様である）は、ＳＭＦ１０３のＭＦＤに整合したモードフィールド径（Mode Field Diameter：ＭＦＤ）を有し、これは、〜５μｍである。

図５Ａには、光信号がその内部に結合されるフォトニックＩＣ１０５のリブ導波路１１７（或いは、この逆も又同様である）の例示用の実施形態が断面において示されている。図５Ｂには、ＲＷ１１７の基本（ＴＥ）モードのプロファイルが示されており、実効屈折率は、−３．３５６である。このモードのサイズは、ＥＣＧセクション１１３内のものを下回っていることから、ＳＳＣセクション１１５は、ＥＣＧセクション１１３のＭＦＤ（例えば、〜５μｍ）とフォトニックＩＣ１０５のＲＷ１１７の相対的に小さなＭＦＤの間において断熱スポットサイズ変換を実行する必要がある。

図６には、９８０ｎｍに適したＳＳＣセクション１１５の例示用の構成が示されており、且つ、その最小長を判定するべく、ＢｅａｍＰＲＯＰを使用することにより、その特徴判定を実施した。又、これは、フォトニックＩＣ１０５の上部表面１１１上においてＳｉＯ₂を堆積及びパターニングすることにより、形成することができる。これは、光学モードの断熱変換をそれぞれが実行する（上部から下部に至るその高さにわたる）３つのレベルを有する。第一（上部）レベルは、１．９μｍの高さを有し、６μｍの初期幅Ｗｉ（ＥＣＧと同一の幅）から１μｍの幅ｗ１まで３００μｍの長さＬ１に沿って横方向においてテーパー化された両側壁を有する。第一レベルの下方において配設された第二（中間）レベルは、３μｍの高さを有する。第一レベルの下方のセクション（長さＬ１に対応している）の場合には、第二レベルは、６μｍの初期幅Ｗｉ（ＥＣＧと同一幅）から５μｍの幅Ｗｍまで横方向においてテーパー化された両側壁を有する。第二レベルは、５μｍの幅Ｗｍから１μｍの幅ｗ２まで２００μｍの長さＬ２に沿って横方向においてテーパー化された両側壁によって継続されている。幅Ｗｍは、変化することが可能であり、且つ、好ましくは、４μｍを上回っている。例示用の設計は、線形の横方向プロファイルを実現するべく、５μｍの幅Ｗｍを利用している。第一及び第二レベルの両方の下方に配設されている第三（下部）レベルは、１．１μｍの高さＨｏを有する。第一及び第二レベルの下方のセクション（長さＬ１に対応している）の場合には、第三レベルは、６μｍの初期幅Ｗｉ（ＥＣＧと同一の幅）から５μｍの幅Ｗｍまで横方向においてテーパー化された両側壁を有する。これは、５μｍの幅Ｗｍから４μｍの幅Ｗｏまで横方向においてテーパー化された両側壁により、（長さＬ２に対応する）第二セクションの下方において継続している。これらの寸法は、標準的なリソグラフ法を使用することにより、容易に実現することができる。

ＥＣＧセクション１１３からＳＳＣセクション１１５に進入する光信号の場合には、ＳＳＣセクション１１５の第一レベルの横方向のテーパーにより、ＥＣＧセクション１１３から出射する光学モードの幅が狭小化される。又、ＳＳＣセクション１１５の第一レベルにより、ＥＣＧセクション１１３から出射する光学モードの高さが狭小化され、且つ、この光学モードは、その下方に配設されているＳＳＣセクション１１５の第二レベルに結合される。ＳＳＣセクション１１５の第二レベルの横方向のテーパーにより、光学モードの幅が更に狭小化される。又、ＳＳＣセクション１１５の第二レベルにより、光学モードの高さが更に狭小化され、且つ、この光学モードは、その下方に配設されている第三レベルに結合される。ＳＳＣセクション１１５の第三レベルにより、光学モードの幅及び高さが更に狭小化され、この結果、そのサイズは、ＲＷ１１７のサイズと適合したものになる。

ＲＷ１１７からＳＳＣセクション１１５に進入する光信号の場合には、そのサイズが、ＥＣＧセクション１１３と、これに対してエバネッセント結合によって結合されたＳＭＦ１０３と、に対して適合したものになるように、光学モードの幅及び高さを拡張（拡幅）するべく、これらの動作は逆転される。

ＳＳＣセクション１１５の性能は、ＢｅａｍＰＲＯＰシミュレーションと、ＲＷ１１７のモード（図５Ｂに示されている）と図７に示されているＥＣＧセクション１１３のモード対伝播距離の間の重なり積分の結果と、により、モデル化することができる。ＳＳＣセクション１１５の効率は、図から９６％と読み取ることが可能であり、これは、わずかに０．１８ｄＢの損失に対応しており、この損失は、Ｅビームなどのサブミクロンの特徴を生成する能力を有する技法を使用する場合には、更に低減することができる。

上述のＳＳＣセクション１１５は、ＲＷ１１７の一つのセクションがエッチングによって除去された後に、フォトニックＩＣ１０５の上部表面１１１上におけるＳｉＯ₂の堆積により、形成することができる。ＳＳＣセクション１１５とＲＷ１１７の間のギャップの形成を回避するべく、図８に示されているように、余分なＳｉＯ₂がＲＷ構造１１７上に堆積されることになる。

付加的な損失がＳＳＣセクションとＲＷセクション１１７の間のインターフェイスにおいて発生する可能性がある。第一の付加的損失は、異なる実効屈折率によって生成されるＳＳＣセクション１１５とＲＷ１１７との間の反射である。このような反射は、次のように算出することができる。
-10 log (1-R)
= -10 log [1-((n₁-n₂)/(n₁+n₂))²]
= -10 log [1-((3.356-1.45)/(3.356+1.45))²]
= 0.74dB (1)
ここで、Ｒは、インターフェイスにおける反射率であり、ｎ₁及びｎ₂は、それぞれ、ＳＳＣセクション１１５及びＲＷ１１７の端部における局所的モードの実効屈折率である。第二の付加的損失は、図８に示されているＲＷ１１７に隣接するＳｉＯ₂層の隆起によって生成される回折損失であり、これは、ＢｅａｍＰＲＯＰにおけるシミュレーションにより、〜０．１５ｄＢになるものと推定することができる。上述の計算に基づいて、カプラの全体挿入損失は、次式のように得ることができる。
IL = IL_SMF-ECG + IL_SSC + IL_SSC-RW = 0.6 + 0.18 + (0.74+0.15) = 1.77dB (2)
それぞれの個々のＰＧの合計長は、〜１ｍｍである。

本明細書において記述されている光ファイバカプラアレイ１００の性能は、仮定されている完璧な条件を仮定することにより、モデル化することができる。実際には、カプラの性能を評価する際に検討を要するミスアライメントの問題が存在している。第一に、図３に示されているＳＭＦ１０３の研磨された表面１２２とＥＣＧセクション１１３との間の間隔Ｇにより、これらの間の結合係数と、従って、ＥＣＧセクション１１３の長さと、が決定される。更には、ウエハ１０１上において溝１１９を生成し、且つ、ウエハ表面までＳＭＦ１０３の一部分を下方に研磨する際に、この間隔が、設計値とは異なるものになる可能性がある。図９は、ＥＣＧの長さが５５０μｍである際のＳＭＦ１０３とＥＣＧセクション１１３との間の伝達効率対これらの間の間隔を示している。間隔が１μｍの設計値から−０．５μｍだけ逸脱した際に、伝達効率は、８６％から６６％に変化し、間隔が１．５μｍに増大された際には、伝達効率は、７６％に変化している。

第二に、標準的なリソグラフ法が使用される際には、マスクのミスアライメントが予想される。図１０Ａに示されているように、ミスアライメントの観点においては、変換効率は、第一インターフェイスにおけるオーバーラップ効率が第二インターフェイスにおけるものを上回るという事実に起因し、第一レベルのものよりも第二レベルのミスアライメントの影響を受けやすい。これは、第一及び第二レベルのマスク層の１μｍのミスアライメントが導入されている図１０ｂに示されているシミュレーションの結果によって検証されている。第一レベルのミスアライメントは、変換効率に対してほとんど影響を及ぼさないが、第二レベルのミスアライメントは、−１．１ｄＢの損失を生成している。

本明細書において記述されている光ファイバカプラアレイ１００の設計は、本質的に低廉な費用に起因して製造に適するという主要な利点を有する。

フォトニックＩＣ１０５は、レーザー伝送、光−電気変換、双方向伝送、及び光信号の光−電気変換、光増幅、光変調、光学結合及び交差接続、並びに、その他の光学処理機能などの様々な能動型フォトニック機能のうちの一つ又は複数を実行するフォトニック装置を含むことができる。又、フォトニックＩＣのフォトニック装置は、受動型の光導波などの受動型フォトニック機能を実行することもできる。

フォトニックＩＣ１０５は、好ましくは、高速相補型ＨＦＥＴトランジスタ及び／又は高速相補型バイポーラトランジスタなどの高速トランジスタ機能のモノリシックな統合を提供する第ＩＩＩ−Ｖ族材料の多層構造から実現することができる。一実施形態において、フォトニックＩＣは、米国特許第６，０３１，２４３号明細書、２０００年４月２４日付けで出願された米国特許出願第０９／５５６，２８５号明細書、２００１年３月２日付けで出願された米国特許出願第０９／７９８，３１６号明細書、２００２年３月４日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／０６８０２号パンフレット、１９９７年１０月１４日付けで出願された米国特許出願第０８／９４９，５０４号明細書、２００２年７月２３日付けで出願された米国特許出願第１０／２００，９６７号明細書、２０００年１１月１０日付けで出願された米国特許出願第０９／７１０，２１７号明細書、２００２年４月２６日付けで出願された米国特許出願第６０／３７６，２３８号明細書、２００２年１２月１９日付けで出願された米国特許出願第１０／３２３，３９０号明細書、２００２年１０月２５日付けで出願された米国特許出願第１０／２８０，８９２号明細書、２００２年１２月１９日付けで出願された米国特許出願第１０／３２３，３９０号明細書、２００２年１２月１９日付けで出願された米国特許出願第１０／３２３，５１３号明細書、２００２年１２月１９日付けで出願された米国特許出願第１０／３２３，３８９号明細書、２００２年１２月１９日付けで出願された米国特許出願第１０／３２３，３８８号明細書、２００３年１月１３日付けで出願された米国特許出願第１０／３４０，９４２号明細書に詳述されている反転量子井戸チャネル装置構造を利用した様々な装置（光電子装置、論理回路、及び／又は信号処理回路）の実現を提供するプレーナー光電子技術（Planar Optoelectronic Technology：ＰＯＥＴ）を利用しており、これらの文献の内容は、いずれも、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。これらの装置構造は、装置を共通基板上において製造するべく使用されうるエピタキシャル層構造及び関連する製造シーケンスから構築される。換言すれば、共通基板上において同時に装置のうちの一つ又は複数を実現するべく、ｎタイプ及びｐタイプ接合や臨界エッチングなどを使用することができる。エピタキシャル構造の特徴は、１）下部ｎタイプ層構造、２）上部ｐタイプ層構造、及び３）下部ｎタイプ層構造と上部ｐタイプ層構造との間に配設されたｎタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイス及びｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスを含む。それぞれ、ｎタイプ及びｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスに接触するべく、ｎタイプ及びｐタイプのイオンインプラントが使用される。ｎタイプの金属は、ｎタイプのイオンインプラント及び下部ｎタイプ層構造に対して接触する。ｐタイプの金属は、ｐタイプのイオンインプラント及び上部ｐタイプ層構造に対して接触する。エピタキシャル層構造は、第III−Ｖ族材料（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）の材料系によって実現することができる。ｎタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスは、ドーピングされていないスペーサ層によって一つ又は複数の量子井戸から離隔した高度にドーピングされたｎタイプ材料の相対的に薄い層（本明細書において、「ｎ＋電荷シート」と呼称される）を含む。ｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスは、ドーピングされていないスペーサ層によって一つ又は複数の量子井戸から離隔した高度にドーピングされたｐタイプ材料の相対的に薄い層（本明細書において、「ｐ＋電荷シート」と呼称される）を含む。ｎ＋電荷シートは、上部ｐタイプ層構造に隣接したｎタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスの一つ又は複数の量子井戸の上方において配設される。ｐ＋電荷シートは、下部ｎタイプ層構造に隣接したｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスの一つ又は複数の量子井戸の下方において配設される。一つ又は複数のスペーサ層が、ｎタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスの一つ又は複数の量子井戸とｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスの一つ又は複数の量子井戸との間に配設される。下部誘電体分散型ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）ミラーを下部ｎタイプ装置構造の下方において形成することができる。下部ＤＢＲミラーは、ＡｌＡｓ及びＧａＡｓの交互に変化する層から形成することができる。下部ＤＢＲミラーを形成するように、ＡｌＡｓ層に高温スチーム酸化を適用し、化合物Ａｌ_xＯ_yを生成する。上部ｐタイプ層構造の上方において上部誘電体ミラーを形成することができる。上部誘電体ミラーは、ＳｉＯ₂及びシリコンなどの高屈折率材料の交互に変化する層から形成することができる。下部及び上部ミラーは、光の垂直方向の閉じ込めを提供する。上部誘電体ミラーは、必要に応じて、光の横方向の閉じ込めを提供するべく、装置構造の側壁をカバーすることができる。

ＰＯＥＴを使用し、相補型ＮＨＦＥＴ及びＰＨＦＥＴユニポーラ装置並びにｎタイプ及びｐタイプＨＢＴバイポーラ装置などの様々な高性能トランジスタ装置を構築することができる。又、ＰＯＥＴは、様々な光電子装置を構築するべく使用することも可能であり、これらン装置には、以下のものが含まれる。
−サイリスタＶＣＳＥＬレーザー
−ＮＨＦＥＴレーザー
−ＰＨＦＥＴレーザー
−サイリスタ光検出器
−ＮＨＦＥＴ光検出器
−ＰＨＦＥＴ光検出器
−ｎタイプ及びｐタイプの量子井戸インターフェイスのいずれか一つ（又は、両方）に基づいた半導体光学増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）又は線形光増幅器（Linear Optical Amplifier：ＬＯＡ）
−ｎタイプ及びｐタイプの量子井戸インターフェイスのいずれか一つ（又は、両方）に基づいた吸収（強度）光変調器
−ｎタイプ及びｐタイプの量子井戸インターフェイスのいずれか一つ（又は、両方）に基づいた位相変調器
−導波路スイッチ、及び
−受動型導波路

上述の方式は、フォトニックＩＣ１０５のプレーン内において光信号を導波する面内導波路にＳＭＦを結合しているが、この方式は、マルチモード光ファイバ（Multi-Mode Fiber optic：ＭＭＦ）の場合にも、同様に、使用できることに留意されたい。ＭＭＦに対する結合の場合には、ＭＭＦ信号をＳＭＦ信号に断熱変換するフォトニックランタンなどの更なるファイバ要素が必要とされる。この更なるファイバ要素は、上述のフォトニックＩＣ１０５のＥＣＧセクション１１３に対するエバネッセント結合により、インターフェイスする。

以上、光ファイバカプラアレイのいくつかの実施形態及び対応する製造の方法について説明及び図示した。本発明の特定の実施形態について説明したが、本発明は、当技術分野が許容する範囲において広範であると共に、本明細書も、同様に理解されるべく意図されていることから、本発明がこれらの実施形態に限定されることを意図したものではない。従って、カプラ導波路のＥＣＧ及びＳＳＣセクションの特定の構成が開示されているが、カプラ導波路のＥＣＧ及びＳＳＣセクションのその他の構成も、同様に使用可能であることを理解されたい。更には、フォトニック集積回路の特定のタイプが開示されているが、その他のフォトニック回路も使用可能であることを理解されたい。又、特定のバンプ接合及びパッケージング構成が開示されているが、その他のウエハレベルの接合及びパッケージング構成も、同様に使用可能であることを認識されたい。従って、当業者は、特許請求されているその精神及び範囲を逸脱することなしに、提供された発明に対して更にその他の変更を実施しうることを理解するであろう。

Claims

組立体であって、
導波路コアをそれぞれが有する複数の光ファイバ導波路と、
前記複数の光ファイバ導波路に対応する複数の面内導波路構造を含むフォトニック集積回路と、
前記フォトニック集積回路に接合される基板であって、前記複数の光ファイバ導波路を支持する複数の溝を含む基板と、
を具備する組立体。
前記溝はＶ字形状である、請求項１に記載の組立体。
ゲルが、前記光ファイバ導波路を前記基板の前記溝内において機械的に固定している、請求項１に記載の組立体。
前記基板はシリコンウエハを具備する、請求項１に記載の組立体。
前記基板及び前記フォトニック集積回路は、いずれも、前記基板と前記フォトニック集積回路との間の接合及び電気接続の両方を提供するべく協働する複数の金属バンプ接合部を具備する、請求項１に記載の組立体。
前記基板は、前記フォトニック集積回路との関係において電気的入力及び出力を提供する、請求項５に記載の組立体。
前記基板の前記溝によって支持されている前記複数の光ファイバ導波路の部分は、前記複数の光ファイバ導波路の前記導波路コアから離隔した対応する複数の平らな表面を定義している、請求項１に記載の組立体。
前記フォトニック集積回路は、前記フォトニック集積回路の前記複数の面内導波路構造と前記複数の光ファイバ導波路との両方に対応する複数の受動型導波路構造を含み、それぞれの受動型導波路構造は、前記対応する光ファイバ導波路の前記平らな表面に対してインターフェイスする第一結合セクションと、前記フォトニック集積回路の前記対応する面内導波路構造に対してインターフェイスする第二結合セクションと、を含み、前記第一結合セクションは、光信号の前記対応する光ファイバ導波路との間のエバネッセント結合を提供するように構成され、且つ、前記第二結合セクションは、前記第一結合セクションと前記フォトニック集積回路の前記対応する面内導波路構造との間の光信号の断熱スポットサイズ変換を提供するように構成されている、請求項７に記載の組立体。
前記光ファイバ導波路内を伝播する前記光信号のモードサイズは、前記フォトニック集積回路の前記面内導波路構造内を伝播する前記光信号のモードサイズを上回る、請求項８に記載の組立体。
前記光ファイバ導波路の前記導波路コアは、第一屈折率を有する材料から実現され、且つ、
前記フォトニック集積回路の前記受動型導波路構造の前記第一結合セクション及び前記第二結合セクションは、前記第一屈折率と整合した第二屈折率を有する材料から実現される、
請求項８に記載の組立体。
前記光ファイバ導波路の前記導波路コアは、二酸化ケイ素から実現され、且つ、
前記フォトニック集積回路の前記受動型導波路構造の前記第一結合セクション及び前記第二結合セクションも、二酸化ケイ素から実現されている、
請求項８に記載の組立体。
それぞれの個々の受動型導波路構造の前記第一結合セクションは、前記対応する光ファイバ導波路の前記光学モードのサイズに対応したサイズを有する正方形の断面を有する、請求項８に記載の組立体。
それぞれの個々の受動型導波路構造の前記第二結合セクションは、前記第二結合セクションの長さに沿って垂直方向において互いにオーバーラップしたいくつかの別個のレベルを定義しており、それぞれのレベルは、横方向において幅がテーパー化された両側壁を有する、請求項８に記載の組立体。
前記第二結合セクションは、前記第二結合セクションの長さに沿って延在する下部レベル、中間レベル、及び上部レベルを含み、
前記上部レベルは、前記第一結合セクションの高さに対応した高さと、前記第一結合セクションの幅に対応した幅Ｗ_Iから幅Ｗ₁まで横方向においてテーパー化された両側壁と、を有し、
前記第二レベルは、幅Ｗ_Mから前記対応する面内導波路構造に隣接した幅Ｗ₂まで横方向においてテーパー化された両側壁を伴って前記上部レベルを超えて延在する部分を有し、且つ、
前記第三レベルは、前記幅Ｗ_Mから幅Ｗ₀まで横方向においてテーパー化された両側部を伴って前記上部レベルを超えて延在する部分を有し、
Ｗ₂＜Ｗ₁＜Ｗ_M＜Ｗ_Iであり、且つ、Ｗ₀＜Ｗ_Mである、
請求項１３に記載の組立体。
前記フォトニック集積回路は、第III−Ｖ族材料の材料系によって実現されている、請求項１に記載の組立体。
前記フォトニック集積回路は、ｐタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスから垂直方向においてオフセットされたｎタイプの変調ドーピングされた量子井戸インターフェイスを含むエピタキシャル層構造から実現されている、請求項１に記載の組立体。