JP2017513056A - グレーティングカプラ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

グレーティングカプラ及びその製造方法が提供され、ここで、グレーティングカプラは、基板層（１０）と、基板層（１０）に配設された反射層（１１）と、反射層（１１）に配設された第１の制限層（１２）と、第１の制限層（１２）に配設された導波路コア層（１３）と、導波路コア層（１３）に配設された第２の制限層（１４）とを含む。導波路コア層（１３）は、サブミクロン導波路（１３０）、テーパ導波路（１３１）、扇形状回折グレーティング（１３２）、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング（１３３）を含む。サブミクロン導波路（１３０）はテーパ導波路（１３１）の狭い端部に接続され、テーパ導波路（１３１）の広い端部は扇形状回折グレーティング（１３２）の凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティング（１３２）の凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング（１３３）の凹形表面に接続される。グレーティングカプラは、垂直結合に基づいており、容易に高密度に集積化されるとともに、低い結合損失を有する。

Description

本発明は、光通信の分野に関し、詳細には、グレーティングカプラ及びその製造方法に関する。

電子デバイスの基本材料として使用されるシリコンのフォトニック適用は、近年、研究者の注目をますます引きつけており、シリコンベースオプトエレクトロニクスと光通信技術との組合せは、グローバル情報化の発展にとって重要な技術である。この技術を使用して、元来異なる材料の基板に製造されるレーザ、変調器、検出器、及び光スイッチなどのデバイスを、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，相補型金属酸化膜半導体）プロセスと両立するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，シリコンオンインシュレータ）基板上に一緒に製造し、それによって、シリコンベースＰＩＣ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，フォトニック集積回路）チップを形成する。従来のＰＩＤ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ，フォトニック集積デバイス）デバイスと比較して、シリコンベースＰＩＣチップは、異なる材料及びプロセスの固有の特性の制限を克服し、低い電力消費、制御回路及び駆動回路プロセスとの両立性等によって特徴づけられる。

先行技術では、ファイバの光信号は、一般に、グレーティング結合によってシリコンベースＰＩＣチップの導波路に結合される。ここで、グレーティング結合とは、ファイバが、チップの上面又は底面からグレーティングカプラを通して、光を導波路中に回折することを意味する。一般的なグレーティングカプラでは、回折法則（ブラッグ式）に従う必要があることと、単方向結合効率に対するグレーティングカプラの対称性の制限とのために、ファイバは、一般に、位置合わせのために約１０度傾ける必要があり、それは、デバイスのパッケージング、位置合わせなどをより困難にし、集積化垂直キャビティ面発光レーザＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）に不都合をもたらす。それゆえに、垂直結合を実施することができるグレーティングカプラが必要とされる。先行技術には、該当する垂直結合解決法が存在するが、下記の、既存の垂直結合グレーティングカプラが高密度に集積化することが困難であるとともに高い損失と複雑な製造プロセスとを有する、という問題がある。

本発明の実施例は、グレーティングカプラ及びその製造方法を提供し、グレーティングカプラは、垂直結合に基づいており、高密度に集積化することが容易であり、低い結合損失と簡単な製造プロセスとを有する。

前述の目的を達成するために、本発明の実施例は、下記の技術的解決法を使用する。

第１の態様によれば、本発明の一実施例は、基板層と、基板層に配設された反射層と、反射層に配設された第１の制限層と、第１の制限層に配設された導波路コア層であり、ここで、導波路コア層は、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、サブミクロン導波路はテーパ導波路の狭い端部に接続され、テーパ導波路の広い端部は扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティングの凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、導波路コア層に配設された第２の制限層とを含むグレーティングカプラを提供し、ここで、
第２の制限層は、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、第１の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸は、導波路コア層が配置されている平面に対して垂直であり、扇形状回折グレーティングは、第２の制限層からの第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、第１の光信号をテーパ導波路に伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、テーパ導波路は、扇形状回折グレーティングからの第１の光信号を受け取り、第１の光信号をサブミクロン導波路に伝送するように構成されるか、又は
テーパ導波路は、サブミクロン導波路から第３の伝送軸の方向に伝送される第２の光信号を受け取り、第２の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、扇形状回折グレーティングは、テーパ導波路からの第２の光信号を受け取り、伝搬のために第４の伝送軸の方向に第２の光信号の伝搬方向を偏向させ、第２の光信号を第２の制限層に伝送するように構成され、ここで、第３の伝送軸の方向は第４の伝送軸の方向に対して垂直であり、第２の制限層は、扇形状回折グレーティングからの第２の光信号を受け取り、第２の光信号を出力するように構成される。

第１の態様を参照すると、第１の態様の第１の可能な実施方法において、導波路コア層の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間にあり、
サブミクロン導波路の幅は０．４μｍと０．６μｍとの間にあり、
テーパ導波路の長さは１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路の広い端部の幅は１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路の輪郭は直線又は放物線であり、
扇形状回折グレーティングの長さは８μｍと１５μｍとの間にあり、扇形状回折グレーティングの半径は１５μｍと３０μｍとの間にあり、扇形状回折グレーティングのエッチング深さは導波路コア層の厚さよりも小さく、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと扇形状回折グレーティングとの間の間隔は０．５μｍと１．０μｍとの間にある。

第１の態様及び第１の態様の第１の可能な実施方法を参照すると、第１の態様の第２の可能な実施方法において、反射層は平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３であり、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔は０．５μｍと１．５μｍとの間にある、

第１の態様の第１の可能な実施方法を参照すると、第１の態様の第３の可能な実施方法において、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心は、扇形状回折グレーティングの中心と重なる。

第１の態様を参照すると、第１の態様の第４の可能な実施方法において、第１の制限層及び第２の制限層の両方の材料は二酸化ケイ素である。

第１の態様を参照すると、第１の態様の第５の可能な実施方法において、基板層及び導波路コア層の材料はシリコンである。

第２の態様によれば、本発明の一実施例は、基板層と、基板層に配設された第１の制限層と、第１の制限層に配設された導波路コア層であり、ここで、導波路コア層は、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、サブミクロン導波路はテーパ導波路の狭い端部に接続され、テーパ導波路の広い端部は扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティングの凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、導波路コア層に配設された第２の制限層と、第２の制限層に配設された反射層とを含むグレーティングカプラを提供し、ここで、
第１の制限層は、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、第１の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸は、導波路コア層が配置されている平面に対して垂直であり、扇形状回折グレーティングは、第２の制限層からの第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、第１の光信号をテーパ導波路に伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、テーパ導波路は、扇形状回折グレーティングからの第１の光信号を受け取り、第１の光信号をサブミクロン導波路に伝送するように構成されるか、又は
テーパ導波路は、サブミクロン導波路から第３の伝送軸の方向に伝送される第２の光信号を受け取り、第２の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、扇形状回折グレーティングは、テーパ導波路からの第２の光信号を受け取り、伝搬のために第４の伝送軸の方向に第２の光信号の伝搬方向を偏向させ、第２の光信号を第１の制限層に伝送するように構成され、ここで、第３の伝送軸の方向は第４の伝送軸の方向に対して垂直であり、第１の制限層は、扇形状回折グレーティングからの第２の光信号を受け取り、第２の光信号を出力するように構成される。

第２の態様を参照すると、第２の態様の第１の可能な実施方法において、導波路コア層の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間にあり、
サブミクロン導波路の幅は０．４μｍと０．６μｍとの間にあり、
テーパ導波路の長さは１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路の広い端部の幅は１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路の輪郭は直線又は放物線であり、
扇形状回折グレーティングの長さは８μｍと１５μｍとの間にあり、扇形状回折グレーティングの半径は１５μｍと３０μｍとの間にあり、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと扇形状回折グレーティングとの間の間隔は０．５μｍと１．０μｍとの間にある。

第２の態様及び第２の態様の第１の可能な実施方法を参照すると、第２の態様の第２の可能な実施方法において、反射層は平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３であり、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔は０．５μｍと１．５μｍとの間にある。

第２の態様の第２の可能な実施方法を参照すると、第２の態様の第３の可能な実施方法において、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心は、扇形状回折グレーティングの中心と重なる。

第２の態様を参照すると、第２の態様の第４の可能な実施方法において、基板層は第１の開口部を含み、第１の開口部は光信号入力ユニットに接続されるか、又は
第１の開口部は光信号受信ユニットに接続される。

第２の態様の第４の可能な実施方法を参照すると、第２の態様の第５の可能な実施方法において、光信号入力ユニットは、単一モードファイバ又は垂直キャビティ面発光レーザＶＣＳＥＬである。

第３の態様によれば、本発明の一実施例は、
シリコン薄膜の複数の層をシリコン基板層に堆積させて、反射層を形成するステップと、
二酸化ケイ素を反射層に堆積させて、第１の制限層を形成するステップと、
導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップと、
二酸化ケイ素を導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行するステップと
を含むグレーティングカプラ製造方法を提供する。

第３の態様を参照すると、第３の態様の第１の可能な実施方法において、
導波路コア層を反射層上に形成するステップは、具体的には、
第１の制限層と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに高温接合を実行し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行して、第２の事前設定厚さの導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップと、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを導波路コア層に１つのエッチングプロセスを使用して形成するステップと、
扇形状回折グレーティングを導波路コア層に１つのオーバーレイプロセスを使用して形成するステップと
を含む。

第４の態様によれば、本発明の一実施例は、
二酸化ケイ素をシリコン基板層に堆積させて、第１の制限層を形成するステップと、
導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップと、
二酸化ケイ素を導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行するステップと、
シリコン薄膜の複数の層を第２の制限層に堆積させて、反射層を形成するステップと
を含むグレーティングカプラ製造方法を提供する。

第４の態様を参照すると、第４の態様の第１の可能な実施方法において、
導波路コア層を反射層上に形成するステップは、具体的には、
第１の制限層と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに高温接合を実行し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行して、第２の事前設定厚さの導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップと、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング及び扇形状回折グレーティングを導波路コア層に１つのエッチングプロセスを使用して別々に形成するステップと
を含む。

第４の態様を参照すると、第４の態様の第２の可能な実施方法において、シリコン薄膜の複数の層を第２の制限層に堆積させて、反射層を形成するステップのあとに、この方法は、シリコン基板層に第１の開口部を形成するステップをさらに含む。

本発明の実施例で提供されるグレーティングカプラ及びその製造方法によれば、グレーティングカプラは、基板層と、基板層に配設された反射層と、反射層に配設された第１の制限層と、第１の制限層に配設された導波路コア層であり、ここで、導波路コア層は、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、サブミクロン導波路はテーパ導波路の狭い端部に接続され、テーパ導波路の広い端部は扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティングの凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、導波路コア層に配設された第２の制限層とを含む。第２の制限層は、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、第１の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸は、導波路コア層が配置されている平面に対して垂直であり、扇形状回折グレーティングは、第２の制限層からの第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、第１の光信号をテーパ導波路に伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、テーパ導波路は、扇形状回折グレーティングからの第１の光信号を受け取り、第１の光信号をサブミクロン導波路に伝送するように構成される。前述の技術的解決法を使用することによって、垂直結合に加えて、扇形状回折グレーティングが使用され、その結果、従来のストリップグレーティングにおける長いテーパ接続導波路が避けられ、デバイスは、より小さくされ、高密度に集積化されやすくなり、テーパ導波路の設計が最適化され、その結果、結合損失が低減され、生産プロセスが、簡単になるとともに、低コスト及び大規模製造に適用可能になる。

本発明の実施例又は先行技術の技術的解決法をより明確に説明するために、下記は、実施例又は先行技術を説明するのに必要とされる添付図面を簡単に説明している。明らかに、下記の説明における添付図面は、本発明のいくつかの実施例を示しているにすぎず、当業者は、創作的な努力なしにこれらの添付図面から他の図面をさらに導き出すことができる。

本発明の実施例１によるグレーティングカプラの側面図の概略構造図である。 本発明の実施例１によるグレーティングカプラの導波路コア層の上面図の概略構造図である。 本発明の実施例１によるグレーティングカプラの波長と結合効率との間の関係の概略図１である。 本発明の実施例１によるグレーティングカプラの波長と結合効率との間の関係の概略図２である。 本発明の実施例２によるグレーティングカプラの側面図の概略構造図である。 本発明の実施例３によるグレーティングカプラ製造方法の概略流れ図である。 本発明の実施例３による製造時のグレーティングカプラの概略構造図１である。 本発明の実施例３による製造時のグレーティングカプラの概略構造図２である。 本発明の実施例３による製造時のグレーティングカプラの概略構造図３である。 本発明の実施例３による製造時のグレーティングカプラの概略構造図４である。 本発明の実施例３による製造時のグレーティングカプラの概略構造図５である。 本発明の実施例４によるグレーティングカプラ製造方法の概略流れ図である。 本発明の実施例４による製造時のグレーティングカプラの概略構造図１である。 本発明の実施例４による製造時のグレーティングカプラの概略構造図２である。 本発明の実施例４による製造時のグレーティングカプラの概略構造図３である。 本発明の実施例４による製造時のグレーティングカプラの概略構造図４である。 本発明の実施例４による製造時のグレーティングカプラの概略構造図５である。 本発明の実施例４による製造時のグレーティングカプラの概略構造図６である。

下記は、本発明の実施例の添付図面を参照して本発明の実施例の技術的解決法を明確かつ十分に説明している。明らかに、説明される実施例は、本発明の実施例のすべてではなく一部にすぎない。本発明の実施例に基づいて創作的な努力なしに当業者によって得られるすべての他の実施例は、本発明の保護範囲内にあるものとする。

本発明における「の上に」又は「の下方に」は、添付図面を参照しながら本発明を説明するために単に使用されており、限定的な用語として使用されていないことに留意されたい。

本発明の一実施例はグレーティングカプラを提供する。図１に示されるように、装置は、基板層１０、反射層１１、第１の制限層１２、導波路コア層１３、及び第２の制限層１４を含む。

図１に示されるように、反射層１１は基板層１０に配設され、第１の制限層１２は反射層１１に配設され、導波路コア層１３は第１の制限層１２に配設され、第２の制限層１４は導波路コア層１３に配設される。

具体的には、図２に示されるように、導波路コア層１３は、サブミクロン導波路１３０、テーパ導波路１３１、扇形状回折グレーティング１３２、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３を含み、ここで、サブミクロン導波路１３０はテーパ導波路１３１の狭い端部に接続され、テーパ導波路１３１の広い端部は扇形状回折グレーティング１３２の凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティング１３２の凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３の凹形表面に接続される。

第２の制限層１４は、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、第１の光信号を扇形状回折グレーティング１３２に伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸は、導波路コア層１３が配置されている平面に対して垂直であり、扇形状回折グレーティング１３２は、第２の制限層１４からの第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、第１の光信号をテーパ導波路１３１に伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、テーパ導波路１３１は、扇形状回折グレーティング１３２からの第１の光信号を受け取り、第１の光信号をサブミクロン導波路１３０に伝送するように構成される。

代替として、テーパ導波路１３１は、サブミクロン導波路１３０から第３の伝送軸の方向に伝送される第２の光信号を受け取り、第２の光信号を扇形状回折グレーティング１３２に伝送するように構成され、扇形状回折グレーティング１３２は、テーパ導波路１３１からの第２の光信号を受け取り、伝搬のために第４の伝送軸の方向に第２の光信号の伝搬方向を偏向させ、第２の光信号を第２の制限層１４に伝送するように構成され、ここで、第３の伝送軸の方向は第４の伝送軸の方向に対して垂直であり、第２の制限層１４は、扇形状回折グレーティング１３２からの第２の光信号を受け取り、第２の光信号を出力するように構成される。

この実施例の光信号伝送はファイバから導波路コア層への伝送又は導波路コア層からファイバへの伝送とすることができることに留意されたい。第１の光信号は、単一モードファイバによって、又はＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ，垂直キャビティ面発光レーザ）によって、又は別の光信号出力装置によって出力されることができ、これは、本発明のこの実施例において特に限定されない。

具体的には、図１及び図２に示されるように、単一モードファイバが光信号をサブミクロン導波路に伝送する一例が、説明のために使用される。単一モードファイバは、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を出力し、ここで、単一モードファイバの軸は、導波路コア層１３が配置されている平面に対して垂直であり、その結果、単一モードファイバによって出力された第１の光信号は、導波路コア層１３中に垂直に入力され、すなわち、第１の伝送軸の方向は、導波路コア層１３が配置されている平面に対して垂直な方向である。単一モードファイバによって出力された第１の光信号は、第２の制限層を通して導波路コア層１３の扇形状回折グレーティング１３２に伝送され、扇形状回折グレーティング１３２は、第１の光信号に対する垂直結合を実行し、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号を偏向させ、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、すなわち、第２の伝送軸の方向は、導波路コア層１３が配置されている平面と平行な方向である。扇形状回折グレーティング１３２は、第２の伝送軸の方向の第１の光信号をテーパ導波路１３１に送信し、第１の光信号は、テーパ導波路１３１を通してサブミクロン導波路１３０に伝送される。

光信号が導波路コア層で伝送されるプロセスにおいて、一部の光信号は、第１の制限層１２、第２の制限層１４、反射層１１、又は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３に伝送され得ることを当業者は理解するであろう。それゆえに、反射層１１は、第１の制限層１２及び反射層１１に伝送される光信号を導波路コア層１３に反射するように構成され、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３は、扇形状回折グレーティング１３２の凸形表面の外側に伝送される光信号を扇形状回折グレーティング１３２に反射するように構成される。

第１の制限層５１及び第２の制限層５３の材料は、二酸化ケイ素又はポリマーとすることができ、基板層５０の材料は、シリコン又はＩＩＩ−Ｖ族混合半導体とすることができる。

さらに、導波路コア層１３の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間にあり、
サブミクロン導波路１３０の幅は０．４μｍと０．６μｍとの間にあり、
テーパ導波路１３１の長さは１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路１３１の広い端部の幅は１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路１３１の輪郭は直線又は放物線であり、
扇形状回折グレーティング１３２の長さは８μｍと１５μｍとの間にあり、扇形状回折グレーティング１３２の半径は１５μｍと３０μｍとの間にあり、扇形状回折グレーティング１３２のエッチング深さは導波路コア層１３の厚さよりも小さく、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３と扇形状回折グレーティング１３２との間の間隔は０．５μｍと１．０μｍとの間にある。

具体的には、導波路コア層１３は、基板としてシリコンを使用しているＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）コア層であり、導波路コア層１３の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間にある。図２は、導波路コア層１３の一部の概略構造図である。サブミクロン導波路１３０の幅は、図２の中で文字ａを使用して表されており、ａの値は０．４μｍと０．６μｍとの間に及ぶ。テーパ導波路１３１の長さは、図２の中で文字ｂを使用して表されており、ｂの値は１０μｍと２０μｍとの間に及び、テーパ導波路１３１の広い端部の幅は、図２の中で文字ｃを使用して表されており、ｃの値は１０μｍと２０μｍとの間に及び、テーパ導波路１３１の輪郭は光信号のエネルギー損失を減少させるために直線又は放物線である。扇形状回折グレーティング１３２の長さは、図２の中で文字ｄを使用して表されており、ｄの値は８μｍと１５μｍとの間に及び、扇形状回折グレーティング１３２の半径は１５μｍと３０μｍとの間にあり、図１に示されるように、扇形状回折グレーティング１３２のエッチング深さは導波路コア層１３の厚さよりも小さい。

グレーティングの周期は、屈折率変化点から隣接する屈折率変化点までの長さである。図２において、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３の周期は、明るい円弧と暗い円弧との合計である。図２は、導波路コア層１３の一部の概略構造図であり、図２において、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３の周期の総量は４であり、この実施例のグレーティングカプラにおける円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３の周期の総量は少なくとも６であることが好ましく、又は別の値とすることができ、それはこの実施例では限定されない。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３と扇形状回折グレーティング１３２との間の間隔は、図２の中で文字ｅを使用して表されており、ｅの値は０．５μｍと１．０μｍとの間に及ぶ。

さらに、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３の中心は、扇形状回折グレーティング１３２の中心と重なる。

さらに、反射層１１は平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３であり、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔は０．５μｍと１．５μｍとの間にある。

具体的には、図１に示されるように、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期は、明るい縞と暗い縞との合計であり、この実施例のグレーティングカプラにおける平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３であり、図１では、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は３である。平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔は０．５μｍと１．５μｍとの間にあり、第１の制限層は、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間に配設され、それゆえに、第１の制限層の厚さの値は０．５μｍと１．５μｍとの間に及ぶ。

図１において、反射層１１における「明るい縞」は、平行分布ブラッグ反射グレーティングの低い屈折率部分を表し、「暗い縞」は、平行分布ブラッグ反射グレーティングの高い屈折率部分を表し、ここで、平行分布ブラッグ反射グレーティングの低い屈折率部分の材料は、二酸化ケイ素とすることができ、平行分布ブラッグ反射グレーティングの高い屈折率部分の材料は、シリコンとすることができる。

この実施例のグレーティングカプラはシリコン及び二酸化ケイ素材料に基づくオプトエレクトロニックデバイスであることに留意されたい。第１の制限層、第２の制限層、及び平行分布ブラッグ反射グレーティングの低い屈折率部分の材料は、二酸化ケイ素又はポリマーとすることができ、導波路コア層、基板層、及び平行分布ブラッグ反射グレーティングの高い屈折率部分の材料は、シリコン又はＩＩＩ−Ｖ族混合半導体とすることができ、それは本発明のこの実施例では限定されないことを当業者は理解するであろう。

例示的に、光信号が単一モードファイバからサブミクロン導波路に結合される一例が、グレーティングカプラの要素の値を説明するために使用される。図３及び図４は、３Ｄ ＦＤＴＤシミュレーション技術を使用して設計されている、通信のＣバンド（波長範囲は１５３０〜１５６５ｎｍである）におけるグレーティングカプラの結合効率の分布の図である。グレーティングカプラは、ＴＥモードの光信号の入力結合機能を実現し、結合スペクトル線は、平行分布ブラッグ反射グレーティングに対して垂直な方向における平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の異なる距離を設計することによって調整されることができ、すなわち、結合スペクトル線は、第１の制限層の厚さを変えることによって調整されることができ、それによって、異なる帯域幅及び最大結合効率を得る。

シミュレーションにおけるグレーティングカプラの要素の具体的なパラメータは、下記の通りである。サブミクロン導波路の幅が０．５μｍである場合、導波路コア層の厚さは０．２２μｍであり、テーパ導波路の広い端部の幅は１５μｍであり、テーパ導波路の輪郭は光信号のエネルギー損失を減少させるために直線又は放物線である。扇形状回折グレーティングの長さは８．７μｍであり、グレーティングの周期は０．５７μｍであり、デューティサイクルは０．７４であり、半径は２５μｍであり、エッチング深さは０．０７μｍである。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心は、扇形状回折グレーティングの中心と重なり、すなわち、２つは同心である。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面が、扇形状回折グレーティングの凸形表面に接続され、グレーティングのエッチング深さは０．２２μｍであり、周期は０．３μｍであり、デューティサイクルは０．３７であり、周期の総量は６であり、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと扇形状回折グレーティングとの間の間隔は０．７μｍである。平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期は０．３８μｍであり、各周期のシリコン薄膜層の厚さは０．１１μｍであり、周期の総量は３である。平行分布ブラッグ反射グレーティングとシリコン導波路コア層との間の間隔が０．７μｍであるとき、図３に示されるように、１５４３ｎｍの波長での得られた最大結合効率は８２％であり、３ｄＢ帯域幅は２０ｎｍであり、平行分布ブラッグ反射グレーティングとシリコン導波路コア層との間の間隔が１．３５μｍであるとき、図４に示されるように、１５４３ｎｍの波長での得られた最大結合効率は６０％であり、３ｄＢ帯域幅は４０ｎｍである。それゆえに、結合スペクトル線は、平行分布ブラッグ反射グレーティングと製造されたグレーティングカプラの導波路コア層との間の異なる距離を使用して調整されることができ、すなわち、結合スペクトル線は、第１の制限層の異なる製造厚さを使用して調整されることができ、それによって、異なる帯域幅及び最大結合効率を得る。

本発明のこの実施例で提供されるグレーティングカプラは、基板層と、基板層に配設された反射層と、反射層に配設された第１の制限層と、第１の制限層に配設された導波路コア層であり、ここで、導波路コア層は、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、サブミクロン導波路はテーパ導波路の狭い端部に接続され、テーパ導波路の広い端部は扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティングの凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、導波路コア層に配設された第２の制限層とを含む。前述の技術的解決法を使用することによって、垂直結合に加えて、扇形状回折グレーティングが使用され、その結果、従来のストリップグレーティングにおける長いテーパ接続導波路が避けられ、デバイスは、より小さくされ、高密度に集積化されやすくなり、テーパ導波路の設計が最適化され、その結果、結合損失が低減され、生産プロセスが、簡単になるとともに、低コスト及び大規模製造に適用可能になる。

本発明の一実施例は、グレーティングカプラを提供する。図５に示されるように、装置は、基板層５０、第１の制限層５１、導波路コア層５２、第２の制限層５３、及び反射層５４を含む。

図５に示されるように、第１の制限層５１は基板層５０に配設され、導波路コア層５２は第１の制限層５１に配設され、第２の制限層５３は導波路コア層５２に配設され、反射層５４は第２の制限層５３に配設される。

具体的には、この実施例のグレーティングカプラの導波路コア層の上面図は、実施例１の導波路コア層の上面図と同じである。添付図面の繰り返しを避けるために、この実施例の導波路コア層については図２を参照することができる。導波路コア層５２は、サブミクロン導波路１３０、テーパ導波路１３１、扇形状回折グレーティング１３２、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３を含み、ここで、サブミクロン導波路１３０はテーパ導波路１３１の狭い端部に接続され、テーパ導波路１３１の広い端部は扇形状回折グレーティング１３２の凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティング１３２の凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング１３３の凹形表面に接続される。

第１の制限層は、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、第１の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸は、導波路コア層が配置されている平面に対して垂直であり、扇形状回折グレーティングは、第２の制限層からの第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、第１の光信号をテーパ導波路に伝送するように構成され、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、テーパ導波路は、扇形状回折グレーティングからの第１の光信号を受け取り、第１の光信号をサブミクロン導波路に伝送するように構成される。

代替として、テーパ導波路は、サブミクロン導波路から第３の伝送軸の方向に伝送される第２の光信号を受け取り、第２の光信号を扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、扇形状回折グレーティングは、テーパ導波路からの第２の光信号を受け取り、伝搬のために第４の伝送軸の方向に第２の光信号の伝搬方向を偏向させ、第２の光信号を第１の制限層に伝送するように構成され、ここで、第３の伝送軸の方向は第４の伝送軸の方向に対して垂直であり、第１の制限層は、扇形状回折グレーティングからの第２の光信号を受け取り、第２の光信号を出力するように構成される。

図５に示されるように、この実施例の光信号は基板層の底面からシリコン導波路に伝送され、光信号伝送はファイバから導波路コア層への伝送又は導波路コア層からファイバへの伝送とすることができることに留意されたい。第１の光信号は、単一モードファイバによって、又はＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ，垂直キャビティ面発光レーザ）によって、又は別の光信号出力装置によって出力されることができ、これは、本発明のこの実施例において特に限定されない。

具体的には、図５及び図２に示されるように、単一モードファイバが光信号をサブミクロン導波路に伝送する一例が、説明のために使用される。単一モードファイバは、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を出力し、ここで、単一モードファイバの軸は、導波路コア層５２が配置されている平面に対して垂直であり、その結果、単一モードファイバによって出力された第１の光信号は、導波路コア層５２中に垂直に入力され、すなわち、第１の伝送軸の方向は、導波路コア層５２が配置されている平面に対して垂直な方向である。単一モードファイバによって出力された第１の光信号は、第１の制限層を通して導波路コア層５２の扇形状回折グレーティング１３２に伝送され、扇形状回折グレーティング１３２は、第１の光信号に対する垂直結合を実行し、伝搬のために第２の伝送軸の方向に第１の光信号を偏向させ、ここで、第１の伝送軸の方向は第２の伝送軸の方向に対して垂直であり、すなわち、第２の伝送軸の方向は、導波路コア層５２が配置されている平面と平行な方向である。扇形状回折グレーティング１３２は、第２の伝送軸の方向の第１の光信号をテーパ導波路１３１に送信し、第１の光信号は、テーパ導波路１３１を通してサブミクロン導波路１３０に伝送される。

さらに、導波路コア層の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間にあり、
サブミクロン導波路の幅は０．４μｍと０．６μｍとの間にあり、
テーパ導波路の長さは１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路の広い端部の幅は１０μｍと２０μｍとの間にあり、テーパ導波路の輪郭は直線又は放物線であり、
扇形状回折グレーティングの長さは８μｍと１５μｍとの間にあり、扇形状回折グレーティングの半径は１５μｍと３０μｍとの間にあり、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと扇形状回折グレーティングとの間の間隔は０．５μｍと１．０μｍとの間にある。

具体的には、図２に示されているように、導波路コア層の要素の長さ又は幅の範囲の説明については、実施例１の説明を参照されたい。詳細はこの実施例では再度説明されない。

さらに、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心は、扇形状回折グレーティングの中心と重なる。

さらに、反射層は平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３であり、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔は０．５μｍと１．５μｍとの間にある。

具体的には、図５に示されるように、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期は、明るい縞と暗い縞との合計であり、この実施例のグレーティングカプラにおける平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３であり、図５では、平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は３である。平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔は０．５μｍと１．５μｍとの間にあり、第２の制限層は、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間に配設され、それゆえに、第２の制限層の厚さの値は０．５μｍと１．５μｍとの間に及ぶ。

図５において、反射層５４における「明るい縞」は、平行分布ブラッグ反射グレーティングの低い屈折率部分を表し、「暗い縞」は、平行分布ブラッグ反射グレーティングの高い屈折率部分を表し、ここで、平行分布ブラッグ反射グレーティングの低い屈折率部分の材料は、二酸化ケイ素とすることができ、平行分布ブラッグ反射グレーティングの高い屈折率部分の材料は、シリコンとすることができる。

さらに、基板層は第１の開口部を含み、第１の開口部は光信号入力ユニットに接続されるか、又は第１の開口部は光信号受信ユニットに接続される。

具体的には、図５に示されるように、第１の開口部は、基板層５０の底面に配設され、第１の開口部は、光信号入力ユニットに接続されるか、又は光信号受信ユニットに接続され、すなわち、第１の開口部は、光信号入力ユニット又は光信号受信ユニットを保持するように構成され、光信号入力ユニット又は光信号受信ユニットは、この実施例では、基板層を通してグレーティングカプラに光信号を入力するか、又は基板層を通してグレーティングカプラから光信号を受け取るように構成される。

この実施例のグレーティングカプラは、シリコン及び二酸化ケイ素材料に基づくオプトエレクトロニックデバイスであることに留意されたい。第１の制限層、第２の制限層、及び平行分布ブラッグ反射グレーティングの低い屈折率部分の材料は、二酸化ケイ素又はポリマーとすることができることを当業者は理解するであろう。導波路コア層、基板層、及び平行分布ブラッグ反射グレーティングの高い屈折率部分の材料は、シリコン又はＩＩＩ−Ｖ族混合半導体とすることができ、それは本発明では限定されない。

本発明のこの実施例で提供されるグレーティングカプラは、基板層と、基板層に配設された第１の制限層と、第１の制限層に配設された導波路コア層であり、ここで、導波路コア層は、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、サブミクロン導波路はテーパ導波路の狭い端部に接続され、テーパ導波路の広い端部は扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、扇形状回折グレーティングの凸形表面は円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、導波路コア層に配設された第２の制限層と、第２の制限層に配設された反射層とを含む。前述の技術的解決法を使用することによって、垂直結合に加えて、扇形状回折グレーティングが使用され、その結果、従来のストリップグレーティングにおける長いテーパ接続導波路が避けられ、デバイスは、より小さくされ、高密度に集積化されやすくなり、テーパ導波路の設計が最適化され、その結果、結合損失が低減され、生産プロセスが、簡単になるとともに、低コスト及び大規模製造に適用可能になる。

本発明の一実施例は、グレーティングカプラ製造方法を提供し、図６に示すように、下記のステップを含む。

Ｓ１０１．シリコン薄膜の複数の層をシリコン基板層に堆積させて、反射層を形成する。

具体的には、図７に示されるように、シリコンチップが基板層７０として選択され、シリコン薄膜の複数の層が、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，プラズマ化学気相堆積）技術を使用してシリコン基板層７０に堆積されて、反射層７１を形成する。

反射層７１は、具体的には、平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、この実施例の平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３である。平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量が３である場合、交互に隔置されたシリコン／二酸化ケイ素薄膜の３つの層が、ＰＥＣＶＤ技術を使用してシリコン基板層７０に堆積されて、平行分布ブラッグ反射グレーティングを形成する。

Ｓ１０２．二酸化ケイ素を反射層に堆積させて、第１の制限層を形成する。

具体的には、図８に示されるように、二酸化ケイ素が、ＰＥＣＶＤ技術を使用して反射層７１に堆積されて、第１の制限層７２を形成し、ここで、第１の制限層７２の厚さは０．５μｍと１．５μｍとの間に及ぶ。

Ｓ１０３．導波路コア層を第１の制限層上に形成する。

具体的には、図９に示されるように、高温接合が、第１の制限層７２と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに実行されるとともに、裏面腐食及び化学機械研磨が実行され、それによって、第２の事前設定厚さの導波路コア層７３を第１の制限層７２上に形成する。さらに、図１０に示されるように、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング７３０が、１つのエッチングプロセスを使用して導波路コア層７３に形成され、扇形状回折グレーティング７３１が、１つのオーバーレイプロセスを使用して導波路コア層に形成される。

導波路コア層７３の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間に及び、扇形状回折グレーティング７３１の長さは８μｍと１５μｍとの間に及び、扇形状回折グレーティング７３１のエッチング深さは導波路コア層７３の厚さよりも小さい。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング７３０と扇形状回折グレーティング７３１との間の間隔は０．５μｍと１．０μｍとの間にある。

Ｓ１０４．二酸化ケイ素を導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行する。

具体的には、図１１に示されるように、二酸化ケイ素が、ＰＥＣＶＤ技術を使用して導波路コア層７３に堆積されて、第２の制限層７４を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨が実行される。

この実施例では、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，プラズマ化学気相堆積）技術が使用されることができるか、又は別の半導体プロセス技術が使用されることができ、それはこの実施例では限定されないことに留意されたい。この実施例の図７から図１１は、製造時のグレーティングカプラの概略構造図であり、図７から図１１はすべてグレーティングカプラの一部の概略構造図である。

本発明のこの実施例で提供されるグレーティングカプラ製造方法は、シリコン薄膜の複数の層をシリコン基板層に堆積させて、反射層を形成することと、二酸化ケイ素を反射層に堆積させて、第１の制限層を形成することと、導波路コア層を第１の制限層上に形成することと、二酸化ケイ素を導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行することとを含む。前述の生産プロセスは、簡単であり、低コスト及び大規模製造に適用可能である。垂直結合を実施することに加えて、前述の生産プロセスを使用して生産されたグレーティングカプラは、扇形状回折グレーティングの構造を使用し、その結果、デバイスは、より小さくされ、高密度に集積化されやすくなり、テーパ導波路の設計が最適化され、その結果、結合損失が低減される。

本発明の一実施例は、グレーティングカプラ製造方法を提供し、図１２に示すように、下記のステップを含む。

Ｓ２０１．二酸化ケイ素をシリコン基板層に堆積させて、第１の制限層を形成する。

具体的には、図１３に示されるように、シリコンチップが基板層８０として選択され、二酸化ケイ素が、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，プラズマ化学気相堆積）技術を使用してシリコン基板層８０に堆積されて、第１の制限層８１を形成する。

Ｓ２０２．導波路コア層を第１の制限層上に形成する。

具体的には、図１４に示されるように、高温接合が、第１の制限層８１と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに実行されるとともに、裏面腐食及び化学機械研磨が実行され、それによって、第２の事前設定厚さの導波路コア層８２を第１の制限層上に形成する。図１５に示されるように、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング８２０及び扇形状回折グレーティング８２１が、１つのエッチングプロセスを使用して導波路コア層８２に別々に形成される。

導波路コア層８２の厚さは０．２μｍと０．４μｍとの間に及び、扇形状回折グレーティング８２１の長さは８μｍと１５μｍとの間に及ぶ。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング８２０と扇形状回折グレーティング８２１との間の間隔は０．５μｍと１．０μｍとの間にある。

Ｓ２０３．二酸化ケイ素を導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行する。

具体的には、図１６に示されるように、二酸化ケイ素が、ＰＥＣＶＤ技術を使用して導波路コア層８２に堆積されて、第２の制限層８３を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨が実行され、ここで、第２の制限層８３の厚さは０．５μｍと１．５μｍとの間に及ぶ。

Ｓ２０４．シリコン薄膜の複数の層を第２の制限層に堆積させて、反射層を形成する。

具体的には、図１７に示されるように、シリコン薄膜の複数の層が、ＰＥＣＶＤ技術を使用して第２の制限層８３に堆積されて、反射層８４を形成する。反射層８４は、具体的には、平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、この実施例の平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量は少なくとも３である。平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量が３である場合、交互に隔置されたシリコン／二酸化ケイ素薄膜の３つの層が、ＰＥＣＶＤ技術を使用して第２の制限層８３に堆積されて、平行分布ブラッグ反射グレーティングを形成する。

さらに、図１８に示されるように、シリコン薄膜の複数の層を第２の制限層に堆積させて反射層を形成したあとに、この方法は、シリコン基板層８０に第１の開口部８５を形成することをさらに含み、ここで、第１の開口部８５は、光信号入力ユニット又は光信号受信ユニットを保持するように構成される。この実施例で製造されるグレーティングカプラは、基板層を通してグレーティングカプラに光信号を入力するように構成される。

この実施例では、ＰＥＣＶＤ技術が使用されることができるか、又は別の半導体プロセス技術が使用されることができ、それはこの実施例では限定されないことに留意されたい。この実施例の図１３から図１８は、製造時のグレーティングカプラの概略構造図であり、図１３から図１８はすべてグレーティングカプラの一部の概略構造図である。

本発明のこの実施例で提供されるグレーティングカプラ製造方法は、二酸化ケイ素をシリコン基板層に堆積させて、第１の制限層を形成することと、導波路コア層を第１の制限層上に形成することと、二酸化ケイ素を導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行することと、シリコン薄膜の複数の層を第２の制限層に堆積させて、反射層を形成することとを含む。前述の生産プロセスは、簡単であり、低コスト及び大規模製造に適用可能である。垂直結合を実施することに加えて、前述の生産プロセスを使用して生産されたグレーティングカプラは、扇形状回折グレーティングの構造を使用し、その結果、デバイスは、より小さくされ、高密度に集積化されやすくなり、テーパ導波路の設計が最適化され、その結果、結合損失が低減される。

実施例３及び実施例４のグレーティングカプラのグレーティングカプラ製造方法において、グレーティングカプラは、シリコン及び二酸化ケイ素材料に基づいて製造されることに留意されたい。グレーティングカプラの様々な部分は他の材料を使用して製造されてもよいことを当業者は理解するであろう。例えば、第１の制限層及び第２の制限層はポリマーを使用して製造されてもよく、導波路コア層及び基板層はＩＩＩ−Ｖ族混合半導体を使用して製造されてもよい。別の代替材料を使用して実施例のグレーティングカプラ製造方法に従って製造されたグレーティングカプラは、やはり、本発明の保護範囲内にある。

本出願で提供されるいくつかの実施例において、開示されたシステム、装置、及び方法は、他の方法で実現されてもよいことを理解されたい。例えば、説明された装置実施例は単なる例示である。例えば、モジュール又はユニット分割は単に論理的機能分割であり、実際の実装では他の分割としてもよい。例えば、複数のユニット又は構成要素は、別のシステムに組み合わされてもよく又は統合されてもよく、又はいくつかの特徴は無視されてもよく又は実行されなくてもよい。加えて、表示された又は論じられた相互結合又は直接結合又は通信接続は、いくつかのインタフェースを使用して実装されてもよい。装置間又はユニット間の間接結合又は通信接続は、電子、機械、又は他の形態で実装されてもよい。

別個の部分として説明されたユニットは、物理的に別個であってもそうでなくてもよく、ユニットとして表示された部分は、物理的なユニットであってもそうでなくでもよく、１つの位置に配置されてもよく、又は複数のネットワークユニットに分散されてもよい。ユニットの一部又はすべては、実施例の解決法の目的を達成するための実際の必要性に応じて選択され得る。

加えて、本発明の実施例の機能ユニットは、１つの処理ユニットに統合されてもよく、又はユニットの各々は、物理的に単独で存在してもよく、又は２つ以上のユニットが、１つのユニットに統合される。統合されたユニットは、ハードウェアの形態で実装されてもよく、又はソフトウェア機能ユニットの形態で実装されてもよい。

前述の説明は、本発明の単なる特定の実施方法であるが、本発明の保護範囲を限定することを意図していない。本発明で開示された技術的な範囲内で当業者によって容易に考え出される任意の変形又は置換は、本発明の保護範囲内にあるものとする。それゆえに、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲の保護範囲に従うものとする。

第３の態様を参照すると、第３の態様の第１の可能な実施方法において、
導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップは、具体的には、
第１の制限層と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに高温接合を実行し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行して、第２の事前設定厚さの導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップと、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを導波路コア層に１つのエッチングプロセスを使用して形成するステップと、
扇形状回折グレーティングを導波路コア層に１つのオーバーレイプロセスを使用して形成するステップと
を含む。

第４の態様を参照すると、第４の態様の第１の可能な実施方法において、
導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップは、具体的には、
第１の制限層と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに高温接合を実行し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行して、第２の事前設定厚さの導波路コア層を第１の制限層上に形成するステップと、
円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング及び扇形状回折グレーティングを導波路コア層に１つのエッチングプロセスを使用して別々に形成するステップと
を含む。

第１の制限層１２及び第２の制限層１４の材料は、二酸化ケイ素又はポリマーとすることができ、基板層１０の材料は、シリコン又はＩＩＩ−Ｖ族混合半導体とすることができる。

シミュレーションにおけるグレーティングカプラの要素の具体的なパラメータは、下記の通りである。サブミクロン導波路の幅が０．５μｍである場合、導波路コア層の厚さは０．２２μｍであり、テーパ導波路の広い端部の幅は１５μｍであり、テーパ導波路の輪郭は光信号のエネルギー損失を減少させるために直線又は放物線である。扇形状回折グレーティングの長さは８．７μｍであり、グレーティングの周期は０．５７μｍであり、デューティサイクルは０．７４であり、半径は２５μｍであり、エッチング深さは０．０７μｍである。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心は、扇形状回折グレーティングの中心と重なり、すなわち、２つは同心である。円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面が、扇形状回折グレーティングの凸形表面に接続され、グレーティングのエッチング深さは０．２２μｍであり、周期は０．３μｍであり、デューティサイクルは０．３７であり、周期の総量は６であり、円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと扇形状回折グレーティングとの間の間隔は０．７μｍである。平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期は０．３８μｍであり、各周期のシリコン薄膜層の厚さは０．１１μｍであり、周期の総量は３である。平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔が０．７μｍであるとき、図３に示されるように、１５４３ｎｍの波長での得られた最大結合効率は８２％であり、３ｄＢ帯域幅は２０ｎｍであり、平行分布ブラッグ反射グレーティングと導波路コア層との間の間隔が１．３５μｍであるとき、図４に示されるように、１５４３ｎｍの波長での得られた最大結合効率は６０％であり、３ｄＢ帯域幅は４０ｎｍである。それゆえに、結合スペクトル線は、平行分布ブラッグ反射グレーティングと製造されたグレーティングカプラの導波路コア層との間の異なる距離を使用して調整されることができ、すなわち、結合スペクトル線は、第１の制限層の異なる製造厚さを使用して調整されることができ、それによって、異なる帯域幅及び最大結合効率を得る。

Claims (17)

1. 基板層と、前記基板層に配設された反射層と、前記反射層に配設された第１の制限層と、前記第１の制限層に配設された導波路コア層であり、前記導波路コア層が、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、前記サブミクロン導波路が前記テーパ導波路の狭い端部に接続され、前記テーパ導波路の広い端部が前記扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、前記扇形状回折グレーティングの凸形表面が前記円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、前記導波路コア層に配設された第２の制限層とを含むグレーティングカプラであって、
   前記第２の制限層が、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、前記第１の光信号を前記扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、前記第１の伝送軸は、前記導波路コア層が配置されている平面に対して垂直であり、前記扇形状回折グレーティングが、前記第２の制限層からの前記第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に前記第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、前記第１の光信号を前記テーパ導波路に伝送するように構成され、前記第１の伝送軸の前記方向が前記第２の伝送軸の前記方向に対して垂直であり、前記テーパ導波路が、前記扇形状回折グレーティングからの前記第１の光信号を受け取り、前記第１の光信号を前記サブミクロン導波路に伝送するように構成されるか、又は
   前記テーパ導波路が、前記サブミクロン導波路から第３の伝送軸の方向に伝送される第２の光信号を受け取り、前記第２の光信号を前記扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、前記扇形状回折グレーティングが、前記テーパ導波路からの前記第２の光信号を受け取り、伝搬のために第４の伝送軸の方向に前記第２の光信号の伝搬方向を偏向させ、前記第２の光信号を前記第２の制限層に伝送するように構成され、前記第３の伝送軸の前記方向が前記第４の伝送軸の前記方向に対して垂直であり、前記第２の制限層が、前記扇形状回折グレーティングからの前記第２の光信号を受け取り、前記第２の光信号を出力するように構成される、グレーティングカプラ。
2. 前記導波路コア層の厚さが０．２μｍと０．４μｍとの間にあり、
   前記サブミクロン導波路の幅が０．４μｍと０．６μｍとの間にあり、
   前記テーパ導波路の長さが１０μｍと２０μｍとの間にあり、前記テーパ導波路の前記広い端部の幅が１０μｍと２０μｍとの間にあり、前記テーパ導波路の輪郭が直線又は放物線であり、
   前記扇形状回折グレーティングの長さが８μｍと１５μｍとの間にあり、前記扇形状回折グレーティングの半径が１５μｍと３０μｍとの間にあり、前記扇形状回折グレーティングのエッチング深さが前記導波路コア層の前記厚さよりも小さく、
   前記円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと前記扇形状回折グレーティングとの間の間隔が０．５μｍと１．０μｍとの間にある、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
3. 前記反射層が、平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、前記平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量が少なくとも３であり、前記平行分布ブラッグ反射グレーティングと前記導波路コア層との間の間隔が０．５μｍと１．５μｍとの間にある、請求項１又は請求項２に記載のグレーティングカプラ。
4. 前記円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心が、前記扇形状回折グレーティングの中心と重なる、請求項２に記載のグレーティングカプラ。
5. 前記第１の制限層及び前記第２の制限層の両方の材料が二酸化ケイ素である、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
6. 前記基板層及び前記導波路コア層の材料がシリコンである、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
7. 基板層と、前記基板層に配設された第１の制限層と、前記第１の制限層に配設された導波路コア層であり、前記導波路コア層が、サブミクロン導波路、テーパ導波路、扇形状回折グレーティング、及び円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを含み、前記サブミクロン導波路が前記テーパ導波路の狭い端部に接続され、前記テーパ導波路の広い端部が前記扇形状回折グレーティングの凹形表面に接続され、前記扇形状回折グレーティングの凸形表面が前記円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの凹形表面に接続される、導波路コア層と、前記導波路コア層に配設された第２の制限層と前記第２の制限層に配設された反射層とを含むグレーティングカプラであって、
   前記第１の制限層が、第１の伝送軸の方向に伝送される第１の光信号を受け取り、前記第１の光信号を前記扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、前記第１の伝送軸は、前記導波路コア層が配置されている平面に対して垂直であり、前記扇形状回折グレーティングが、前記第２の制限層からの前記第１の光信号を受け取り、伝搬のために第２の伝送軸の方向に前記第１の光信号の伝搬方向を偏向させ、前記第１の光信号を前記テーパ導波路に伝送するように構成され、前記第１の伝送軸の前記方向が前記第２の伝送軸の前記方向に対して垂直であり、前記テーパ導波路が、前記扇形状回折グレーティングからの前記第１の光信号を受け取り、前記第１の光信号を前記サブミクロン導波路に伝送するように構成されるか、又は
   前記テーパ導波路が、前記サブミクロン導波路から第３の伝送軸の方向に伝送される第２の光信号を受け取り、前記第２の光信号を前記扇形状回折グレーティングに伝送するように構成され、前記扇形状回折グレーティングが、前記テーパ導波路からの前記第２の光信号を受け取り、伝搬のために第４の伝送軸の方向に前記第２の光信号の伝搬方向を偏向させ、前記第２の光信号を前記第１の制限層に伝送するように構成され、前記第３の伝送軸の前記方向が前記第４の伝送軸の前記方向に対して垂直であり、前記第１の制限層が、前記扇形状回折グレーティングからの前記第２の光信号を受け取り、前記第２の光信号を出力するように構成される、グレーティングカプラ。
8. 前記導波路コア層の厚さが０．２μｍと０．４μｍとの間にあり、
   前記サブミクロン導波路の幅が０．４μｍと０．６μｍとの間にあり、
   前記テーパ導波路の長さが１０μｍと２０μｍとの間にあり、前記テーパ導波路の前記広い端部の幅が１０μｍと２０μｍとの間にあり、前記テーパ導波路の輪郭が直線又は放物線であり、
   前記扇形状回折グレーティングの長さが８μｍと１５μｍとの間にあり、前記扇形状回折グレーティングの半径が１５μｍと３０μｍとの間にあり、
   前記円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングと前記扇形状回折グレーティングとの間の間隔が０．５μｍと１．０μｍとの間にある、請求項７に記載のグレーティングカプラ。
9. 前記反射層が、平行分布ブラッグ反射グレーティングであり、前記平行分布ブラッグ反射グレーティングの周期の総量が少なくとも３であり、前記平行分布ブラッグ反射グレーティングと前記導波路コア層との間の間隔が０．５μｍと１．５μｍとの間にある、請求項７又は請求項８に記載のグレーティングカプラ。
10. 前記円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングの中心が、前記扇形状回折グレーティングの中心と重なる、請求項８に記載のグレーティングカプラ。
11. 前記基板層が第１の開口部を含み、前記第１の開口部が光信号入力ユニットに接続されるか、又は
    前記第１の開口部が光信号受信ユニットに接続される、請求項７に記載のグレーティングカプラ。
12. 前記光信号入力ユニットが、単一モードファイバ又は垂直キャビティ面発光レーザＶＣＳＥＬである、請求項１１に記載のグレーティングカプラ。
13. シリコン薄膜の複数の層をシリコン基板層に堆積させて、反射層を形成するステップと、
    二酸化ケイ素を前記反射層に堆積させて、第１の制限層を形成するステップと、
    導波路コア層を前記第１の制限層上に形成するステップと、
    二酸化ケイ素を前記導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行するステップと
    を含むグレーティングカプラ製造方法。
14. 導波路コア層を前記反射層上に形成する前記ステップが、具体的には、
    前記第１の制限層と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに高温接合を実行し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行して、第２の事前設定厚さの前記導波路コア層を前記第１の制限層上に形成するステップと、
    円弧形状分布ブラッグ反射グレーティングを前記導波路コア層に１つのエッチングプロセスを使用して形成するステップと、
    扇形状回折グレーティングを前記導波路コア層に１つのオーバーレイプロセスを使用して形成するステップと
    を含む、請求項１３に記載のグレーティングカプラ製造方法。
15. 二酸化ケイ素をシリコン基板層に堆積させて、第１の制限層を形成するステップと、
    導波路コア層を前記第１の制限層上に形成するステップと、
    二酸化ケイ素を前記導波路コア層に堆積させて、第２の制限層を形成し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行するステップと、
    シリコン薄膜の複数の層を前記第２の制限層に堆積させて、反射層を形成するステップと
    を含むグレーティングカプラ製造方法。
16. 導波路コア層を前記反射層上に形成する前記ステップが、具体的には、
    前記第１の制限層と、第１の事前設定厚さの酸化物層で表面が覆われているシリコンチップとに高温接合を実行し、裏面腐食及び化学機械研磨を実行して、第２の事前設定厚さの前記導波路コア層を前記第１の制限層上に形成するステップと、
    円弧形状分布ブラッグ反射グレーティング及び扇形状回折グレーティングを前記導波路コア層に１つのエッチングプロセスを使用して別々に形成するステップと
    を含む、請求項１５に記載のグレーティングカプラ製造方法。
17. シリコン薄膜の複数の層を前記第２の制限層に堆積させて、反射層を形成する前記ステップのあとに、当該方法が、前記シリコン基板層に第１の開口部を形成するステップをさらに含む、請求項１５に記載のグレーティングカプラ製造方法。

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