JP2017515158A - 低損失モード変換器に関する逆テーパー型導波路 - Google Patents
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Abstract
本発明の装置は、基板であって、基板の上部に配置された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料を含む基板と、第１のアディアバティックテーパー部を含み、二酸化シリコン材料に閉じ込められたシリコン導波路と、基板の上部に配置され、第１のアディアバティックテーパー部に隣接する低屈折率導波路と、を含む。本発明のモード変換器製造方法は、基板と、基板上に配置され、側壁及び第１のアディアバティックテーパー部を含むシリコン導波路と、シリコン導波路上に配置され、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を含み、側壁を覆わないハードマスクと、を含むモード変換器を得る段階と、シリコン導波路及びハードマスクを酸化する段階であって、二酸化シリコン層内にシリコン導波路を閉じ込める、シリコン導波路及びハードマスクを酸化する段階と、を含む。
Description
モード変換器は、光学モードを第１のモードの大きさと第２のモードの大きさとの間で変換するように構成されたフォトニックデバイスである。
モードの大きさは、ある特定の方向における光学導波路内のモード、例えば横断方向におけるエネルギー分布の寸法を指す。モードの形状は、２つの異なる方向、例えば、水平方向及び垂直方向におけるモードの大きさの相対的な寸法を指す。シリコン導波路のモードの大きさが小さい（例えば、１マイクロメートル以下）ので、モード変換器が光をシリコン系フォトニックデバイス内に、及び／またはシリコン系フォトニックデバイスから外部に結合することは困難である。既存の方法は、シリコン導波路内の光学モードを、大きな寸法（例えば、約１マイクロメートル（μｍ）から約１５μｍのモード直径）、低屈折率（例えば、約１から約３．４の屈折率）の導波路に、モードの大きさを増加させるためのシリコン逆テーパー構造を使用して伝達する。他の方法は、モードを低屈折率クラッドに拡張することによってモードの大きさを増大させるために逆テーパー構造を用いる。しかし、これらの方法は、小さな先端部を有するシリコン導波路を必要とする。標準的な２００ミリメートル（ｍｍ）製造プロセスにおいて１００ナノメートル（ｎｍ）未満の先端部を形成することは、リソグラフィの限界から困難である。小さな先端部を有するシリコン導波路を製造するための現在の方法は、垂直テーパー化及びナイフエッジテーパー化を用いることを含む。しかし、これらのシリコン導波路は、複雑かつ制御不可能なプロセスという困難がある。
１つの実施形態において、本開示は、基板であって、前記基板の上部に配置された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料を含む基板と、第１のアディアバティックテーパー部を含み、前記二酸化シリコン材料に閉じ込められたシリコン導波路と、前記基板の上部に配置され、前記第１のアディアバティックテーパー部に隣接する低屈折率層と、を含む、装置を含む。
他の実施形態において、本開示は、基板と、前記基板上に配置され、側壁及び第１のアディアバティックテーパー部を含むシリコン導波路と、前記シリコン導波路上に配置され、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を含み、前記側壁を覆わないハードマスクと、を含むモード変換器を得る段階と、前記導波路及び前記ハードマスクを酸化する段階であって、前記二酸化シリコン層内に前記シリコン導波路を閉じ込める、前記導波路及び前記ハードマスクを酸化する段階と、を含む、モード変換器製造方法を含む。
さらに他の実施形態において、本開示は、第１のアディアバティックテーパー部及び側壁を含むシリコン導波路を基板上に形成する段階であって、ハードマスクが前記シリコン導波路上に配置され、前記側壁を覆わず、前記ハードマスクが二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料を含む、シリコン導波路を形成する段階と、前記基板上に第２の導波路を形成する段階であって、前記第２の導波路が前記第２の導波路を閉じ込める第２のハードマスクを含む、第２の導波路を形成する段階と、前記シリコン導波路及び前記第２の導波路を、前記シリコン導波路が二酸化シリコン材料内に閉じ込められるまで酸化する段階と、を含む、モード変換器製造方法を含む。
これら及びその他の特徴は、添付した図面及び特許請求の範囲と合わせて以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
この開示をより完全に理解するために、添付の図面及び詳細な説明に関連して以下の簡単な説明を参照し、類似の参照符号は類似の部分を表す。
最初に、１つ以上の実施形態の例示的な実装が以下に示されているが、開示されたシステム及び／または方法は、現在知られているか存在しているかに関わらず、任意の数の技術を使用して実装されうることを理解すべきである。本開示は、本明細書に例示され、説明された例示的な設計及び実装を含む、以下に示される例示的な実装、図面及び技術に限定されるものではなく、それらの均等物の全範囲とともに添付の特許請求の範囲内で変更されうる。
熱酸化プロセスを使用して小さな先端部を含むシリコン逆テーパー型導波路を作成するための様々な実施形態が本明細書に開示される。これらのシリコン逆テーパー型導波路は、結合損失を低減しながら、小型モードと大型モードとの間で変換するために使用することができる。１つの実施形態において、シリコン逆テーパー型導波路の上部表面はハードマスクによって保護され、一方、シリコン逆テーパー型導波路の側壁は、例えば熱酸化などの酸化にさらされる。シリコン逆テーパー型導波路の酸化は、先端部を汚染や機械的損傷から実質的に防ぐ、シリコン逆テーパー型導波路の保護層を提供する。さらに、酸化プロセスは、シリコン逆テーパー型導波路の表面粗さを改善し、伝搬損失をさらに低減しうる。設計及び実装の困難さのために、これまでは酸化はシリコン導波路のために使用されていなかった。例えば、シリコン導波路の酸化は、製造プロセスに統合することが困難である。さらに、他の導波路や構成要素の特徴の大きさを縮小することなく、シリコン導波路の先端部のような小さな特徴部を製造することは困難である。
図１は、熱酸化前のモード変換器１００の１つの実施形態の上面図である。モード変換器１００は、シリコン導波路１０４に沿って光１７０を伝達し、シリコン導波路１０４と他の導波路（図示されない）との間で光１７０の光学モードを伝達するように構成される。モード結合器１００は、第１の方向１８０の光学モードを伝達して光学モードをより大きな光学モードに変換するように構成される。光学モードをより大きな光学モードに変換することは、導波路からファイバーに光学モードを変換するなどの用途に使用されうる。モード結合器１００はまた、第２の方向１８２の光１７０の光学モードを伝達して光学モードをより小さな光学モードに変換するようにも構成される。光学モードのより小さな光学モードへの変換は、光学モードをファイバーからチップへ変換するなどの用途に使用されうる。モード変換器１００は、図示されるように構成され、本開示を読んで当業者が了解するように、他の任意の適切な構成にされうる。
断面グラフ１５４は、第１の切断線ＡＡ’１５０に沿ったモード変換器１００の断面を示し、断面グラフ１６０は第２の切断線ＢＢ’１５２に沿ったモード変換器１００の断面を示す。断面グラフ１５４では、軸１５６は厚さをμｍで示し、軸１５８は幅をμｍで示している。第１の切断線ＡＡ’１５０において、シリコン導波路１０４は約０．５μｍの幅及び約０．２μｍの厚さを有し、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）１０６は約０．５μｍの幅及び約０．０１μｍの厚さを有し、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）１０８は約０．５μｍの幅及び約０．１μｍの厚さを有する。断面グラフ１６０において、軸１６２は厚さをμｍで示し、軸１６４は幅をμｍで示す。図示されるように、シリコン導波路１０４の幅は以下でさらに説明するように切断線ＡＡ’から切断線ＢＢ’まで減少する。第２の切断線ＢＢ’１５２において、シリコン導波路１０４は、約０．２μｍの幅及び約０．２μｍの厚さを有し、二酸化シリコン１０６は約０．２μｍの幅及び約０．０１μｍの厚さを有し、窒化シリコン１０８は約０．２μｍの幅及び約０．１μｍの厚さを有する。
モード変換器１００は、基板１０２の表面１０２Ａ上に配置されたシリコン導波路１０４を含む。基板１０２はシリコン上の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）、酸化シリコン、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び酸化物を含むがこれらに限定されない材料から形成されうる。厚さは紙面に出入りする軸１９４に関して表されている。
シリコン導波路１０４は、第１の切断線ＡＡ’１５０が第２の切断線ＢＢ’１５２よりも幅が広くなるように、第１の切断線ＡＡ’１５０から第２の切断線ＢＢ’１５２までアディアバティックにテーパー状に形成される。アディアバティックテーパー部は、滑らかな光学モード伝達を可能にするために徐々にテーパー伝達するものである。幅は軸１９２に関して表され、長さは軸１９０に関して表される。第１の切断線ＡＡ’１５０は、任意の適切な幅でありうる。例えば、第１の切断線ＡＡ’１５０におけるシリコン導波路１０４の幅は、約３００ｎｍから約５００ｎｍでありうる。「約」との用語の使用は、そうでないと明言されるのでない限り、それに続く数値の±１０％を意味する。第２の切断線ＢＢ’１５２は、第１の切断線ＡＡ’１５０よりも小さな幅を有する。１つの実施形態において、第２の切断線ＢＢ’１５２は、製造プロセスが許容する限り細い。例えば、第２の切断線ＢＢ’１５２は、約１３０ｎｍまたは約１８０ｎｍであってよい。代替的に、第２の切断線ＢＢ’１５２は、任意の適切な幅であってよい。シリコン導波路１０４は、図示されるように構成され、またはその他任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有しうる。
シリコン導波路１０４は、二酸化シリコン１０６の上部に窒化シリコン１０８を含むハードマスクによって覆われる。二酸化シリコン１０６はシリコン導波路１０４の上面１０４Ａ上に配置される。二酸化シリコン１０６は、シリコン導波路１０４の上面１０４Ａを少なくとも部分的に覆うように構成される。１つの実施形態において、二酸化シリコン１０６は、シリコン導波路１０４の上面１０４Ａ全体を覆う。シリコン導波路１０４の側壁１０４Ｂの少なくとも一部は、二酸化シリコン１０６によって覆われない。
窒化シリコン１０８は、二酸化シリコン１０６の上面１０６Ａ上に配置される。窒化シリコン１０８は、二酸化シリコン１０６の上面１０６Ａを少なくとも部分的に覆うように構成される。１つの実施形態において、窒化シリコン１０８は、二酸化シリコン１０６の上面１０６Ａの全体を覆う。窒化シリコン１０８に使用される物質の例は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、３窒化物及びその他の窒化物を含むがそれに限定されない。
図２は、熱酸化後のモード変換器２００の実施形態の上面図を示す。例えば、熱酸化はセ氏約１１５０度（℃）で４０分間の乾式熱酸化プロセスを含みうる。１つの実施形態において、酸化は少なくとも２分間で、少なくとも約８００℃の温度で生じうる。代替的に、酸化は本開示を読めば当業者によって理解されるように、任意の適切な技術、温度及び時間を用いて行われうる。モード変換器２００は、シリコン導波路２０４に沿って光２７０を伝達し、光２７０の光学モードをシリコン導波路２０４と他の導波路（図示されない）との間で伝達するように構成される。モード結合器２００は、第１の方向２８０の光学モードを伝達して、光学モードをより大きな光学モードに変換するように構成される。モード結合器２００はまた、第２の方向２８２の光２７０の光学モードを伝達して、光学モードをより小さな光学モードに変換するように構成される。モード変換器２００は、本開示を読めば当業者によって理解されるように、図示されるように構成され、または他の任意の適切な構成とされうる。
断面グラフ２５４は第１の切断線ＡＡ’２５０におけるモード変換器２００の断面を示し、断面グラフ２６０は第２の切断線ＢＢ’２５２におけるモード変換器２００の断面を示す。第１の断面グラフ２５４において、軸２５６は厚さをμｍで示し、軸２５８は幅をμｍで示す。第１の切断線ＡＡ’２５０において、シリコン導波路２０４は約０．４μｍの幅及び約０．１８μｍの厚さを有し、二酸化シリコン２０６は約０．６μｍの幅及び約０．２５μｍの厚さを有し、窒化シリコン２０８は約０．５５μｍの幅及び約０．１３μｍの厚さを有する。断面グラフ２６０において、軸２６２は厚さをμｍで示し、軸２６４は幅をμｍで示す。断面グラフ２５４において、軸２５６は厚さをμｍで示し、軸２５８は幅をμｍで示す。第２の切断線ＢＢ’２５２において、シリコン導波路２０４は約０．０５μｍの幅及び約０．１５μｍの厚さを有する。
モード変換器２００は、熱酸化前の図１におけるモード変換器に類似して構成されうる。モード変換器２００は、基板２０２の表面２０２Ａ上に配置されたシリコン導波路２０４を含む。基板２０２は、図１の基板１０２に類似して構成される。厚さは、紙面に出入りする軸２９４に関して表される。
シリコン導波路２０４は、図１のシリコン導波路１０４に類似して構成される。シリコン導波路２０４は第１の切断線ＡＡ’２５０から第２の切断線ＢＢ’２５２まで、第１の切断線ＡＡ’２５０が第２の切断線ＢＢ’２５２よりも幅が広くなるように、アディアバティックなテーパー部とされる。幅は軸２９２に関して表され、長さは軸２９０に関して表される。第１の切断線ＡＡ’２５０は任意の適切な幅でありうる。第２の切断線ＢＢ’２５２は、第１の切断線ＡＡ’２５０よりも小さな幅を有する。１つの実施形態において、第２の切断線ＢＢ’２５２は、製造プロセスが許容する限り細い。代替的に、第２の切断線ＢＢ’２５２は、任意の適切な幅でありうる。熱酸化後、シリコン導波路２０４の高さ及び／または幅は、図１のシリコン導波路１０４と比較して減少しうる。例えば、熱酸化プロセスは、シリコン導波路２０４の先端の幅を約１８０ｎｍから約６０ｎｍまで、または約５０％から約５５％減少させうる。シリコン導波路２０４は、図示されるように構成され、または他の任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有しうる。
シリコン導波路２０４は、二酸化シリコン２０６の上部に窒化シリコン２０８を含むハードマスクによって覆われる。二酸化シリコン２０６は、図１の二酸化シリコン１０６に類似して構成される。熱酸化後、二酸化シリコン２０６はシリコン導波路２０４の上面２０４Ａ、側壁２０４Ｂ、及び底面２０４Ｃを覆う。二酸化シリコン２０６は実質的にシリコン導波路２０４を二酸化シリコン２０６の内部に閉じ込める。シリコン導波路２０４の底面２０４を覆う二酸化シリコン２０６の一部は、基板２０２と一体化される。
窒化シリコン２０８は、図１の窒化シリコン１０８と同様に構成される。窒化シリコン２０８は、二酸化シリコン２０６の上面２０６Ａ上に配置される。１つの実施形態において、窒化シリコン２０８は実行される追加的な製造プロセスが可能となるように二酸化シリコン２０６から除去可能である。熱酸化後にシリコン導波路に対してさらなるプロセスが実施されうる。例えば、窒化シリコン２０８は除去される可能性があり、シリコン導波路２０４の全体が酸化物で覆われる。
図３は、シリコン導波路３０２と低屈折率導波路３０４との間のモード結合を使用するように構成されたモード変換器３００の実施形態の概略図である。モード変換器３００は、シリコン導波路３０２に沿って光３７０を伝達し、シリコン導波路３０２と低屈折率導波路３０４との間で光３７０の光学モードを伝達するように構成される。光３７０は矢印線で示されるが、明示されていない伝搬方向も含みうる。モード結合器３００は、第１の方向３８０の光学モードを伝達して、光学モードをより大きな光学モードに変換するように構成される。モード結合器３００はまた、第２の方向３８２の光３７０の光学モードを伝達して、光学モードをより小さな光学モードに変換するように構成される。モード変換器３００は、図示されるように構成され、または本開示を読んで当業者が理解するように他の任意の適切な構成でありうる。
シリコン導波路３０２は図１のシリコン導波路１０４及び図２のシリコン導波路２０４と同様に構成される。シリコン導波路３０２は第１の位置３０６から第２の位置３０８まで、第１の位置３０６が第２の位置３０８よりも幅広くなるように、アディアバティックテーパー部とされる。幅は軸３９２で表され、長さは軸３９０で表される。第１の位置３０６は任意の適切な幅であってよい。第２の位置３０８は、第１の位置３０６よりも幅が小さい。１つの実施形態において、第２の位置３０８は製造プロセスが許容する限り狭い。代替的に、第２の位置３０８は任意の適切な幅であってよい。シリコン導波路３０２は、図示されるように構成され、または他の任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有してもよい。
低屈折率導波路３０４は、基板（例えば図１の基板１０２）の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）直下のシリコン基板を除去することによって形成された懸架型酸化物導波路であってよい。低屈折率導波路３０４を形成するために使用される材料の例は、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、シリコンリッチ酸化物（ＳｉＯｘ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）またはその他の適切なポリマーを含むがこれらに限定されない。１つの実施形態において、低屈折率の導波路３０４はクラッド、例えば酸化シリコンクラッドである。低屈折率導波路３０４は、約１μｍから約１５μｍの幅及び／または厚さを有しうる。低屈折率導波路３０４は低屈折率導波路であり、シリコン導波路３０２よりも低い屈折率を有する。低屈折率導波路３０４は約１．４から約３．０の範囲の屈折率を有しうる。１つの実施形態において、少なくともシリコン導波路３０２の一部３１０が、低屈折率導波路３０４内に配置される。例えば、シリコン導波路３０２のアディアバティックテーパー部３１２は低屈折率導波路３０４に隣接する。低屈折率導波路３０４はシリコン導波路３０２を部分的にまたは完全に覆いうる。シリコン導波路３０２と低屈折率導波路３０４との間を伝達する光３７０からの光学モードの量は、所定の位置、例えばシリコン導波路３０２の第１の位置３０６または第２の位置３０８におけるシリコン導波路３０２の断面積と低屈折率導波路３０４の断面積との比に比例する。
図４は、アディアバティックテーパー部との間を結合するモードを使用するように構成されたモード変換器４００の実施形態の概略図である。モード変換器４００はシリコン導波路４０２に沿って光４７０を伝達し、シリコン導波路４０２と低屈折率導波路４０４との間で光４７０の光学モードを伝達するように構成される。光４７０は矢印線で表されるが、明示されていない伝達の方向も含みうる。モード結合器４００は第１の方向４８０の光学モードを伝達し、光学モードを光４７０のより大きな光学モードに変換するように構成される。モード結合器４００はまた、第２の方向４８２の光４７０の光学モードを伝達し、光学モードをより小さな光学モードに変換するように構成される。モード変換器４００は、図示されるように構成され、または本開示を読んで当業者が理解するように他の任意の適切な構成でありうる。
モード変換器４００は、シリコン導波路４０２のアディアバティックテーパー部４１０の少なくとも一部及び低屈折率導波路４０４のアディアバティックテーパー部４１６の少なくとも一部が互いに隣接するように構成される。シリコン導波路４０２と低屈折率導波路４０４との間のギャップ４１８は実質的に一定である。ギャップ４１８の幅は約５０ｎｍから約１μｍの間で変化しうる。ギャップ４１８は空気、クラッドまたは第２の低屈折率材料で満たされうる。代替的な実施形態において、シリコン導波路４０２及び低屈折率導波路４０４は互いに直接接触し、シリコン導波路４０２と低屈折率導波路４０４との間にはギャップは存在しない。モード変換器４００は、図示されるように構成され、または本開示を読んで当業者が理解するように、他の任意の適切な構成でありうる。
シリコン導波路４０２は、図１のシリコン導波路１０４及び図２のシリコン導波路２０４と同様に構成される。シリコン導波路４０２は第１の位置４０６から第２の位置４０８まで、シリコン導波路４０２が第１の位置４０６の方が第２の位置４０８よりも幅が広くなるようにアディアバティックテーパー部とされる。幅は軸４９２について表され、長さは軸４９０について表される。第１の位置４０６において、シリコン導波路４０２は任意の適切な幅であってよい。第２の位置４０８において、シリコン導波路４０２は第１の位置４０６よりも小さな幅を有する。１つの実施形態において、シリコン導波路４０２は第２の位置４０８において製造プロセスが許容する限り細い。代替的に、シリコン導波路４０２は第２の位置４０８において任意の適切な幅でありうる。シリコン導波路４０２は図示されるように構成され、または他の任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有しうる。
低屈折率導波路４０４は、図３の低屈折率導波路３０４と同様に構成されうる。低屈折率導波路４０４は、第１の位置４０６から第２の位置４０８まで、低屈折率導波路４０４が第２の位置４０８の方が第１の位置４０６よりも幅が広くなるようにアディアバティックテーパー部とされる。第１の位置４０６において、低屈折率導波路４０４は、第２の位置４０８よりも小さい幅を有する。１つの実施形態において、低屈折率導波路４０４は、第１の位置４０６において製造プロセスが許容する限り細い。代替的に、低屈折率導波路４０４は、第１の位置４０６において任意の適切な幅でありうる。第２の位置４０８において、低屈折率導波路４０４は、任意の適切な幅でありうる。低屈折率導波路４０４は、図示されるように構成され、または他の任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有しうる。
図５は、シリコン導波路５０２と第２の導波路５０６との間を結合するモードを用いるように構成されたモード変換器５００の実施形態の概略図である。モード変換器５００は、シリコン導波路５０２に沿って光５７０を伝達し、シリコン導波路５０２と第２の導波路５０６との間で光５７０の光学モードを伝達するように構成される。光５７０は矢印線によって表されるが、明示されていない伝搬方向も含まれうる。モード結合器５００は、第１の方向５８０における光学モードを伝達し、光学モードをより大きな光学モードに変換するように構成される。モード結合器５００はまた、第２の方向５８２における光５７０の光学モードを伝達し、光学モードをより小さな光学モードへ変換するように構成される。モード変換器５００は、図示されるように構成され、または本開示を読んで当業者が理解できるように他の任意の適切な構成にされうる。
モード変換器５００は、シリコン導波路５０２のアディアバティックテーパー部５１２の少なくとも一部及び第２の導波路５０６のアディアバティックテーパー部５１４の少なくとも一部が互いに隣接し、基板５０４上で互いに重なり合うように構成される。例えば、シリコン導波路５０２は、第２の導波路５０６の上または下に（図５に示されるように）配置されうる。基板５０４は、図１の基板１０２と同様に構成されうる。１つの実施形態において、シリコン導波路５０２及び第２の導波路５０６はギャップ５１６で互いに離隔される。ギャップ５１６は二酸化シリコンで満たされうる。ギャップ５１６は、当業者が理解するように任意の適切な距離でありうる。代替的に、シリコン導波路５０２は第２の導波路５０６と直接接触しうる。モード変換器５００は図示されるように構成され、または本開示を読んで当業者が理解するように他の任意の適切な構成でありうる。
シリコン導波路５０２は、図１のシリコン導波路１０４及び図２のシリコン導波路２０４と同様に構成される。シリコン導波路５０２は第１の位置５０８から第２の位置５１０までシリコン導波路５０２が第１の位置５０８の方が第２の位置５１０よりも幅が広くなるようにアディアバティックテーパー部とされる。幅は軸５９２で表され、長さは軸５９０で表される。第１の位置５０８において、シリコン導波路５０２は任意の適切な幅でありうる。第２の位置５１０において、シリコン導波路５０２は第１の位置５０８よりも小さな幅を有する。１つの実施形態において、シリコン導波路５０２は第２の位置５１０において製造プロセスが許容する限り細い。代替的に、シリコン導波路５０２は第２の位置５１０において任意の適切な幅を有しうる。シリコン導波路５０２は図示されるように構成され、または他の任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有しうる。
第２の導波路５０６に使用される材料の例は、酸化シリコン、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）及び酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）を含むがこれらに限定されない。第２の導波路５０６は、第１の位置５０８から第２の位置５１０まで、第２の導波路５０６が第２の位置５１０において第１の位置５０８よりも幅が広くなりようにアディアバティックテーパー部とされる。第１の位置５０８において、第２の導波路５０６は、第２の位置５１０より小さな幅を有する。１つの実施形態において、第２の導波路５０６は第１の位置５０８において製造プロセスが許容する限り細い。代替的に、第２の導波路５０６は、第１の位置５０８において任意の適切な幅を有しうる。第２の位置５１０において、第２の導波路５０６は任意の適切な幅を有しうる。第２の導波路５０６は、図示されるように構成され、または他の任意の適切な配向、テーパー形状、長さ、幅及び／または厚さを有しうる。
図６は、モード変換器製造プロセス６００の実施形態の概略図である。モード変換器製造プロセス６００は、シリコン導波路テーパーを最初に集積するプロセスを用いてモード変換器のためのシリコン導波路を形成するように構成される。段階６５０において、ＢＯＸ層上にシリコン層を含むシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板６０４が得られる。第１のハードマスク６０２はＳＯＩ基板６０４上に成膜される。第１のハードマスク６０２は二酸化シリコン層の上部に窒化シリコン層を含み、二酸化シリコン層がシリコン層の上面を覆い、シリコン層と窒化シリコン層との間に層を形成するように成膜される。シリコン層及び第１のハードマスク６０２は、１つ以上の製造プロセス（例えばフォトリソグラフィ及びエッチング）を経て構造、例えば導波路をシリコン層の外に形成する。１つ以上の製造プロセスの後、シリコン層はテーパー部を含む。シリコン層の側壁の１つの少なくとも一部は、ハードマスク６０２によって覆われない。シリコン層、二酸化シリコン層及び窒化シリコン層はそれぞれ、図１のシリコン導波路１０４、二酸化シリコン１０６及び窒化シリコン１０８と同様に構成されうる。第１のハードマスク６０２は任意の適切な材料及び製造プロセス技術を用いて製造されうる。段階６５２において、シリコン層及び第１のハードマスク６０２に熱酸化が行われる。熱酸化は、本開示を読んで当業者が理解するように任意の適切な製造プロセス技術を用いて行われうる。熱酸化後、シリコン層、二酸化シリコン層及び窒化シリコン層は、それぞれ図２のシリコン導波路２０４、二酸化シリコン２０６及び窒化シリコン２０８と同様に構成されうる。二酸化シリコン６０６は、シリコン層の上面、側壁及び底面を覆う。二酸化シリコン層は、シリコン層を二酸化シリコン層内に実質的に閉じ込める。シリコン層の底面を覆う二酸化シリコン層の一部はＳＯＩ基板６０４と一体化される。段階６５４において、第２のハードマスクまたはフォトレジスト６０８が第１のハードマスク６０２上に形成されてシリコン導波路６１０を画定する。第２のハードマスク６０８は、本開示を読んで当業者が理解するように任意の適切な材料及び製造プロセス技術を用いて製造される。段階６５６において、シリコン導波路６１０が処理され（例えばエッチングされ）、第２のハードマスク６０８が除去される。さらなる構造が必要に応じてパターニングされ、形成されてもよい。
図７は、モード変換器製造プロセス７００の他の実施形態の概略図である。モード変換器製造プロセス７００は、シリコン導波路パターンを最初に集積するプロセスを用いてシリコン導波路を形成するように構成される。段階７５０において、シリコン基板７０２と、シリコン層７０６と、シリコン基板７０２の少なくとも一部を覆うＢＯＸ層７０４と、を含むＳＯＩ基板が得られる。シリコン基板７０２及びＢＯＸ層７０４は併せて基板と呼ばれうる。第１のハードマスクがシリコン層７０６の上に成膜される。第１のハードマスクは窒化シリコン層７１０及び二酸化シリコン層７０８を含み、二酸化シリコン層７０８はシリコン層７０６の上面を覆い、シリコン層７０６と窒化シリコン層７１０との間に層を形成するように成膜される。シリコン層７０６及び第１のハードマスクは１つ以上の製造プロセス（例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング）を経てシリコン層７０６の外に構造を形成する。１つ以上の製造プロセス後、シリコン層７０６はＢＯＸ層７０４上の第１の位置７２０においてテーパー部分を含む。シリコン導波路７０６の側壁の少なくとも１つは第１のハードマスクによって覆われない。シリコン層７０６、二酸化シリコン層７０８及び窒化シリコン層７１０は、それぞれ図１のシリコン導波路１０４、二酸化シリコン１０６及び窒化シリコン１０８と同様に構成されうる。同様に、第２の導波路７１２は、ＢＯＸ層７０４上の第２の位置７２２において形成される。１つの実施形態において、第２の導波路はシリコン層７０６、二酸化シリコン層７０８及び窒化シリコン層７１０を含む。二酸化シリコン層７０８の上部の窒化シリコン層７１０の組み合わせは、第２の導波路に関して第１のハードマスクを形成する。代替的に、第２の導波路は本開示を読んで当業者が理解するように任意の適切な材料を含みうる。段階７５２において、第２のハードマスク７１４が第２の導波路７１２の上に成膜される。第２のハードマスク７１４は第２の導波路７１２を封入し、第２の導波路７１２を１つ以上の製造プロセスから保護する。１つの実施形態において、第２のマスク７１４は追加的な窒化シリコン材料を含む。
段階７５４において、任意の適切な製造プロセス技術を用いて熱酸化が行われる。熱酸化後、シリコン層７０６、二酸化シリコン層７０８及び窒化シリコン層７１０が、それぞれ図２のシリコン導波路２０４、二酸化シリコン２０６及び窒化シリコン２０８と同様に構成されうる。二酸化シリコン層７０８はシリコン層７０６の上面、側壁及び底面を覆う。二酸化シリコン層７０８は、シリコン層７０６を二酸化シリコン層７０８内に実質的に閉じ込める。シリコン層７０６の底面を覆う二酸化シリコン層７０８の一部はＢＯＸ層７０４と一体となる。窒化シリコン層７１０は、任意の適切な製造プロセス技術、例えば窒化物ウェットエッチングを用いて除去されうる。第１のハードマスク７１０及び第２のハードマスク７１４はまた、任意の適切な製造プロセス技術を用いて第２の導波路７１２から除去されうる。
図８は、モード変換器についての、モード変換器製造方法８００の実施形態のフロー図である。モード変換器は、図１のシリコン導波路１０４、図２のシリコン導波路２０４、図３のシリコン導波路３０２、図４のシリコン導波路４０２、及び図５のシリコン導波路５０２と同様に構成されたシリコン導波路を含みうる。モード変換器製造方法８００は、結合損失を低減しつつ、小さなサイズのモードと大きなサイズのモードとの間の変換をするために使用可能である小さな先端部を有するシリコン導波路を製造するように実装可能である。段階８０２において、ＢＯＸ層上にシリコン層を含むＳＯＩ基板が得られる。段階８０４において、ハードマスクがシリコン層上に成膜される。ハードマスクは二酸化シリコン層の上部に窒化シリコン層を含む。二酸化シリコン層及び窒化シリコン層は、図１の二酸化シリコン１０６及び窒化シリコン１０８と同様に構成されうる。段階８０６において、シリコン導波路がパターニングされる。シリコン導波路はアディアバティックテーパー部を含み、図１のシリコン導波路１０４、図３のシリコン導波路３０２、図４のシリコン導波路４０２及び図５のシリコン導波路５０２と同様に構成されうる。シリコン導波路の側壁の少なくとも一部は、ハードマスクによって覆われない。例えば、少なくとも１つの側壁はハードマスクによって覆われない。二酸化シリコン層は図１の二酸化シリコン１０４と同様に構成されうる。段階８０８において、シリコン導波路及びハードマスクは、例えば熱酸化を用いて酸化される。酸化後、シリコン導波路、二酸化シリコン層及び窒化シリコン層は、それぞれ図２のシリコン導波路２０４、二酸化シリコン２０６及び窒化シリコン２０８と同様に構成されうる。二酸化シリコン層は、シリコン導波路の上面、側壁及び底面を覆う。二酸化シリコン層は、シリコン導波路を二酸化シリコン層内に実質的に閉じ込める。シリコン導波路の底面を覆う二酸化シリコン層の一部は、ＳＯＩ基板と一体化される。段階８１０において、１つ以上の製造プロセスが実行されうる。追加的な製造プロセスの例は、ハードマスクの除去、第２のハードマスクの成膜、エッチング、及び第２の導波路の製造を含むがこれらに限定されない。
図９Ａから９Ｄは、熱酸化前のシリコン導波路先端部及び低屈折率導波路の断面に沿ったエネルギー密度のグラフを示す。図９Ａは、シリコン導波路先端部の断面の横断電気（ＴＥ）モードについてのエネルギー密度のグラフを示している。シリコン導波路先端部は、図３のシリコン導波路３０２と同様に構成されうる。図９Ａにおいて、軸９１０は垂直軸ｚ（例えば、図１の軸１９０）に沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸９１２は水平軸ｙ（例えば、図１の軸１９２）に沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。
図９Ｂは低屈折率導波路の断面のＴＥモードについてのエネルギー密度のグラフを示す。低屈折率導波路は、図３の低屈折率導波路３０４と同様に構成されうる。図９Ｂにおいて、軸９１４は垂直軸ｚに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸９１６は水平軸ｙに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。シリコン導波路先端部と低屈折率導波路との間のＴＥモード不整合による損失は約−１．５デシベル（ｄＢ）である。
図９Ｃは、シリコン導波路先端部の断面の横断磁気（ＴＭ）モードについてのエネルギー密度のグラフである。図９Ｃにおいて、軸９１８は垂直軸ｚに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸９２０は水平軸ｙに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。
図９Ｄは、低屈折率導波路の断面のＴＭモードに関するエネルギー密度のグラフを示す。図９Ｄにおいて、軸９２２は垂直軸ｚに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸９２４は水平軸ｙに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。シリコン導波路先端部と低屈折率導波路との間のＴＭモード不整合による損失は約−２．２ｄＢである。
図１０Ａから１０Ｄは、熱酸化後のシリコン導波路先端部及び低屈折率導波路に関する断面に沿ったエネルギー密度のグラフを示す。図１０Ａは、シリコン導波路先端部の断面のＴＥモードについてのエネルギー密度のグラフを示す。シリコン導波路先端部は、図３のシリコン導波路３０２と同様に構成されうる。エネルギー密度のグラフ１０００Ａにおいて、軸１０１０は、垂直軸ｚ（例えば、図１の軸１９０）に沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸１０１２は水平軸ｙ（例えば、図１の軸１９２）に沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。
図１０Ｂは、低屈折率導波路の断面のＴＥモードについてのエネルギー密度のグラフを示す。低屈折率導波路は、図３の低屈折率導波路３０４と同様に構成されうる。図１０Ｂにおいて、軸１０１４は、垂直軸ｚに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸１０１６は水平軸ｙに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。シリコン導波路先端部と低屈折率導波路との間のＴＥモード不整合による損失は約−０．０１ｄＢである。このように、ＴＥモード不整合による損失は、熱酸化後は、熱酸化前の損失と比較して減少する。
図１０Ｃは、シリコン導波路先端部の断面のＴＭモードについてのエネルギー密度のグラフを示す。図１０Ｃにおいて、軸１０１８は垂直軸ｚに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸１０２０は水平軸ｙに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。
図１０Ｄは、低屈折率導波路の断面のＴＭモードについてのエネルギー密度グラフを示す。図１０Ｄにおいて、軸１０２２は、垂直軸ｚに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示し、軸１０２４は水平軸ｙに沿ったエネルギー密度分布をμｍで示す。シリコン導波路先端部と低屈折率導波路との間のＴＭモード不整合による損失は約−０．１５ｄＢである。このように、ＴＭモード不整合による損失も、熱酸化後は熱酸化前の損失と比較して減少する。
いくつかの実施形態が本開示において提供されたが、開示されたシステムおよび方法は、本開示の思想及び範囲を逸脱することなく他の多くの具体的な形態で実施されうることは理解されるべきである。この例は例示であり限定ではないものとして考えるべきであり、本明細書に示された詳細例に限定されるべきことを意図していない。例えば、様々な要素または構成要素が、他のシステムでは結合されもしくは一体化され、または特定の特徴が省略されまたは実装されない可能性がある。
さらに、様々な実施形態において個別または分離したものとして説明され、示された技術、システム、サブシステムおよび方法は、本開示の範囲を逸脱せずに他のシステム、モジュール、技術または方法と結合され、または一体化されうる。互いに結合され、直接結合されまたは連通するとして示され、説明されたその他の事項は、電気的か、機械的か、またはその他の方法かによらず、いくつかのインターフェース、デバイスまたは中間構成要素と間接的に結合され、または連通しうる。変更、置換及び代替のその他の例は当業者によって確認可能であり、本開示の思想及び範囲を逸脱しないでなされうる。
１００ モード変換器
１０２ 基板
１０４ シリコン導波路
１０６ 二酸化シリコン
１０８ 窒化シリコン
１５０ 第１の切断線ＡＡ’
１５２ 第２の切断線ＢＢ’
１５４、１６０ 断面グラフ
１７０ 光
１８０ 第１の方向
１８２ 第２の方向
２００ モード変換器
２０２ 基板
２０４ シリコン導波路
２０６ 二酸化シリコン
２０８ 窒化シリコン
２５４、２６０ 断面グラフ
２７０ 光
２８０ 第１の方向
２８２ 第２の方向
３００ モード変換器
３０２ シリコン導波路
３０４ 低屈折率導波路
３１２ アディアバティックテーパー部
３７０ 光
３８０ 第１の方向
３８２ 第２の方向
４００ モード変換器
４０２ シリコン導波路
４０４ 低屈折率導波路
４１０ アディアバティックテーパー部
４１８ ギャップ
４７０ 光
４８０ 第１の方向
４８２ 第２の方向
５００ モード変換器
５０２ シリコン導波路
５０４ 基板
５０６ 第２の導波路
５１６ ギャップ
５７０ 光
５８０ 第１の方向
５８２ 第２の方向
６００ モード変換器製造プロセス
６０２ 第１のハードマスク
６０４ ＳＯＩ基板
６０６ 二酸化シリコン
６０８ 第２のハードマスク
６１０ シリコン導波路
７００ モード変換器製造プロセス
７０２ シリコン基板
７０４ ＢＯＸ層
７０６ シリコン層
７０８ 二酸化シリコン層
７１０ 窒化シリコン層
７１２ 第２の導波路
７１４ 第２のハードマスク
１０２ 基板
１０４ シリコン導波路
１０６ 二酸化シリコン
１０８ 窒化シリコン
１５０ 第１の切断線ＡＡ’
１５２ 第２の切断線ＢＢ’
１５４、１６０ 断面グラフ
１７０ 光
１８０ 第１の方向
１８２ 第２の方向
２００ モード変換器
２０２ 基板
２０４ シリコン導波路
２０６ 二酸化シリコン
２０８ 窒化シリコン
２５４、２６０ 断面グラフ
２７０ 光
２８０ 第１の方向
２８２ 第２の方向
３００ モード変換器
３０２ シリコン導波路
３０４ 低屈折率導波路
３１２ アディアバティックテーパー部
３７０ 光
３８０ 第１の方向
３８２ 第２の方向
４００ モード変換器
４０２ シリコン導波路
４０４ 低屈折率導波路
４１０ アディアバティックテーパー部
４１８ ギャップ
４７０ 光
４８０ 第１の方向
４８２ 第２の方向
５００ モード変換器
５０２ シリコン導波路
５０４ 基板
５０６ 第２の導波路
５１６ ギャップ
５７０ 光
５８０ 第１の方向
５８２ 第２の方向
６００ モード変換器製造プロセス
６０２ 第１のハードマスク
６０４ ＳＯＩ基板
６０６ 二酸化シリコン
６０８ 第２のハードマスク
６１０ シリコン導波路
７００ モード変換器製造プロセス
７０２ シリコン基板
７０４ ＢＯＸ層
７０６ シリコン層
７０８ 二酸化シリコン層
７１０ 窒化シリコン層
７１２ 第２の導波路
７１４ 第２のハードマスク
Claims (20)
- 基板であって、前記基板の上部に配置された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料を含む基板と、
第１のアディアバティックテーパー部を含み、前記二酸化シリコン材料に閉じ込められたシリコン導波路と、
前記基板の上部に配置され、前記第１のアディアバティックテーパー部に隣接する低屈折率導波路と、を含む、装置。 - 前記二酸化シリコン材料が前記基板と一体化された、請求項１に記載の装置。
- 前記二酸化シリコン材料が前記低屈折率導波路と直接接触する、請求項１に記載の装置。
- 前記二酸化シリコン材料が低屈折率材料によって前記低屈折率導波路から離隔された、請求項１に記載の装置。
- 前記低屈折率導波路が第２のアディアバティックテーパー部を含み、前記第１のアディアバティックテーパー部が前記第２のアディアバティックテーパー部と隣接する、請求項１に記載の装置。
- 前記シリコン導波路が、前記二酸化シリコン材料とともに酸化された、請求項１に記載の装置。
- 前記低屈折率導波路が、二酸化シリコン、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンリッチ酸化物（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）及び炭化シリコン（ＳｉＣ）のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記基板がシリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）である、請求項１に記載の装置。
- 基板と、
前記基板上に配置され、側壁及び第１のアディアバティックテーパー部を含むシリコン導波路と、
前記シリコン導波路上に配置され、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を含み、前記側壁を覆わないハードマスクと、
を含むモード変換器を得る段階と、
前記シリコン導波路及び前記ハードマスクを酸化する段階であって、前記二酸化シリコン層内に前記シリコン導波路を閉じ込める、前記シリコン導波路及び前記ハードマスクを酸化する段階と、
を含む、モード変換器製造方法。 - 前記基板が第２の二酸化シリコン層を含む、請求項９に記載の方法。
- 前記ハードマスクがさらに、前記二酸化シリコン層の上部に配置された窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層を含む、請求項９に記載の方法。
- 前記シリコン導波路及び前記二酸化シリコン層を酸化する段階が、乾式熱酸化を使用する段階を含む、請求項９に記載の方法。
- 前記シリコン導波路の先端部の幅を、前記酸化する段階によって減少させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
- 前記基板上に、前記シリコン導波路に隣接する第２の導波路をパターニングする段階をさらに含む、請求項９に記載の方法。
- 前記第２の導波路が第２のアディアバティックテーパー部を含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記第２の導波路が前記二酸化シリコン層に直接接触する、請求項１４に記載の方法。
- 第１のアディアバティックテーパー部及び側壁を含むシリコン導波路を基板上に形成する段階であって、ハードマスクが前記シリコン導波路上に配置され、前記側壁を覆わず、前記ハードマスクが二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料を含む、シリコン導波路を形成する段階と、
前記基板上に第２の導波路を形成する段階であって、前記第２の導波路が前記第２の導波路を閉じ込める第２のハードマスクを含む、第２の導波路を形成する段階と、
前記シリコン導波路及び前記第２の導波路を、前記シリコン導波路が二酸化シリコン材料内に閉じ込められるまで酸化する段階と、を含む、モード変換器製造方法。 - 前記シリコン導波路の先端部の幅を、前記酸化する段階を通して減少させることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記第２の導波路が第２のアディアバティックテーパー部を含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリコン導波路が低屈折率材料によって前記第２の導波路から離隔され、前記基板がシリコン（Ｓｉ）層及び埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層を含む、請求項１７に記載の方法。
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