JP2019504357A - チップの集積化を用いるフォトニック集積回路 - Google Patents

Abstract

同じフォトニック集積回路（ＰＩＣ）パッケージに集積されて所望の電気光学的機能を実現する必要がある異なるフォトニックチップの数を減少させるように、相互に接合され光学的に結合された第１のフォトニックチップ及び第２のフォトニックチップを有するＰＩＣを開示する。実施形態の例では、第１のフォトニックチップは、レーザ及び光増幅器などの能動光学部品を含み、ＩＩＩ−Ｖ族半導体技術を用いて製造され得る。第２のフォトニックチップは、変調器、光検出器及び受動光学部品などの追加の光学部品を含み、ＣＭＯＳ技術を用いて製造され得る。第２のフォトニックチップはまた、第１のフォトニックチップの能動光学部品と第２のフォトニックチップの追加の光学部品との間で種々の光信号を適切に（再度）方向付けて所望の電気光学的機能を実現するように構成された１以上の２×２光カプラを含み得る。【選択図】 図１

Description

本開示は、光通信機器、より具体的ではあるが排他的にではなく、フォトニック集積回路に関する。

本章では、本開示についてより深い理解を容易にするのに役立つような態様を紹介する。したがって、このセクションの記述は、この観点で読まれ、何が従来技術のものであり何が従来技術のものでないかについて認めるように理解されるものではない。

フォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、電気通信、設備及び信号処理の分野において種々のアプリケーションに用いられる。ＰＩＣは、通常、光学スイッチ、カプラ、ルータ、スプリッタ、マルチプレクサ／デマルチプレクサ、フィルタ、変調器、位相シフタ、レーザ、増幅器、波長変換器、光−電気（Ｏ／Ｅ）及び電気−光（Ｅ／Ｏ）信号変換器などのような、種々の回路部品を実施及び／又は相互接続するのに光導波路を使用する。ＰＩＣは、一般的に、例えば、個別の光学部品に基づく対応する光学システムと比較して、より小型の、よりコスト効率の高い、及び／又はより良好な実効性を有する光学システムの生成を可能とする。少なくともこの理由から、ＰＩＣの製造に使用するための種々のタイプの集積化が、現在積極的に開発されている。

同じＰＩＣパッケージに集積されて所望の電気光学的機能を実現する必要がある異なるフォトニックチップの数を効果的に減少するように、相互に接合され光学的に結合された第１のフォトニックチップ及び第２のフォトニックチップを有するＰＩＣの種々の実施形態がここに開示される。実施形態の例では、第１のフォトニックチップは、レーザ及び光増幅器などの能動光学部品を含み、ＩＩＩ−Ｖ族半導体技術を用いて製造され得る。第２のフォトニックチップは、変調器、光検出器及び受動光学部品などの追加の光学部品を含み、ＣＭＯＳ技術を用いて製造され得る。第２のフォトニックチップはまた、第１のフォトニックチップの能動光学部品と第２のフォトニックチップの追加の光学部品との間で種々の光信号を適切に（再度）方向付けて所望の電気光学的機能を実現するように構成された１以上の２×２光カプラを含み得る。

実施形態によると、ＰＩＣは、第１の複数の光導波路を有する第１のフォトニックチップ、並びに第２の複数の光導波路及び第３の複数の光導波路を有する第２のフォトニックチップを備え、第２のフォトニックチップは、第１のフォトニックチップに接合されて第２の複数のうちの２以上の光導波路を第１の複数のそれぞれの光導波路に光学的に結合する。第２のフォトニックチップは、第２の複数の第１及び第２の光導波路と第３の複数の第１及び第２の光導波路との間で接続された第１の２×２光カプラを備え、第１の２×２光カプラは、第３の複数の第１の光導波路から受信した光を第１及び第２の部分に分波し、（ｉ）第１の部分を第２の複数の第１の光導波路に及び（ｉｉ）第２の部分を第２の複数の第２の光導波路に結合し、光ビームの光が実質的に第３の複数の第１の光導波路に結合されないように、第２の複数の第１及び第２の光導波路から受信した光ビームを第３の複数の第２の光導波路に結合するように構成される。

開示する種々の実施形態の他の態様、構成及び効果は、例として、以下の詳細な説明及び添付の図面からより完全に明らかとなる。

実施形態によるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）のブロック図を示す図である。 実施形態による図１のＰＩＣにおいて使用される光カプラの動作を示す図である。 実施形態による図１のＰＩＣにおいて使用される光カプラの動作を示す別の図である。 実施形態による図１のＰＩＣにおいて使用され得るフォトニックチップの概略上面図を示す図である。 実施形態による図１のＰＩＣにおいて使用され得る導波路構造体の概略上面図を示す図である。

フォトニック回路の集積化を介して異なる光学部品を効率よく組み合わせる能力は、産業用フォトニクスの分野において技術を可能とするキーの１つとして広く認識されている。また、所望のすべての電気光学的機能を実現するのに、フォトニックの集積化に単一の材料プラットフォームを用いることが常には実行可能でないことが知られている。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物及び合金は、レーザ及び光増幅器の実施に対して周知の効果をもたらす。しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物及び合金は、コアとクラッド材料の間にある程度の屈折率コントラストしか与えず、電気通信アプリケーションで用いられるスペクトル帯において比較的高い光伝搬損失に苛まされることがある。その一方で、シリコンによる材料プラットフォームは、同じチップにフォトニック及び超小型電子の回路素子を集積可能な低損失の小型回路をもたらす。対応する製造プロセスは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術と互換性を有し、それらは正確及び十分に発達しているため、堅調な生産及び比較的低い製造コストをもたらす。ただし、シリコンによる材料プラットフォームは、電気通信アプリケーションに適した実際の光源を未だ与えていない。

これら及び特定の他の問題は、ここで開示するフォトニック集積回路（ＰＩＣ）の種々の実施形態を用いて対処することができる。実施形態の例では、ＰＩＣは、単一の集積回路（ＩＣ）パッケージにおいてともに接合された少なくとも２つのフォトニックチップを備える。２つのフォトニックチップのうち第１のものは、レーザ及び光増幅器などの能動光学部品を含み、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体技術を用いて製造され得る。２つのフォトニックチップのうち第２のものは、追加の光学部品を含み、例えば、ＣＭＯＳ技術を用いて製造され得る。ＰＩＣに用いられるチップの集積化及びチップ−チップ光結合は、具体的には、同じＩＣパッケージに集積されて所望の電気光学的機能を実現する必要がある異なるチップの数を減少又は最小化するように設計及び構成され、それによって、必要とされる光学的アライメントの技術的複雑性及び／又は結果として生成されるＩＣパッケージの最終コストを効果的に低下させる。

ここで用いる用語「能動部品」とは、新たな光を生成し及び／又は光信号のパワーを増加させることができるフォトニック回路の部品又は素子のことをいう。能動光学部品の例は、それに限定することなく、半導体レーザ、Ｅ／Ｏ変換器及び半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含む。用語「受動部品」とは、より一般的には、光信号がそこでいくらか光学的損失を受けるようにして、光パワーを増加させることなく光信号を転送、操作及び／又は処理するように設計されたフォトニック回路の部品又は素子のことをいう。受動光学部品の例は、それに限定することなく、光学スイッチ、カプラ、スプリッタ、フィルタ及び位相シフタを含む。

図１は、実施形態によるＰＩＣ１００のブロック図を示す。ＰＩＣ１００は、チップ−チップインタフェース構造体１１０を用いて相互に光学的及び構造的に結合されたフォトニックチップ１０２及び１０６を含む。実施形態の例では、ＰＩＣ１００はＩＣパッケージの一部である（図１に明示せず）。

フォトニックチップ１０２は、基板１０４を用いて製造される。フォトニックチップ１０６は、基板１０８を用いて製造される。実施形態の例では、基板１０４及び１０８は異なる化学的組成を有する。例えば、基板１０４は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料又は合金を含み得る。基板１０８は、シリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）又はシリカを含み得る。基板１０４及び１０８に対する他の組合せの基板材料も、種々の代替的実施形態において可能である。

フォトニックチップ１０２は、複数の光学ゲイン素子１２０_１〜１２０_ｋ及び対応する複数の光導波路１２４_１〜１２４_ｋを備え、ここでｋは１より大きい整数である。光学ゲイン素子１２０は、一般的に、能動光学部品又は光学ゲイン媒体として動作するように構成された半導体材料のピース（例えば、略矩形状のブロック）を含む。実施形態の例では、光学ゲイン素子１２０に用いられる半導体材料は、種々にドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体及び／又は合金を含み得る。光学ゲイン素子１２０に用いられる半導体材料は、基板１０４の半導体材料とは異なっていてもよい。光学ゲイン素子１２０は、適切に電気的にバイアス印加又はポンピングされた場合には、自然放出、誘導放出及び／又は他の放出メカニズムによって光を発生することができる。光学ゲイン素子１２０_１〜１２０_ｋに電気バイアスを印加するのに使用可能な電気接続及び電極は、図示を明確にするため図１には明示しない。そのような電気接続及び電極の構成及び設計は、関連文献において適宜まとめられており当業者には公知である。

フォトニックチップ１０２のファセット１１６は、高反射性材料、例えば、金属によって被覆されてそこにミラー１１２を形成する。動作において、ミラー１１２は、光学ゲイン素子１２０_１〜１２０_ｋから光を受信し、受信した光を光学ゲイン素子に向かって反射して戻す。図示する実施形態では、ミラー１１２は、ミラーと光学ゲイン素子の間で光を誘導する光導波路１１８_１〜１１８_ｋを用いて、光学ゲイン素子１２０_１−１２０_ｋに光学的に結合される。代替的実施形態では、光導波路１１８_１〜１１８_ｋは省略されることがあり、ミラー１１２は光学ゲイン素子１２０_１〜１２０_ｋの対応する端部ファセットに直接隣接するように置かれてもよい。

ある実施形態では、フォトニックチップ１０２は、関連技術において公知の以下の構成、（ｉ）多重量子井戸（ＭＱＷ）光学ゲイン媒体、（ｉｉ）埋込型へテロ構造デバイス配置、（ｉｉｉ）チップ−チップインタフェース構造体１１０の付近又はそこにおける光モードエキスパンダ及び／又はスポットサイズ変換器、（ｉｖ）残留ファセット反射率を低下させる傾斜ファセット及びコーティング、（ｖ）比較的高い注入電流に対して構成された電極、及び（ｖｉ）精密開裂性、のうちの１以上を有し得る。他のある実施形態では、バルクゲイン媒体及びリッジ導波路構造体も用いられ得る。フォトニックチップ１０２を実現するのに使用可能なフォトニックチップの例は、例えば、（ｉ）米国特許出願公開第２００４／０１００６８９号、（ｉｉ）２００８年６月１１〜１３日にオランダのアイントホーフェンで開催された第１４回集積光学についての欧州会議（ＥＣＩＯ）の会報ｐｐ．２９〜３２に出版された表題「Ｈｙｂｒｉｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」 のＡ．Ｐｏｕｓｔｉｅによる論文、（ｉｉｉ）２０１１年１月６日にＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙのｐｐ．５５４〜５７０に出版された表題「Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＩｎＰ−Ｂａｓｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ＩＣｓ−Ａ Ｔｕｔｏｒｉａｌ」のＬ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎらによる論文において開示され、これらすべてがその全体においてここに参照として取り込まれる。

フォトニックチップ１０８は複数のフォトニック回路１４０_１〜１４０_ｍを備え、ここでｍは１より大きい正の整数である。実施形態の例では、ｍ≠ｋである。ただし、ｍ＝ｋである実施形態も可能である。ある実施形態では、各フォトニック回路１４０は、他の任意のフォトニック回路１４０とは機能的及び／又は構造的に異なる場合もある。ある実施形態では、フォトニック回路１４０_１〜１４０_ｍのサブセットは、名目上相互に一致するフォトニック回路１４０を含み得る。フォトニック回路１４０のある実施形態の例を、図３を参照して以下でより詳細に説明する。

フォトニック回路１４０_１は、光導波路１３２_１を通じて光を受信して光導波路１３２_２及び１４２_１の各々を通じて光を出力するように構成される。光導波路１４２_１は、フォトニックチップ１０６のそれぞれの出力ポートに接続される。フォトニック回路１４０_２は、光導波路１３２_３を通じて光を受信して光導波路１３２_４及び１４２_２の各々を通じて光を出力するように構成される。光導波路１４２_２は、フォトニックチップ１０６のそれぞれの出力ポートに接続される。フォトニック回路１４０_ｍは、光導波路１３２_ｊを通じて光を受信して光導波路１４２_ｍを通じて光を出力するように構成され、ここでｊは正の整数である。光導波路１４２_ｍは、フォトニックチップ１０６のそれぞれの出力ポートに接続される。ある実施形態では、ｊ＝２ｍ−１である。ある実施形態では、いくつかの光導波路１４２_１〜１４２_ｍは、なくてもよいし、又は任意の光を出力するように構成されなくてもよい。

フォトニックチップ１０８は複数の２×２光カプラ１３０_１〜１３０_ｎをさらに備え、ここでｎは正の整数である。実施形態の例では、ｎ≠ｋ及びｎ≠ｍである。ある実施形態では、ｎ＝ｍ−１である。動作において、光カプラ１３０は、対応する対の光導波路１２８とそれに接続された対応する対の光導波路１３２との間で光を方向付ける。ある実施形態では、光カプラ１３０_１〜１３０_ｎの各々は、例えば、図３を参照して以下に説明するように、マルチモードインタフェース（ＭＭＩ）カプラを用いて実施され得る。

光カプラ１３０_１は、それに接続された光導波路１２８_２、１２８_３、１３２_２及び１３２_３を有する。動作において、光カプラ１３０_１は、光導波路１３２_２を通じてフォトニック回路１４０_１から光を受信し、この光を光導波路１２８_２及び１２８_３の双方に結合してチップ−チップインタフェース構造体１１０を通じてフォトニックチップ１０２にさらに結合する。光カプラ１３０_１はまた、チップ−チップインタフェース構造体１１０及び光導波路１２８_２／１２８_３を通じてフォトニックチップ１０２から戻る光を受信し、この光を光導波路１３２_３に結合してフォトニック回路１４０_２にさらに結合する。なお、光カプラ１３０_１は、図１の対応する矢印で示すように、（ｉ）光導波路１３２_２及び１３２_３の各々における単方向性光伝搬並びに（ｉｉ）光導波路１２８_２及び１２８_３の各々における双方向性光伝搬の使用を可能とする。光カプラ１３０のこの構成のより詳細な説明を、図２Ａ〜２Ｂを参照して以下に示す。光カプラ１３０の回路構造の例は、光導波路１３２_２及び１３２_３の各々における単方向性光伝搬並びに光導波路１２８_２及び１２８_３の各々における双方向性光伝搬を可能とする構成可能な内部位相シフタの適切な構成を含み、図３に示され、その図面を参照して以下でより詳細に説明される。

光カプラ１３０_ｎは、それに接続された光導波路１２８_ｊ−１、１２８_ｊ、１３２_ｊ−１及び１３２_ｊを有する。動作において、光カプラ１３０_ｎは、光導波路１３２_ｊ−１を通じてフォトニック回路１４０_ｍ−１（図１に明示せず）から光を受信し、この光を光導波路１２８_ｊ−１及び１２８_ｊの双方に結合してチップ−チップインタフェース構造体１１０を通じてフォトニックチップ１０２にさらに結合する。さらに、光カプラ１３０_ｎは、チップ−チップインタフェース構造体１１０及び光導波路１２８_ｊ−１／１２８_ｊを通じてフォトニックチップ１０２から戻る光を受信し、この光を光導波路１３２_ｊに結合してフォトニック回路１４０_ｍにさらに結合する。光カプラ１３０_ｌと同様に、光カプラ１３０_ｎは、図１の対応する矢印で示すように、及び（ｉ）光導波路１３２_ｊ−１及び１３２_ｊの各々における単方向性光伝搬並びに（ｉｉ）光導波路１２８_ｊ−１及び１２８_ｊの各々における双方向性光伝搬の使用を可能とする。

チップ−チップインタフェース構造体１１０は、図１に示すように、フォトニックチップ１０２の光導波路１２４及びフォトニックチップ１０６の対応する光導波路１２８を光学的に結合するように構成される。より具体的には、チップ−チップインタフェース構造体１１０は、光導波路１２４_１〜１２４_３及び光導波路１２８_１〜１２８_３をそれぞれ相互に光学的に結合するように構成される。チップ−チップインタフェース構造体１１０はさらに、（ｉ）光導波路１２４_ｋ−１及び１２８_ｊ−１並びに（ｉｉ）光導波路１２４_ｋ及び１２８_ｊを相互に結合するように構成される。

実施形態の例では、リソグラフ処理が、フォトニックチップ１０２及び１０６に光導波路１２４及び１２８をそれぞれ製造するのに用いられ得る。対応するリソグラフマスクは、フォトニックチップ１０２の光導波路１２４の間のピッチ及びフォトニックチップ１０６の光導波路１２８の間のピッチが名目上一致するように設計可能である。この構成によって、効果的にチップ−チップインタフェース構造体１１０が対応の光導波路１２４と光導波路１２８の間に比較的低い挿入損失を有することが可能となる。それはまた、相互に接合するためにフォトニックチップ１０２及び１０６を適切に光学的に整列させる処理を大幅に簡略化し、そして、対応するＩＣパッケージにおいてパッケージングする。

ある実施形態では、チップ−チップインタフェース構造体１１０は、フォトニックチップ１０２及び１０６を相互にフリップ−チップ接合するために設計及び構成され得る。代替的なある実施形態では、チップ−チップインタフェース構造体１１０は、フォトニックチップ１０２及び１０６を相互にエッジ−エッジ接合するために設計及び構成可能である。ある実施形態では、チップ−チップインタフェース構造体１１０は、フォトニックチップ１０２とフォトニックチップ１０６の間ですべての光信号転送を取り扱うように構成可能である。ある実施形態では、チップ−チップインタフェース構造体１１０はフォトニックチップ１０６の単一エッジ（例えば、ストレートエッジ１１４）に隣接するモノリシック構造体であるが、フォトニックチップ１０６の他のエッジはフォトニックチップ１０２とフォトニックチップ１０６の間の光信号転送に対して構成された追加的な個別のインタフェース構造体を有さない。

図２Ａ〜２Ｂは、実施形態の例による光カプラ１３０（図１）の動作を示す。図示する目的で、光カプラ１３０の動作を、光カプラ１３０がＭＭＩカプラを備えた実施形態を参照して以下で説明する。当業者であれば、類似した原理の動作が他の任意の適当な２×２光カプラ、例えば、３ｄＢ方向性導波路カプラで実施可能であることを理解するはずである。

図２Ａは、光導波路１３２ａが光を受信していない間に光信号２０２が光導波路１３２ｂに適用された場合の、光カプラ１３０の動作を示す。光導波路１３２ｂは、単一モード伝搬を用いて光信号２０２を誘導する。光カプラ１３０に用いられるＭＭＩカプラの大きい方の横サイズによって、光信号２０２はマルチモード光信号としてそれに結合する。そして、ＭＭＩカプラにおけるマルチモード干渉によって、（ｉ）光信号２０２の光パワーの約半分が光信号２０４として光導波路１２８ａに結合し、及び（ｉｉ）光信号２０２の光パワーの約半分が光信号２０６として光導波路１２８ｂに結合する。ＭＭＩカプラにおいて光導波路１２８ａと光導波路１２８ｂの終端間の距離は、光信号２０４及び２０６が約９０度の相対位相シフトを有するような距離である。光導波路１２８ａ及び１２８ｂは、単一モード伝搬を用いて光信号２０４及び２０６を誘導する。

図２Ｂは、光信号２１２及び２１４が光導波路１２８ａ及び１２８ｂにそれぞれ適用された場合の光カプラ１３０の動作を示す。より具体的には、光信号２１２及び２１４は、ほぼ等しい光パワー及び約９０度の相対位相シフトを有する。ただし、光信号２１２と光信号２１４の間の位相シフトは、光信号２０４と光信号２０６の間の位相シフト（図２Ａ）に対して反対符号を有することになる。この状況では、光カプラ１３０のＭＭＩカプラにおけるマルチモード干渉によって、光信号２１２及び２１４は光導波路１３２ａの終端で強めあうように干渉し、それにより、光信号２１６をその光導波路に出射する。マルチモード干渉によってさらに、光信号２１２及び２１４は光導波路１３２ｂの終端で打ち消しあうように干渉し、その結果、光信号はその光導波路に出射されない。

ある実施形態では、光カプラ１３０は、図２Ａ〜２Ｂに示す光信号２０２〜２０６と光信号２１２〜２１４の間の位相関係を与えるように構成された１以上の内部位相シフタ又は導波路の長さを含み得る。光カプラ１３０のそのような実施形態の例を、図３に示す。代替的なある実施形態では、図２Ａ〜２Ｂに示す光信号２０２〜２０６と光信号２１２〜２１４の間の位相関係は、光カプラ１３０の外部の１以上の位相シフタ又は導波路の長さを用いて形成可能である。

図３は、実施形態によるフォトニックチップ１０６（図１）として用いられ得るフォトニックチップ３００の概略上面図を示す。より具体的には、フォトニックチップ３００は、ｋ＝ｊ＝３、ｎ＝１及びｍ＝２に相当するフォトニックチップ１０６の実施形態を示す。フォトニックチップ３００とフォトニックチップ１０６の対応は図３で用いられる符号によっても示され、フォトニックチップ３００の素子のいくつかは図１のフォトニックチップ１０６の対応する素子と同じ符号を用いて表される。

フォトニックチップ３００のエッジ１１４は、チップ−チップインタフェース構造体１１０とさらにフォトニックチップ１０２（ここでも図１参照）に接続されるように構成される。光導波路１４２_１は、フォトニックチップ３００にはない。実施形態の例では、フォトニックチップ３００は、ＷＤＭアプリケーションに対する波長可変光送信機を実現するのに用いられ得る。

フォトニックチップ３００のフォトニック回路１４０_１は、レーザキャビティの受動部分及び出力ミラーを実現する。光導波路１２８_１によってフォトニック回路１４０_１に光学的に接続されるフォトニックチップ１０２の光学ゲイン素子１２０_１及びミラー１１２（図１参照）は、このレーザキャビティの能動部分及びバックミラーをそれぞれ提供するのに用いられる。光導波路１３２_２は、レーザキャビティ内で発生してフォトニック回路１４０_１によってそこから出力された光を光カプラ１３０_１に方向付けるように構成される。光カプラ１３０_１は、光導波路１３２_２を通じて受信した光をほぼ等しい２つの部分に分波し、これら２つの部分を、例えば、図２Ａを参照して上記のように光導波路１２８_２及び１２８_３にそれぞれ適用するように構成される。そして、これらの光の部分の各々は、フォトニックチップ１０２の光学ゲイン素子１２０_２及び１２０_３（図１参照）のそれぞれ１つにおいて増幅され、ミラー１１２によって反射される光に起因して光導波路１２８_２及び１２８_３を通じて光カプラ１３０_１に戻される（ここでも図１参照）。そして、光カプラ１３０_１は、例えば、図２Ｂを参照して上記のように、増幅された光を光導波路１３２_３に結合するように動作する。光導波路１３２_３は、光カプラ１３０_１から受信した光をフォトニック回路１４０_２に方向付けるように構成される。図示する実施形態の例では、フォトニックチップ３００のフォトニック回路１４０_２は、固定の遅延素子３０８を備える。固定の遅延素子３０８によって遅延した光は、光導波路１４２_２を用いてフォトニックチップ３００から出力される。

実施形態の例では、フォトニックチップ３００のフォトニック回路１４０_１は、図３で示すように、位相シフタ３０２、３０４_１及び３０４_２と付される２つのマイクロリング波長フィルタ、並びに相互に光学的に結合されたサニャックループミラー３０６を備える。フォトニックチップ３００のフォトニック回路１４０_１は、図３でさらに示すように、位相シフタ３０２に用いられる種々の電極に電気的に接続された複数の電気コンタクトパッド３２２〜３３２、マイクロリング波長フィルタ３０４_１及び３０４_２並びにサニャックループミラー３０６をさらに備える。動作において、電気コンタクトパッド３２２〜３３２は、フォトニック回路１４０_１の図示する素子を適切に構成及び制御するのに用いられ得る外部で発生した電圧を受信するのに用いられる。

サニャックループミラー３０６の反射率は、例えば、米国特許第９０５９５５９号に記載されるように、電気コンタクトパッド３３０と電気コンタクトパッド３３２の間に印加される電圧によって制御可能であり、それはその全体においてここに参照として取り込まれる。

サニャックループミラー３０６は広帯域反射しかもたらさないので、マイクロリング波長フィルタ３０４_１及び３０４_２によってもたらされる狭帯域波長のフィルタリングは、対応するレーザのレージング波長を選択し、所望であればそれを整調するのにフォトニック回路１４０_１において用いられる。本技術分野では公知のように、フィルタ３０４_１及び３０４_２の各々などのマイクロリング波長フィルタは、中心波長がフィルタの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）によって相互に分離した比較的狭い通過帯域のコームを備えた送信スペクトルを有する。実施形態の例では、マイクロリング波長フィルタ３０４_１及び３０４_２は、異なるＦＳＲを有するように設計及び構成される。マイクロリング波長フィルタ３０４_１に対応する通過帯域コームのスペクトル配列は、電気コンタクトパッド３２４と電気コンタクトパッド３２６の間に印加された制御電圧によって制御可能である。マイクロリング波長フィルタ３０４_２に対応する通過帯域コームのスペクトル配列は、電気コンタクトパッド３２８と電気コンタクトパッド３３０の間に印加された制御電圧によって同様に制御可能である。適切に選択された制御電圧を用いて、マイクロリング波長フィルタ３０４_１及び３０４_２は少なくとも１つの共通通過帯域を有するように調整可能である。当業者は、マイクロリング波長フィルタ３０４_１及び３０４_２の共通通過帯域が対応するレーザのレージング波長を決定することを理解するはずである。レージング波長は、マイクロリング波長フィルタ３０４_１及び３０４_２に印加される制御電圧を適切に変化させることによって調整可能である。レージング波長における出力光パワーは、電気コンタクトパッド３２２及び３２４を用いて位相シフタ３０２に印加される制御電圧を適切に調節することによって最適化（例えば、最大化）され得る。

フォトニックチップ３００の光カプラ１３０_１は、図３に示すように、相互に光学的に結合された２×２ＭＭＩカプラ３１０及び位相シフタ３１２を備える。フォトニックチップ３００の光カプラ１３０_１は、図３にさらに示すように、位相シフタ３１２に用いられる電極に電気的に接続された電気コンタクトパッド３３４及び３３６をさらに備える。光導波路１２８_２及び１２８_３に対応する光経路の間の相対位相差は、電気コンタクトパッド３２２及び３２４を用いて位相シフタ３１２に印加された制御電圧を変更することによって変更可能である。特に、この制御電圧は、図２Ａ〜２Ｂを参照して上記の動作のモードを可能とする値に設定され得る。

図４は、実施形態によるチップ−チップインタフェース構造体１１０（図１）を実現するのに使用可能な導波路構造体４００の概略上面図を示す。より具体的には、導波路構造体４００のそれぞれのインスタンスは、光導波路１２４及び１２８の各々対応する対（ここでも図１参照）を、相互に光学的に結合するのに使用可能である。当業者は、導波路構造体４００がフォトニックチップ１０２とフォトニックチップ１０６の間に比較的低い光結合損失をもたらすように設計及び構成されることを理解するはずである。

フォトニックチップ１０２とフォトニックチップ１０６の間の光の直接の（例えば、導波路構造体４００を使用しない）結合は、フォトニックチップ１０２及び１０６において光導波路を実現するのに用いられる材料の屈折率の大きな差によって、比較的大きな光学的損失に苛まされることがある。例えば、ケイ素によるフォトニックチップは、通常、ＩＩＩ−Ｖ族半導体によるフォトニックチップよりも非常に狭い光導波路を有する。図４は、フォトニックチップ１０６の光導波路１２８を示すことによるこの導波路の幅の差を、フォトニックチップ１０２の対応する光導波路１２４よりも狭くなるように示す。この導波路の幅の差によって、光導波路１２４及び１２８において誘導されるモードは大きなサイズ不整合を有することになり、それによって、導波路構造体４００又はその機能的均等物を使用することなくこれらの光導波路の間の光転送の処理に大幅な光学的損失を引き起こすことになる。

実施形態の例では、導波路構造体４００は、光導波路１２４及び１２８の空間的に不整合な誘導光モードを、スポット変換器領域４１０内で実質上空間的に整合した光モードに変換するように動作する。当業者は、変換された光モードのこの空間的整合によって、導波路構造体４００が光導波路１２４と光導波路１２８の間の光転送に比較的低い光学的損失を効果的にもたらすことが可能であることを理解するはずである。

光導波路１２８には、中間の屈折率を有する材料製のより広いクラッディング４１４に埋め込まれた逆テーパ４１８が設けられる。逆テーパ４１８によって、導波路コアの幅は、逆テーパが光導波路１２８に対応する光モードをサポートできなくなるカットオフ幅に又はそれより狭いテーパ状となる。その結果、光導波路１２８に対応する光モードは、中間クラッディング４１４内に閉じ込められた広いモードに拡張及び変換される。

同様の光モード変換が、光導波路１２４によって誘導される光に対して実施される。より具体的には、光導波路１２４には、テーパ状部分４０４を有する広い中間クラッディング４０６に結合された逆テーパ４０２が設けられる。逆テーパ４０２によって、光導波路１２４に対応する光モードは、中間クラッディング４０６によって誘導されるより広い光モードに変換される。そして、中間クラッディング４０６のテーパ状部分４０４は、クラッディング４１４によって誘導される光モードのものに対応するサイズにさらに光モード拡張を引き起こす。スポット変換器領域４１０の幾何学的サイズ（例えば、長さ）は、変換された２つの光モードがフォトニックチップ１０２とフォトニックチップ１０６の間の効率的な光転送のためにそこでほぼ最適な空間的重なりを有するなどのように選択される。

図１〜４を参照して上記で開示された実施形態の例によると、第１の複数の光導波路（例えば、図１の１２４_１〜１２４_ｋ）を有する第１のフォトニックチップ（例えば、図１の１０２）並びに第２の複数の光導波路（例えば、図１の１２８_１〜１２８_ｊ）及び第３の複数の光導波路（例えば、図１の１３２_１〜１３２_ｊ）を有する第２のフォトニックチップ（例えば、図１の１０６、図３の３００）を備えた装置（例えば、図１の１００）が提供され、第２のフォトニックチップは、第２の複数の２以上の光導波路を第１の複数のそれぞれの光導波路に光学的に結合するように第１のフォトニックチップに接合される。第２のフォトニックチップは、第２の複数の第１及び第２の光導波路（例えば、図１及び３の１２８_２及び１２８_３）と、第３の複数の第１及び第２の光導波路（例えば、図１及び３の１３２_２及び１３２_３）との間に接続された第１の２×２光カプラ（例えば、図１及び３の１３０_１）を備え、第１の２×２光カプラは、第３の複数の第１の光導波路から受信した光（例えば、図２Ａの２０２）を第１及び第２の部分（例えば、図２Ａの２０４及び２０６）に分波して、（ｉ）第１の部分を第２の複数の第１の光導波路、及び（ｉｉ）第２の部分を第２の複数の第２の光導波路に結合し、（例えば、図２Ｂの２１６で示すように）光ビームの光が実質的に第３の複数の第１の光導波路に結合されなくなる（例えば、図２Ｂの２１２及び２１４の全光パワーの１０％未満となる）ように、第２の複数の第１及び第２の光導波路から受信した光ビーム（例えば、図２Ｂの２１２及び２１４）を第３の複数の第２の光導波路に結合するように構成される。

上記装置のある実施形態では、第１の２×２光カプラは、第１の部分及び第２の部分がほぼ（例えば、１０％以内で）等しい光パワーを有するように構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、（例えば、図２Ｂの２１６で示すように）光ビームの実質的にすべての光パワー（例えば、図２Ｂの２１２及び２１４の全光パワーの５０％より多く）が第３の複数の第２の光導波路に結合されるように、第１の２×２光カプラは、第２の複数の第１及び第２の導波路から受信した光ビームを第３の複数の第２の光導波路に結合するようにさらに構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、第１の２×２光カプラは、第２の複数の第１及び第２の導波路から受信した光ビームの間の相対位相シフトを変更するように構成可能な位相シフタ（例えば、図３の３１２）を備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第１の２×２光カプラは、マルチモード干渉カプラ（例えば、図３の３１０）をさらに備える。

任意の上記装置のある実施形態では、（例えば、図２Ｂで示すように）位相シフタは、光ビームが第３の複数の第２の光導波路で強めあうように干渉し、第３の複数の第１の光導波路で打ち消しあうように干渉するように構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、第２のフォトニックチップは、第２の複数の第３及び第４の光導波路（例えば、図１の１２８_ｊ−１及び１２８_ｊ）と第３の複数の第３及び第４の光導波路（例えば、図１の１３２_ｊ−１及び１３２_ｊ）との間で接続された第２の２×２光カプラ（例えば、図１の１３０_ｎ）をさらに備え、第２の２×２光カプラは、第３の複数の第３の光導波路から受信した光（例えば、図２Ａの２０２）をそれぞれの第１及び第２の部分（例えば、図２Ａの２０４及び２０６）に分波して、（ｉ）第１のそれぞれの部分を第２の複数の第３の光導波路に、及び（ｉｉ）第２のそれぞれの部分を第２の複数の第４の光導波路に結合し、（例えば、図２Ｂの２１６で示すように）それぞれの光ビームの光が実質的に第３の複数の第３の光導波路に結合されなくなる（例えば、図２Ｂの２１２及び２１４の全光パワーの１０％未満となる）ように、第２の複数の第３及び第４の光導波路から受信したそれぞれの光ビーム（例えば、図２Ｂの２１２及び２１４）を第３の複数の第４の光導波路に結合するように構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、第２の２×２光カプラは、第１の２×２光カプラと名目上一致する。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップは、第１の複数のそれぞれの光導波路のうちの第１のもの（例えば、図１の１２４_２）によって第２の複数の第１の光導波路に光学的に結合された第１の光学ゲイン素子（例えば、図１の１２０_２）、及び第１の複数のそれぞれの光導波路のうちの第２のもの（例えば、図１の１２４_３）によって第２の複数の第２の光導波路に光学的に結合された第２の光学ゲイン素子（例えば、図１の１２０_３）を備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップは、第１及び第２の光学ゲイン素子における光増幅を用いて光ビームを発生するように構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップは、第１及び第２の光学ゲイン素子の各々がそれぞれの反射光増幅器として動作するように構成されたミラー（例えば、図１の１１２）をさらに備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップは、第１の複数のそれぞれの光導波路のうちの第３のもの（例えば、図１の１２４_１）によって第２の複数の第３の光導波路（例えば、図１及び図３の１２８_１）に光学的に結合された第３の光学ゲイン素子（例えば、図１の１２０_１）をさらに備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第２のフォトニックチップは、第２の複数の第３の光導波路と第３の複数の第１の光導波路との間で接続された第１のフォトニック回路（例えば、図１及び図３の１４０_１）をさらに備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第２のフォトニックチップは、第３の複数の第２の光導波路と第２のフォトニックチップの出力ポート（例えば、図１及び図３の１４２_２）との間で接続された第２のフォトニック回路（例えば、図１及び図３の１４０_２）をさらに備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニック回路は、第３の光学ゲイン素子を含むレーザキャビティの出力ミラーとして動作するように構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップは第１の半導体基板（例えば、図１の１０４）を備え、第２のフォトニックチップは第２の半導体基板（例えば、図１の１０８）を備え、第１の半導体基板の化学的組成は第２の半導体基板の化学的組成とは異なる。

任意の上記装置のある実施形態では、第１の半導体基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体又は合金を備え、第２の半導体基板はシリコンを備える。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップ及び第２のフォトニックチップはフリップ−チップ接合を用いて相互に接合される。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップ及び第２のフォトニックチップはエッジ−エッジチップ接合を用いて相互に接合される。

任意の上記装置のある実施形態では、第２のフォトニックチップの単一の直線エッジ（例えば、図１及び図３の１１４）は、（例えば、図１に示すように）第２の複数の光導波路の各光導波路のそれぞれの終端のその場所に位置し、第２の複数の光導波路は第１のフォトニックチップと第２のフォトニックチップの間のすべての光信号転送を取り扱うように構成される。

任意の上記装置のある実施形態では、第１のフォトニックチップ及び第２のフォトニックチップはフォトニック集積回路の構成部品である。

この開示は代表的な実施形態に対する参照を含むが、この明細書は限定的な意味で解釈されることを目的にしていない。説明した実施形態の種々の変形と、さらに本開示の範囲内の他の実施形態とは、本開示が関連する当業者には明らかであり、本開示の原理及び範囲内にあると見なされる。

特に断りがない限り、各数値及び範囲は、単語「約」又は「およそ」が値又は範囲の前にあるかのように近似していると解釈されるべきである。

この開示の性質を説明するために記載及び図示された構成部品の詳細事項、材料及び配置において種々の変更が、例えば、以下の特許請求の範囲において表現されるように、本開示の範囲から逸脱することなく当業者によってなされ得ることがさらに分かる。

ここで「一実施形態」又は「実施形態」を参照するとは、実施形態と関連して説明される特定の構成、構造又は特徴が開示の少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを意味する。明細書の種々の箇所において文言「一実施形態では」とあるのは、同じ実施形態をすべて参照する必要はなく、分離した実施形態も代替的な実施形態も相互に他の実施形態を排除する必要はない。同様のことが、用語「実施」にもいえる。

詳細な説明全体を通じて、図面は、縮尺通りでなく、単に例示的なものであり、本開示を限定することなく説明するために用いられる。高さ、長さ、幅、上部、底部などの用語の使用によって、実施形態の説明を正確に促し、具体的な配向に対して実施形態を限定する意図はない。例えば、高さは、垂直上向きの制約のみ意味するのではなく、図面に示すような三次元構造体の３つの寸法のうちの１つを識別するのに用いられる。そのような「高さ」は、デバイスのレイヤが水平方向なところでは垂直方向となるが、デバイスのレイヤが垂直方向なところでは水平方向となるなどである。同様にして、図面が水平方向のレイヤとして異なるレイヤを示す場合もあるが、そのような配向は説明的なものにすぎず、限定的に解釈されるべきではない。

またこの説明の目的として、用語「結合する」、「結合している」、「結合された」、「接続する」、「接続している」又は「接続された」は、エネルギーが２以上の素子の間で転送可能であり、１以上の追加的な素子の介在が要件とはされないが考えられる本技術分野で公知の又は今後開発される任意の形態のことをいう。逆に、用語「直接結合された」、「直接接続された」などは、そのような追加的な素子がないことを意味する。

説明した実施形態は、すべて例示にすぎず限定的なものを示していないとみなされる。特に、本開示の範囲は、ここでの説明及び図面によらず添付の請求項によって示される。請求項の解釈及び均等性の範囲内にあるすべての変更が、それらの範囲内に含まれる。

説明及び図面は、本開示の原理を説明するにすぎない。したがって、当業者は、ここで明確に説明も図示もしていないが、本開示の原理を採用しその趣旨及び範囲内に含まれる種々の配置を考案可能であることが分かる。さらに、ここで記載されたすべての例は、本開示の原理及び発明人によって本技術の促進に寄与される概念を読者が理解するのを手助けする教育的目的に対してのみ明示することを主に目的としており、そのように具体的に記載された例及び条件に限定されないものとして解釈される。さらに、本開示の原理、態様及び実施形態と、さらにそれらの具体的な例とを記載するここでのすべての記述は、それらの均等物を含むことを目的にしている。

ここでの任意のブロック図が本開示の原理を採用する代表的な回路素子の概念図を示すことは、当業者には分かるはずである。同様にして、任意のフローチャート、フロー図、状態遷移図、疑似コードなどは、コンピュータ可読媒体において実質的に示され得るのでコンピュータ又はプロセッサによって実行され得る種々の処理を示していることが、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示されるか否かに関わらず、当業者には理解されるはずである。

Claims (10)

1. 第１の複数の光導波路を有する第１のフォトニックチップ、及び
   第２の複数の光導波路及び第３の複数の光導波路を有する第２のフォトニックチップ、
   を備えた装置であって、
   前記第２のフォトニックチップは前記第１のフォトニックチップに接合されて、前記第２の複数の２以上の光導波路を前記第１の複数のそれぞれの光導波路に光学的に結合し、
   前記第２のフォトニックチップが前記第２の複数の第１及び第２の光導波路と、前記第３の複数の第１及び第２の光導波路との間で接続された第１の２×２光カプラを備え、
   前記第１の２×２光カプラが、
   前記第３の複数の前記第１の光導波路から受信した光を第１及び第２の部分に分波し、（ｉ）前記第１の部分を前記第２の複数の前記第１の光導波路に、及び（ｉｉ）前記第２の部分を前記第２の複数の前記第２の光導波路に結合し、
   光ビームの光が実質的に前記第３の複数の前記第１の光導波路に結合されないように、前記第２の複数の前記第１及び第２の光導波路から受信した前記光ビームを前記第３の複数の前記第２の光導波路に結合する、
   ように構成された、
   装置。
2. 前記第１の２×２光カプラは、前記第１の部分及び前記第２の部分がほぼ等しい光パワーを有するように構成された、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の２×２光カプラが、前記光ビームの実質的にすべてのパワーが光パワーを前記第３の複数の前記第２の光導波路に結合されるように、前記第２の複数の前記第１及び第２の導波路から受信した前記光ビームを前記第３の複数の前記第２の光導波路に結合するようにさらに構成された、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の２×２光カプラが、前記第２の複数の前記第１及び第２の光導波路から受信した前記光ビームの間の相対位相シフトを変化させるように構成可能な位相シフタを備え、
   前記位相シフタが、前記光ビームに、前記第３の複数の前記第２の光導波路において強めあうように干渉させるとともに前記第３の複数の前記第１の光導波路において打ち消しあうように干渉させる、
   ように構成された、請求項１に記載の装置。
5. 前記第２のフォトニックチップが、前記第２の複数の第３及び第４の光導波路と、前記第３の複数の第３及び第４の光導波路との間で接続された第２の２×２光カプラをさらに備え、
   前記第２の２×２光カプラが、
   前記第３の複数の前記第３の光導波路から受信した光をそれぞれの第１及び第２の部分に分波し、（ｉ）前記それぞれの第１の部分を前記第２の複数の前記第３の光導波路に、及び（ｉｉ）前記それぞれの第２の部分を前記第２の複数の前記第４の光導波路に結合し、
   それぞれの光ビームの光が実質的に前記第３の複数の前記第３の光導波路に結合されないように、前記第２の複数の前記第３及び第４の光導波路から受信した前記それぞれの光ビームを前記第３の複数の前記第４の光導波路に結合する、
   ように構成された、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１のフォトニックチップが、
   前記第１の複数の前記それぞれの光導波路のうちの第１のものによって前記第２の複数の前記第１の光導波路に光学的に結合された第１の光学ゲイン素子、及び
   前記第１の複数の前記それぞれの光導波路のうちの第２のものによって前記第２の複数の前記第２の光導波路に光学的に結合された第２の光学ゲイン素子、
   を備えた、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１のフォトニックチップが、前記第１及び第２の光学ゲイン素子における光増幅を用いて前記光ビームを生成させるように構成され、
   前記第１のフォトニックチップが、前記第１及び第２の光学ゲイン素子の各々にそれぞれの反射光増幅器として動作させるように構成されたミラーをさらに備えた、
   請求項６に記載の装置。
8. 前記第１のフォトニックチップが、前記第１の複数の前記それぞれの光導波路のうちの第３のものによって、前記第２の複数の第３の光導波路に光学的に結合された第３の光学ゲイン素子をさらに備えた、請求項６に記載の装置。
9. 前記第２のフォトニックチップが、前記第２の複数の前記第３の光導波路と、前記第３の複数の前記第１の光導波路との間で接続された第１のフォトニック回路をさらに備え、
   前記第２のフォトニックチップが、前記第３の複数の前記第２の光導波路と、前記第２のフォトニックチップの出力ポートとの間で接続された第２のフォトニック回路をさらに備えた、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記第１のフォトニックチップが第１の半導体基板を備え、
    前記第２のフォトニックチップが第２の半導体基板を備え、
    前記第１の半導体基板の化学的組成が前記第２の半導体基板の化学的組成とは異なる、
    請求項１に記載の装置。

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