JP2020517996A - 厚い導波路と薄い導波路との間の光回路における光エスカレータ - Google Patents

厚い導波路と薄い導波路との間の光回路における光エスカレータ Download PDF

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Abstract

本発明は、フォトニック回路、特にフォトニックデバイスに結合した光導波路間で光をエスカレート転送するフォトニック回路に関するものである。第１の厚さ及び第１の屈折率を有する第１の導波路(33a)をシリコン基板(34)上に設ける。第１の厚さよりも薄い第２の厚さ及び第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有するテーパー形状の第２の導波路(32)を第１の導波路上に堆積する。フォトニックデバイスを有する光学的に能動的な材料(31)の少なくとも１つの層を第２の導波路に隣接して第１の導波路上に堆積する。フォトニックデバイスがテーパー形状の第２の導波路の幅広端部とインターフェースを形成して光結合を達成させ、テーパー形状の第２の導波路の反対側の幅狭端部が第１の導波路の上面上でインターフェースを形成して第１及び第２の導波路間で断熱光転送を達成させる。

Description

本発明は、フォトニック回路及びその製造に関するものであり、特にフォトニックデバイスに結合された光導波路間で光が転送されるフォトニック回路に関するものである。
光通信システムを継続的に小型化して、従来個別的である多数の光電子デバイスをシリコンベースの集積回路と一体に集積化して高性能の計算を行うためのオンチップの光相互接続を達成するようにしている。特に、シリコンフォトニクスは、ＣＭＯＳ適合材料に基づいてできるだけ多くの光電子機能を集積化して、性能を犠牲にすることなくコストを低減化することを目指している。
光変調器及び光検出器は、フォトニックシステムの主たる基礎的要素である。これらの２種類のデバイスは、互いに極めて異なる機構に基づいて動作するものであり、従って、互いに異なるデバイスジオメトリを用いている。これらは、しばしば、シリコンフォトニクスを用いて集積化するのが困難であり且つ費用がかかる異なる材料から形成する必要がある。光変調器は、LiNbO3 、ゲルマニウム及び化合物半導体ヘテロ構造のような材料における電気光学効果又は電界吸収効果に基づいている。シリコンフォトニクスでは、キャリアの注入又は空乏化により導入する分散効果が、振幅及び位相の双方において集積化光変調を達成するのに用いられる最も一般的な方法である。このようにするには一般的に、数ミリメートルの長さのデバイスが必要であるが、SiGe化合物におけるフランツ‐ケルディッシュ効果に基づいて振幅変調をミクロンサイズのデバイスで達成することもできる。
光リンクの受信端では、光検出器が光子を吸収するとともに光電効果を介して電荷を発生させることにより光を電気信号に戻すように変換する。従って、有効な光検出のためには、光励起されたキャリアの強い吸収及び有効な収集を行うことが望まれる。これらの独特な要件のために、光検出器及び変調器の双方として機能し得るとともに、これらの役割を、外部制御を介して切換えうるデバイスは、今まで１種類の材料で形成されていない。このような簡単であるけれど多機能なデバイスは、実施した場合に、集積化した光学システムをプログラム可能に且つ適応可能に形成しうるのみならず、光電子発振器や、光学的計算及び信号処理の新規な組織のような新規な分野をもたらすこともできる。
グラフェンは、二次元構造をしているために、理想的には、平面的なフォトニックデバイスとの集積化に適しており、これらデバイスの性能は同一平面構造における光学的な相互作用長を長くすることから大いに利益を受ける。グラフェンは、吸収及び分散を含む注目すべき光学的且つ電気的特性を有しているので、例えば、静電ゲーティング又は化学ドーピングにより高性能及び適応可制御性を有するようにした高度に調整可能な光電子デバイスを製造するための多機能の光電子材料として開発されている。このようなデバイスには、光検出器、光変調器、偏光子及び可飽和吸収体が含まれている。グラフェンの光変調器は、（これまでは、電極のＲＣ定数によってのみ制限されていたが）極めて高速な動作及び極めて低いエネルギー消費量を有していることが証明されている。
実際にグラフェンは、例えばデータセンターにおける光スイッチで用いられている他の技術プラットフォームをはるかに超える８００GHzの理論的な変調速度を有する薄い（薄膜）ＳＯＩ導波路上の変調器として機能することが証明されている。解決すべき問題は、グラフェン変調器を厚い（厚膜）ＳＯＩ導波路上に如何に構築及び製造すれば、グラフェンが光学場と相互作用するようになるかにある。
ミクロンスケール（厚さ３μｍ）のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）導波路に基づくフォトニクス回路には、標準のサブミクロン（厚さ２２０nm〜４００nm）のシリコン導波路技術と比べて多くの利点があるが、幾つかの大きな制限もある。すなわち、導波路の寸法が大きいことは、電力消費量が多くなり、更により重要なことに動作速度が遅くなるデバイスを意味するものである。このことが、この厚いプラットフォームの魅力を、高速変調及び検出を必要とする殆どの分野に対する他のプラットフォームと比べて少なくするものである。
上述した問題に対する従来技術の解決策には、回路全体に対しサブミクロンのシリコン導波路を使用することが含まれており、このことには、極めて高価なディープＵＶの製作ツールを必要とすることは言うまでもなく、大きな伝搬損失や、動作が単一偏波となることや、製造誤差に対する許容範囲が悪くなることを含む多くの欠点を伴うものである。サブミクロン幅の導波路を大きなアスペクト比でパターン化することによりデバイスの容積を低減させた厚いＳＯＩ導波路に関して高速デバイスが証明されているが、このデバイスは製造が困難であるとともに、歩留まりに悪影響を及ぼすものである。この提案ではある種類の高速検出器及び変調器のみが証明されているものであり、広帯域の変調器又は位相変調器では証明されていない。
本発明の目的は、マイクロスケールの導波路とサブミクロンの導波路との間にインターフェースを形成し、これらの双方の技術の利点を有効利用することにある。サブミクロンの導波路の利点の１つは、これらの導波路がグラフェン層と極めて良好に相互作用することである。重要な他の利点には、高速のGe検出器及びSiGeフランツ‐ケルディッシュ変調器を製造しうる可能性が含まれる。
又、本発明は、高速の変調及び検出が必要とする場合のみモードサイズをサブミクロンスケールに変更するとともに、その他のミクロンスケールの導波路の利点を維持することにより、ミクロンスケールのＳＯＩプラットフォームをフォトニック回路の実現においてより一層魅力的なものにすることを目的とするものである。
本発明の１つの態様によれば、
‐シリコン基板上の第１の導波路であって、１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する当該第１の導波路と、
‐非晶質シリコンを含むとともに０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有する第２の導波路であって、少なくとも一方向において一端部で小さく反対側の端部で大きい横断面としたテーパー形状を有する当該第２の導波路と、
‐この第２の導波路と光学的にインターフェースを形成するように配置された光学材料の少なくとも１つの層であって、フォトニックデバイスを有する当該少なくとも１つの層と
を具えるフォトニック回路において、
小さい横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の前記端部が前記第１の導波路とインターフェースを形成して、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間で断熱光転送を行うようにし、前記フォトニックデバイスが、大きい横断面を有する前記第２の導波路の前記端部とインターフェースを形成して、前記第２の導波路とこのフォトニックデバイスとの間で光結合を行うようにしたフォトニック回路を提供する。
従って、本発明は、（例えば、Siより成る）厚い最初のＨＩＣ導波路から、上面上に堆積されているとともに、標準のシリコンよりも大きい屈折率を有する低損失の材料、例えば、a-Si:Ｈの合金より成る薄いＨＩＣ導波路に光が移動する光エスカレータの概念に関するものである。この薄い導波路は、その一端部において、異なる材料を以って構成することができるデバイスであって厚いＨＩＣ導波路の上面上に堆積或いは加えられたこのデバイスに結合させる。
最初の（例えば、Siの）導波路及び最終の（例えば、a-Si:Ｈの）導波路に対しては、本発明の概念の内で屈折率範囲及び導波路寸法範囲を種々に特定することができる。
本発明の他の態様によれば、本発明の光検出器のようなフォトニック回路が、
‐シリコン基板上の第１の導波路であって、１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する当該第１の導波路と、
‐この第１の導波路上のエッチング停止層と、
‐前記第１の導波路及び前記エッチング停止層上に堆積され、非晶質シリコンを含むとともに０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有する少なくとも１つの第２の導波路であって、少なくとも一方向において一端部で小さく反対側の端部で大きいテーパー形状の横断面を有する当該少なくとも１つの第２の導波路と、
‐前記少なくとも１つの第２の導波路に隣接するか又は部分的に重なるように前記第１の導波路上に堆積されているとともに光検出器を有するゲルマニウムの層と
を具え、
前記光検出器が大きい横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の前記端部とインターフェースを形成して光結合を行うようにし、小さい横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の反対側の端部が前記第１の導波路の上面上でインターフェースを形成して、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間で断熱光転送を行うようにした。
更に、ある実施態様によれば、独創的な変調器回路が、
‐シリコン基板上の第１の導波路であって、１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する当該第１の導波路と、
‐この第１の導波路上のエッチング停止層と、
‐前記第１の導波路と前記エッチング停止層との上に堆積された２つのグラフェン層と、
‐各グラフェン層上に堆積された誘電体材料の層であって、これらグラフェン層及び誘電体材料の層が変調器を具えるようにした当該誘電体材料の層と、
‐最上部の前記誘電体材料の層上に堆積され、非晶質シリコンを含むとともに０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有する少なくとも１つの第２の導波路であって、少なくとも一方向において一端部で小さく反対側の端部で大きいテーパー形状の横断面を有する当該第２の導波路と
を具える変調器回路において、
前記変調器が前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でインターフェースを形成して前記第２の導波路に対する光結合を達成するとともに、小さい方の横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の前記一端部が前記第１の導波路の上面上にインターフェースを形成して前記第１の導波路と前記第２の導波路との間に断熱光転送を生じるようにすることができる。
独創的な変調器は、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でインターフェースを形成して薄い第２の導波路に対し光結合を達成するようにするとともに、小さい方の横断面を有する薄い導波路のテーパー形状の端部を厚い導波路の上面上でインターフェースを形成して第１の導波路と第２の導波路との間に断熱光転送を生じるようにすることができる。
厚い導波路と薄い導波路との双方は、コアの屈折率が（他の導波路コア及びフォトニックデバイスの材料を除いて）周囲のクラッド材料の屈折率よりも少なくとも１だけ大きい高屈折率コントラスト（ＨＩＣ）の導波路である。厚い導波路は、例えば結晶シリコンから形成しうる。厚い第１の導波路は、薄い第２の導波路の下側において水平方向でパターン化して水平方向で限定された導波路にする。薄い導波路は非晶質シリコンを有する材料から形成しうる。
本発明のある実施態様によれば、第２の導波路を第１の導波路上に堆積してフォトニックデバイスと部分的に重なるようにする。第２の屈折率を有する材料は非晶質シリコンとするか、又はグラフェンのような光学材料と部分的に重なる水素化非晶質シリコンとすることができる。
本発明のある実施態様によれば、第２の導波路を中間導波路として作用させ、この中間導波路を介して第２の導波路の上面上に配置された第３の導波路内に光が結合されるようにする。この場合、光は第２の導波路から、光学デバイスを形成する第３の導波路に断熱的に結合される。この第３の導波路は、例えば、結晶シリコンより成る２００〜５００nmの厚さの層内に、又は第２の導波路の上面上に追加したIII‐Ｖ族化合物の層内に形成することができる。
本発明のある実施態様では、第１の導波路に、第２の導波路と光学材料の前記少なくとも１つの層との双方又は何れか一方を堆積する前にエッチング停止層を被覆する。
本発明のある実施態様では、第１の導波路を結晶シリコンより成る細条導波路とする。本発明のある実施態様では、第２の導波路を非晶質シリコン又は水素化非晶質シリコンから形成する。材料の正確な特性は当然ゲルマニウムのような関連する材料の濃度に依存する。
本発明のある実施態様では、誘電体材料が例えば、酸化アルミニウム、又は窒化シリコン、又は二酸化シリコンを有するようにしうる。エッチング停止層は、シリカ、又は窒化シリコン、又は熱酸化二酸化シリコンSiＯ2 を有するようにすることができ、誘電体材料は、酸化アルミニウム、又は窒化シリコン、又は二酸化シリコンを有するようにする。
本発明のある実施態様によれば、フォトニックデバイスの光学材料が、グラフェン、又はゲルマニウム、又はシリコン‐ゲルマニウム合金の少なくとも１つの層を有するようにしうる。
本発明のある実施態様では、光学材料の前記少なくとも１つの層に対する接触（接点）を誘電体材料の層中のエッチング開口を通して形成し、光導波路上でパターン化した接点端子に対する接触を可能とするようにした。
本発明のある実施態様によれば、薄い第２の導波路をテーパー形状にし、このテーパー形状は前記基板の水平平面においてこのテーパー形状の導波路の一端部で小さく反対側の端部で大きい横断面を有するようにした。本発明の他の実施態様では、第２の導波路をテーパー形状にし、このテーパー形状は前記基板の垂直平面においてこのテーパー形状の導波路の一端部で小さく反対側の端部で大きい横断面を有するようにした。横断面が一端部で小さく反対側の端部で大きくなっている限り、本発明はテーパー形状のみに限定されないこと明らかである。
本発明によれば多くの利点が得られるものである。検出器の場合、３μｍの厚さのＳＯＩ上に検出器を製造するのに通常必要とする３μｍの厚いGe層ではなく、薄いGe層を必要とするものである。このようにすることにより、検出器の容積を小さくできるとともに、垂直方向の接触キャパシタンスを小さくして高速デバイスへの道を開くようにすることができる。又、エッチングしたシリコン上に成長された３μｍの厚いゲルマニウム層とは相違して、本発明ではエッチングしていない高品質のシリコン表面上にGeを成長させることができ、これにより感度及び暗電流に関して好ましい影響を及ぼして材料の品質をより一層高めることができる。更に、デバイスに対する接点は厚いシリコンの平坦な表面上に直接注入形成することができる。同様に、適切なバンドギャップを有するSiGe合金の薄い層を堆積させて、マイクロスケールのシリコンプラットフォーム内に現存のデバイスよりも小さい容積を有する高速のフランツ‐ケルディッシュ変調器を実現するようにすることができる。適切な誘電体絶縁層を用いることにより、グラフェンのような２Ｄ材料を非晶質シリコン導波路及び結晶シリコン導波路間に容易に集積化及び挟むようにすることができる。
本発明により構成したフォトニック回路は、厚いＳＯＩ導波路に基づく現在の変調器よりも著しく高速である。
本発明の技術は、薄い導波路及び厚い導波路をモノリシック集積化するのに、すなわち厚い導波路及び薄い導波路を同じ製造処理内で製造する可能性において用い且つ適用して、双方の種類の導波路の利点を有するプラットフォームを利用しうるようにすることができる。集積光学は、電気通信のデータセンターにおける高速光スイッチング用の集積化した光変調器及び光検出器からガス検知までの、且つ医学画像からＬＩＤＡＲシステムまでの可能な分野の多量なリストに対する実現可能な技術である。
[定義]
ＳＯＩ…シリコンオンインシュレータ
a-Si…非晶質シリコン
a-Si:Ｈ…水素化非晶質シリコン
poly-Si…多結晶シリコン
a-SiGe:Ｈ…水素化非晶質シリコン‐ゲルマニウム
SiGe…シリコン‐ゲルマニウム合金
フランツ‐ケルディッシュ変調器…フランツ‐ケルディッシュ効果、すなわち加えた電界により生ぜしめられる吸収スペクトルの変化がバンドギャップエネルギーを変化させる効果に基づいて電圧を介してレーザ光の強度を制御する電界吸収型変調器
光学材料…例えば、グラフェン、又はゲルマニウム、又はシリコン‐ゲルマニウム合金より成り、光学的に能動的としうる、すなわち可制御フォトニックデバイス、すなわち変調器を形成しうる材料
厚い導波路…１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する導波路。この導波路は、例えば結晶シリコン、又はリン化インジウム、又はヒ化ガリウム、又は一方向からの入力光を受けるとともにこの光を他の方向で光導波路に供給しうる任意の高屈折率の透明材料から構成しうる。この材料はそれ自体が導波路となるように設計しうる。
薄い導波路…０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有する導波路。この導波路は非晶質シリコン又は水素化非晶質シリコンから構成されている。
図１は、断熱光転送の現象を示す説明図である。 図２は、本発明の例示的な導波路における光変換を示す側面図及び上面図である。 図３Ａは、本発明の一実施例によるフォトニックデバイスを示す側面図である。図３Ｂは、図３Ａの本発明の一実施例によるフォトニックデバイスを示す上面図である。 図４Ａは、本発明の他の実施例によるフォトニックデバイスを示す側面図である。図４Ｂは、図４Ａの本発明の他の実施例によるフォトニックデバイスを示す上面図である。 図５Ａは、本発明の更に他の実施例によるフォトニックデバイスを示す側面図である。図５Ｂは、図５Ａの本発明の更に他の実施例によるフォトニックデバイスを示す上面図である。 図６Ａは、シリカの底部クラッドを有する高屈折率コントラストの導波路を具える本発明の実施例を示す側面図である。図６Ｂは、シリカの底部クラッドを有する高屈折率コントラストの導波路を具える図６Ａの本発明の実施例を示す上面図である。 図７Ａは、シリカの底部クラッドを有する高屈折率コントラストの導波路を具える本発明の他の実施例を示す側面図である。図７Ｂは、シリカの底部クラッドを有する高屈折率コントラストの導波路を具える図７Ａの本発明の他の実施例を示す上面図である。 図８は、図７Ａ又は図７Ｂのような１つの本発明のデバイスを通る光ビームの経路を示す説明図である。
図１は、断熱光転送の現象を示している。この図１には、円形に湾曲された２つの最外側導波路Ｌ及びＲと、直線状の１つの中央導波路Ｃとより成る３つの導波路のシステムの線図的上面図を示している。これらの導波路間の最小距離はｘ0 で表し、湾曲導波路の中心間のｚ方向距離はδで規定してある。可能な最外側導波路Ｌ及びＲの曲率半径は３．５ｍにでき、空間遅延は例えばδ＝４２００μｍにでき、導波路間の最小間隔は例えばｘ0 ＝７μｍにできる。
図２は、本発明の例示的な導波路の側面図及び上面図を示しており、この場合、光が如何にして、結晶シリコンより成る下側の厚いシリコン導波路２０から上側の、テーパー構造（２２）の且つ結晶シリコンの屈折率よりも大きい屈折率を有する薄い水素化非晶質シリコン（a-Si:Ｈ）導波路２１まで転送されるかをシミュレーションにより示している。図２の左側の断面図“ａ”は導波路の左端における光分布を示し、右端の断面図“ｂ”は導波路の右端における光分布を示している。
図３Ａ及び３Ｂは、結晶シリコンの屈折率よりも大きい屈折率を有する水素化非晶質シリコン（a-Si:Ｈ）導波路３２より成る薄いサブミクロン（例えば、ｔ2 ＝約５００nm厚）の低損失導波路を有する本発明のフォトニックデバイスを示している。この導波路３２は、例えばシリカ又は窒化シリコンより成る極めて薄い（例えば、約１０nmの）エッチング停止層３５を被覆しうる厚いSi細条導波路３３ａの上面上に堆積されている。図３Ｂに示すように、a-Si:Ｈ導波路３２はテーパー幅Ｗ２を以って導波路にエッチング形成され、厚いSi導波路３３ａから、主としてSi導波路部分３３ａの上面上に位置する薄いa-Si導波路３２まで光を断熱的に転送するようにしてある。底部層３４は導波路に対するシリコン基板の絶縁部分であり、この場合ＳＯＩの埋設酸化物（ＢＯＸ）層である。このＢＯＸ層３４は、このＢＯＸ層の下側に位置する高屈折率のシリコン基板(図示せず)から導波路を光学的に分離する厚さ及び低屈折率を有している。
Ｗ３の幅を有するテーパー構造のa-Si導波路３２の幅広端部は、この導波路３２と同じ高さで堆積され且つ同等のサブミクロン厚さｔ2 を有するフォトニック能動デバイス３１を有する光学材料に突き合わせ結合されている。結合部及びデバイス３１は図３Ｂにも示してある。デバイス３１は、このデバイス３１に対するシリコン基板及び底部クラッド３３ｂを形成するSi層３３上に位置させることができる。
ある実施例では、デバイス３１を、導波路３２と全く同じ、例えば位相変調用のpn注入した導波路と全く同じ非晶質シリコン材料から形成することができる。本発明の他の実施例では、このデバイスを、例えばグラフェンのような２次元（２Ｄ）材料の上面上に成長させた導波路とすることができる。他の実施例では、材料をゲルマニウム（Ge）のような高屈折率とすることができ、この場合デバイスを例えば検出器として、又は例えばフランツ‐ケルディッシュ変調器におけるSiGe合金として用いることができる。
シリコン基板３４の水平平面における導波路の形状をテーパー形状とした結果として幅Ｗ２及びＷ３を互いに異ならせることは薄い導波路３２の横断面を増大させる唯一の方法ではない。或いはまた、形状は垂直平面においてテーパー形状にすることができる。有するべき導波路の重要な特徴は、光が導波路に入る領域の容積を小さくし、出口の領域を大きくすることである。導波路の形状は種々の設計基準に応じて選択することができ、この形状は直線状及び平面状の双方又は何れか一方にする必要はなく、すなわち図示のようにテーパー形状にする必要はない。或いはまた、導波路の横断面を一定に保って、導波路内の屈折率が変化するように、すなわち屈折率勾配を有するようにして、同様な断熱的光転送が達成されるようにしうる。導波路の横断面の変化と屈折率の変化との組合せを用いることもできること明らかである。光をある導波路から他の導波路に効率的に転送させる一般的な基準は、厚い導波路のモードの実効屈折率（ｎeff1）が第２の導波路の実効屈折率（ｎeff2）よりも著しく大きな状態から、これとは逆となる状態（ｎeff2＞ｎeff1）に断熱的に変化することである。このことは、（実効屈折率を小さくすることに対応して導波路を小さくする）導波路のジオメトリと、材料の屈折率との双方又は何れか一方に対し対処することにより達成しうる。
デバイスは、このデバイスの種類に応じて、図４Ａ及び４Ｂに示すように、例えば変調のために第２のa-Siテーパー構造を介して他のシリコン導波路４３にバック結合させるか、又は例えばGe検出器のために図３Ａ及び３Ｂにおける状態のまま終了させることができる。高屈折率の層３２は、水素化非晶質シリコン（a-Si:Ｈ）を以って、又はシリコンの屈折率よりも大きい屈折率を有する任意の透明材料、例えばSiGe合金を以って構成することができる。
図４Ａ及び４Ｂには、図３Ａ及び３Ｂにおけるのと同様であるが両端デバイスとした本発明のフォトニックデバイス４０を示しており、このデバイス４０は、フォトニック能動デバイス４１を有する光学活性材料のそれぞれの側に薄い二重テーパー導波路４２ａ及び４２ｂを有しており、これらは全てシリコン導波路４３ａ及びエッチング停止層４５上に堆積されている。デバイス４１は、図３Ａ及び３Ｂにおけるように、このデバイス４１に対するシリコン基板及び底部クラッド４３ｂを形成する一般的な厚さのSi基板４３の延長部上に位置させる。ＢＯＸ層４４をも示してある。
図５Ａ及び５Ｂには、フォトニック回路５０が、例えばグラフェンのような光学的２Ｄ材料の層５１を有するようにした本発明の実施例を示しており、これらの層５１は介在する誘電体層５５及び５６とともに光学的に能動的なフォトニックデバイスを構成している。この実施例では、サブミクロンの水素化非晶質シリコン（a-Si:Ｈ）導波路層は、３部分５３ａ〜５３ｃを有する厚いSi細条導波路５３の上面上に堆積された３つの導波路部分５２ａ〜５２ｃにより構成されている。２つの薄い導波路部分５２ａ及び５２ｂは、図４Ａ及び４Ｂと関連して説明したように、テーパー形状となっており、厚いシリコン導波路５３ａ及び５３ｂ上に堆積されている。第３の中央の薄い導波路部分５２ｃは、フォトニック能動デバイス５１、５６及びシリコンクラッド導波路部分５３ｃの上面上で正方形として形成されている。
図５Ａ及び５Ｂに示す構成の有利な特徴は、例えば非晶質シリコンより成る層５２ａ〜５２ｃを堆積する前に光学的に能動的なフォトニックデバイスをシリコン導波路５３ａ〜５３ｃ上に堆積しうるということである。従って、光学デバイス５１、５６が光学モード内に埋め込まれるようになり、これにより、モードグラフェンが主に光学モードのエバネッセントテールと又はこれとのみと相互作用する標準的な手法（図３Ａ及び４Ａ参照）と比べて上部の導波路５２ａ〜５２ｃを容易に且つ大きく重ねるようにしうる。
図５Ａは、例えば、グラフェンの二重層５１を如何にして、例えばSiＯ2 、Si3 Ｎ4 又はAl2 Ｏ3 より成る３つの誘電体薄膜５５及び５６間に挟んで薄い導波路５２ｃ内に埋め込みうるかを示している。非晶質シリコンと結晶シリコンとの間の屈折率コントラストは比較的低い為に、グラフェンの二重層との重なりを大きくしうる。
ある実施例では、図５Ｂに最も良好に示すように、如何なるフォトニックデバイスをも全体的に又は部分的に重ならせるように、導波路５２ａ〜５２ｃを厚い導波路部分５３ｃ上に堆積させることができ、このフォトニックデバイスは上述したように層状構造を有するようにしうる。ＢＯＸ層５４をも示してある（上述した説明を参照されたい）。
ある実施例で、例えば、ミクロンスケールの屈曲半径とした屈曲を用いて、フリースペクトルレンジをできるだけ大きくしたマイクロリング共振器を構成する場合には、非晶質シリコンと結晶シリコンとの間の屈折率コントラストを大きくすることが望まれる。図６Ａ及び６Ｂは、Si基板６３の厚いシリコン導波路６３ａ及びクラッド延長部６３ｂ上にそれぞれ位置する高屈折率コントラストの薄い導波路６１、６２を有する本発明のフォトニックデバイス６０を示している。
導波路６１は、シリコンを選択的にエッチング除去してこれをシリカ６７に代えることによりクラッド６３ｂ内に形成したシリカの底部クラッド６７を有している。この領域では、サブミクロンの導波路６１がシリカクラッドの上面上に直接堆積し、これが急に曲げるのに適した高屈折率コントラストの導波路につながるようになる。
更に考察するに、図７Ａ及び７Ｂに示すように、シリカの底部クラッド７７を有する薄い非晶質シリコン導波路７２ａ〜７２ｃの上面上で本発明のフォトニック回路７０上に直接固着させたサブミクロンのシリコン層を有するＳＯＩ上に形成したフォトニック回路７８内に光を結合させることができる。この方式では、２つの異なるデバイスプラットフォームを、逆向きのテーパーの適切な組合せを介してマーク領域７１に且つその周りに結合させることができる。従って、厚いＳＯＩ導波路７３ａを有するデバイスと、標準のサブミクロンのシリコン導波路技術に基づくデバイス７８との間で光を往復結合させることができる。シリコン基板及びクラッド部分７３ｂや、ＢＯＸ層７４も示してある。
図８には、図７Ａ及び７Ｂにおけるデバイスのような本発明のデバイス８０に入る光ビーム８５を示している。この光ビーム８５は厚いＳＯＩ導波路８３ａの一端に矢印Ａで示すように入る。図２に関して説明したように、光は厚い導波路８３ａから薄い導波路８２ｃへ断熱転送によりエスカレートする。その理由は、薄い導波路８２ｃの有効屈折率は、充分広いと、断熱光転送を生じる程度に充分大きくなる為である。光ビーム８５は、図７Ｂにおける領域７１に対応する領域８１におけるフォトニック回路８８に再びエスカレートするまで導波路８２ｃ〜８２ａ内を進行する。図７Ｂにおけるように、シリコン基板及びクラッド部分８３ｂや、ＢＯＸ層８４も示してある。
フォトニック回路から導波路へ向かう逆方向では、サブミクロンの導波路への光結合により、更により一層厚いミクロンスケールのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）導波路への断熱転送により、変調された又はその他の処理が行われた光をフォトニック回路から導出させることができる。
本明細書に開示した本発明の実施例は、本明細書に開示した特定の構造、処理ステップ又は材料に限定されるものではなく、当該技術分野における当業者により認識されるようにこれらの特定のものの等価のものに拡張されることを理解すべきである。更に、本明細書で採用した専門用語は特定の実施例を説明する目的のみで用いたものであり、このためのみに限定されるものではないことを理解すべきである。
“一実施例”又は“実施例”に対する本明細書全体に亘る言及は、実施例と関連して説明した特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも一実施例に含まれていることを意味しているものである。従って、本明細書全体に亘る種々の個所における語句“一実施例における”又は“実施例における”を記載していることは必ずしも全てが同じ実施例を言及しているものではない。
本発明で用いるものとして、複数のアイテム、構造要素、構成要素、材料の何れか又はこれらの任意の組合せを便宜上共通のリストに表すことができる。しかし、これらのリストは、あたかもリストの各要素が個別的に別々の独特な要素として構成する必要がある。従って、このようなリストの個々の要素は、逆であるとの指示なしに共通のグループにおけるこれらの提示のみに基づいて同じリストの如何なる他の要素とも事実上の等価要素として構成すべきではない。更に、本発明の種々の実施例及び例示は、本明細書においてその種々の構成要素に対する代替案とともに言及することができる。このような実施例、例示及び代替案は、相互の事実上の代替案として構成すべきではなく、本発明の個別の自立的な表現として見なすべきであることを理解されたい。
更に、上述した特徴、構造又は特性は１つ以上の実施例において適切な任意の方法で組合せることができる。本発明の説明では、本発明の実施例を十分に理解するために種々の特定な細部を提供した。しかし、１つ以上の特定な細部無しに、又は他の方法、構成要素、材料等を用いて本発明を実施しうることを、当業者は認識するであろう。他の場合には、本発明の態様を不明瞭にすることを回避するために、周知の構造、材料又は動作を詳細に示すのを又は説明するのを行っていない。
前述した例は１つ以上の特定の分野における本発明の原理を表すものであり、形式、用法及び実施の詳細における種々の変更を、発明力を発揮することなく且つ本発明の原理及び概念から逸脱することなく、達成しうることは、当業者にとって明らかである。従って、本発明は、以下に記載する本発明の特許請求の範囲による場合を除いて制限されることを意図するものではない。

Claims (22)

  1. ‐シリコン基板上の、１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する第１の導波路と、
    ‐非晶質シリコンを含むとともに０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有し、少なくとも一方向において一端部で小さく反対側の端部で大きい横断面とするテーパー形状を有する第２の導波路と、
    ‐光学材料から成り、前記第２の導波路と光学的にインターフェースを形成するように配置され、フォトニックデバイスを有する少なくとも１つの層と
    を具えるフォトニック回路において、
    小さい横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の前記一端部が、前記第１の導波路とインターフェースを形成して、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間で断熱光転送を行うようにし、
    前記フォトニックデバイスが、大きい横断面を有する前記第２の導波路の前記反対側の端部とインターフェースを形成して、前記第２の導波路と前記フォトニックデバイスとの間で光結合を行う、フォトニック回路。
  2. 請求項１に記載のフォトニック回路において、少なくとも１つの前記第２の導波路が前記第１の導波路上に堆積されているフォトニック回路。
  3. 請求項１又は２に記載のフォトニック回路において、少なくとも１つの前記第２の導波路が少なくとも部分的に前記フォトニックデバイスと重なっているフォトニック回路。
  4. 請求項１に記載のフォトニック回路において、前記フォトニックデバイスが、
    ‐前記第１の導波路上に堆積される光学材料の少なくとも１つの層と、
    ‐前記光学材料の各層上に堆積される誘電体材料の層と、
    ‐最上側の前記誘電体材料の層上に部分的に堆積されるとともに前記第１の導波路上に部分的に堆積される前記第２の導波路と
    を具えており、
    前記フォトニックデバイスが前記第２の導波路とインターフェースを形成して、前記大きい横断面を有する前記第２の導波路の前記反対側の端部で光結合を達成するようにするとともに、前記第２の導波路が前記第１の導波路とインターフェースを形成して、光導波路の小さい横断面の前記一端部で前記第１の導波路と前記第２の導波路との間に断熱光転送を達成するようにしたフォトニック回路。
  5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のフォトニック回路において、前記フォトニック回路が、前記第１の導波路と、前記第２の導波路及び／又は前記光学材料の前記少なくとも１つの層との間にエッチング停止層を具えているフォトニック回路。
  6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のフォトニック回路において、前記第１の導波路が結晶シリコンより成る細条導波路であるフォトニック回路。
  7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のフォトニック回路において、前記第２の導波路が非晶質シリコン又は水素化非晶質シリコンより成る導波路であるフォトニック回路。
  8. 請求項１〜７の何れか一項に記載のフォトニック回路において、エッチング停止層が、シリカ又は窒化シリコン又は熱酸化二酸化シリコンSiO2 を有しているようにしたフォトニック回路。
  9. 請求項１〜８の何れか一項に記載のフォトニック回路において、前記光学材料がグラフェン又はゲルマニウム又はシリコン‐ゲルマニウム合金の少なくとも１つの層を有しているようにしたフォトニック回路。
  10. 請求項４〜９の何れか一項に記載のフォトニック回路において、誘電体材料の層に開口をエッチング形成して、前記第２の導波路上にパターン化された接点端子から前記光学材料の少なくとも１つの層に電気接触させているフォトニック回路。
  11. 請求項４〜１０の何れか一項に記載のフォトニック回路において、誘電体材料が酸化アルミニウム、窒化シリコン又は二酸化シリコンを含む、フォトニック回路。
  12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載のフォトニック回路において、前記第２の導波路を前記基板の水平平面においてテーパー形状にして、その一端部で小さく反対側の端部で大きい横断面を形成するようにしたフォトニック回路。
  13. 請求項１〜１１の何れか一項に記載のフォトニック回路において、前記第２の導波路を前記基板の垂直平面においてテーパー形状にして、その一端部で小さく反対側の端部で大きい横断面を形成するようにしたフォトニック回路。
  14. ‐シリコン基板上の、１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する第１の導波路と、
    ‐前記第１の導波路上のエッチング停止層と、
    ‐前記第１の導波路及び前記エッチング停止層の上に堆積され、非晶質シリコンを含むとともに０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有し、少なくとも一方向において一端部で小さく反対側の端部で大きいテーパー形状の横断面を有する少なくとも１つの第２の導波路と、
    ‐少なくとも１つの前記第２の導波路に隣接するか又は部分的に重なるように前記第１の導波路上に堆積されるとともに光検出器を有するゲルマニウムの層と
    を具える光検出器回路において、
    前記光検出器が大きい横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の端部とインターフェースを形成して光結合を達成するとともに、小さい横断面を有する前記テーパー形状の第２の導波路の反対側の端部が、前記第１の導波路の上面上でインターフェースを形成して、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間に断熱光転送を生じる、光検出器回路。
  15. 請求項１４に記載の光検出器回路において、前記第１の導波路が結晶シリコンより成る細条導波路である光検出器回路。
  16. 請求項１４又は１５に記載の光検出器回路において、前記第２の導波路が非晶質シリコン又は水素化非晶質シリコンより成る導波路である光検出器回路。
  17. 請求項１４〜１６の何れか一項に記載の光検出器回路において、前記エッチング停止層がシリカ又は窒化シリコン又は熱酸化二酸化シリコンSiO2 を含む、光検出器回路。
  18. ‐シリコン基板上に存在し、１〜１２μｍの厚さ及び３〜３．５の屈折率を有する第１の導波路と、
    ‐前記第１の導波路上のエッチング停止層と、
    ‐前記第１の導波路及び前記エッチング停止層の上に堆積される２つのグラフェン層と、
    ‐各グラフェン層上に堆積される誘電体材料の層と、
    ‐最上部の前記誘電体材料の層上に堆積され、非晶質シリコンを含むとともに０．１〜１μｍの厚さ及び３．１〜４の屈折率を有し、少なくとも一方向において一端部で小さく反対側の端部で大きいテーパー形状の横断面を有する少なくとも１つの第２の導波路と
    を具える変調器回路において、
    前記グラフェン層及び誘電体材料層が変調器を具え、
    前記変調器が前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でインターフェースを形成して前記第２の導波路に対する光結合を達成するとともに、小さい方の横断面を有するテーパー形状の前記第２の導波路の前記一端部が、前記第１の導波路の上面上にインターフェースを形成して前記第１の導波路と前記第２の導波路との間に断熱光転送を生じる、変調器回路。
  19. 請求項１８に記載の変調器回路において、前記第１の導波路が結晶シリコンより成る細条導波路である変調器回路。
  20. 請求項１８又は１９に記載の変調器回路において、前記第２の導波路が非晶質シリコン又は水素化非晶質シリコンより成る導波路である変調器回路。
  21. 請求項１８〜２０の何れか一項に記載の変調器回路において、前記エッチング停止層がシリカ又は窒化シリコン又は熱酸化二酸化シリコンSiO2 を含む、変調器回路。
  22. 請求項１８〜２１の何れか一項に記載の変調器回路において、前記誘電体材料が酸化アルミニウム、窒化シリコン又は二酸化シリコンを含む、変調器回路。
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