JP2021507290A - グレーティングカプラシステム及び一体型グレーティングカプラシステム - Google Patents

Abstract

チップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有するグレーティングカプラは、第１の端部から光ビームを受信し、第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成された基板であって、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、基板上に配置された湾曲回折格子線を有する回折格子構造部であって、回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、湾曲回折格子線は、線幅ｗ及び高さｄを有するとともに、ピッチΛによって配置されており、第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも小さい、回折格子構造部と、回折格子構造部を被覆するように構成されたクラッド層であって、第３の屈折率ｎ３を有する、クラッド層とを備える。

Description

本発明は、包括的には、フォトニック集積回路（ＰＩＣ：photonic integrated circuits）とも呼ばれる光学チップのためのグレーティングカプラに関し、より詳細には、１つの能動チップ及び１つの受動光学チップを接続するグレーティングカプラシステムに関する。

ターゲットアプリケーションは、ＩｎＰ導波路を含むチップ等の能動光学チップと、シリコン及び／又は窒化シリコン導波路を含むチップ等の受動チップとのハイブリッドな一体化である。期待される特性は、位置合わせ不良に対する広い許容誤差、ボンディング加工の容易性、及び高い結合効率である。

シリコンフォトニクスには、多くの利点があり、製造コストが最重要因子である。さらに、シリコン導波路と、これを囲む二酸化ケイ素層との間の高い屈折率差は、低損失を可能にする急峻な屈曲を提供し、より高い密度及び複雑度のＰＩＣをもたらす。窒化シリコン導波路は、より低い光学的損失特性を有し、同様に低コストで製造することができる。一方、シリコンフォトニクスには、直接電流注入を用いる高信頼度の光学的ゲイン又は放射能力はない。したがって、能動ＰＩＣ（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、又はＧａＮ系ＰＩＣ）を、受動シリコンフォトニクスＰＩＣとハイブリッドで一体化することは、低コスト、フル機能性、及び高密度のＰＩＣを達成するために非常に重要になる。

しかしながら、精密に２つの導波路を光学的に接続するには、狭い導波路及びひいては両側における高速発散ビームが理由で、典型的にはサブミクロン精度での精密な位置合わせが要求される。

より広い許容誤差、高い結合効率を有するように２つの光学チップを接続することが必要とされている。

本開示のいくつかの実施形態は、光学チップからの受動導波路上の長い周期の回折格子が、基板側に向けて浅い角度の放射を生成し、この放射は、チップファセット（第２の端部）においてより急峻な角度をなして回折され、グレーティングカプラを通じて受動光学チップに結合されるという認識に基づいている。

いくつかの実施形態によれば、新規のグレーティングカプラシステムは、チップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有するグレーティングカプラであって、第１の端部から光ビームを受信し、第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成され、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、基板上に配置された回折格子線を有する回折格子構造部であって、回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、回折格子線は、線幅ｗ及び高さｄを有するとともに、ピッチΛによって配置されており、第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも大きい、回折格子構造部と、回折格子構造部を被覆するように構成されたクラッド層であって、クラッド層は、第３の屈折率ｎ３を有し、第３の屈折率ｎ３は、第２の屈折率ｎ２よりも小さく、クラッド層は、回折格子構造部から回折された光ビームを、クラッド層の下に向けて反射するように配置される、クラッド層とを備える、グレーティングカプラによって実現される。

さらに、本発明の別の実施形態は、一体型グレーティングカプラシステムは、第１のチップ上に形成されたグレーティングカプラであって、グレーティングカプラは、第２のチップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有し、グレーティングカプラは、第１の端部から光ビームを受信し、第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成され、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、基板上に配置された回折格子線を有する回折格子構造部であって、回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、回折格子線は、線幅ｗ及び高さｄを有するとともに、ピッチΛによって配置されており、第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも大きい、回折格子構造部と、回折格子構造部を被覆するように構成されたクラッド層であって、クラッド層は、第３の屈折率ｎ３を有し、第３の屈折率ｎ３は、第２の屈折率ｎ２よりも小さい、クラッド層とを備える、グレーティングカプラと、グレーティングカプラの第１の端部に、直接又は導波路を通じて接続されたゲイン領域であって、レーザ構造部は、グレーティングカプラの基板と同一の基板と、第１の厚さｄ１を有する活性層であって、活性層は、基板上に配置され、活性層は、グレーティングカプラの回折格子構造部に接続される、活性層と、活性層上に配置されたクラッド層であって、第２の厚さｄ２を有するクラッド層は、グレーティングカプラのクラッド層に接続される、クラッド層とを備える、ゲイン領域とを備えるという認識に基づいている。

またさらに、本発明の別の実施形態によれば、一体型グレーティングカプラシステムは、第１のチップ上に形成されたグレーティングカプラであって、グレーティングカプラは、第２のチップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有し、グレーティングカプラは、第１の端部から光ビームを受信し、第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成され、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、基板上に配置された回折格子線を有する回折格子構造部であって、回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、回折格子線は、第１の線幅ｗ１及び第１の高さｄ１を有するとともに、第１のピッチΛ１によって配置されており、第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも大きい、回折格子構造部と、回折格子構造部を被覆するクラッド層であって、クラッド層は、第３の屈折率ｎ３を有し、第３の屈折率ｎ３は、第２の屈折率ｎ２よりも小さい、クラッド層とを備える、グレーティングカプラと、グレーティングカプラの第１の端部に接続されたレーザ構造部であって、レーザ構造部は、グレーティングカプラの基板と同一の基板と、グレーティングカプラに光ビームを放射する活性層であって、活性層は、第１の厚さｄ１及び第５の屈折率ｎ５を有し、活性層は、第２の基板上に配置され、活性層は、グレーティングカプラの回折格子構造部に接続される、活性層と、活性層上に配置されたレーザクラッド層であって、第２の厚さｄ２及び第６の屈折率ｎ６を有するレーザクラッド層は、グレーティングカプラのクラッド層に接続される、レーザクラッド層と、レーザ構造部を通じて電圧を印加する第１の電極及び第２の電極とを備える、レーザ構造部と、グレーティングカプラ及びレーザ構造部に搭載された導波路デバイスであって、導波路デバイスは、グレーティングカプラ及びレーザ構造部の底部に接続された第１のクラッド層であって、第１のクラッド層は、第７の屈折率ｎ７を有する、第１のクラッド層と、第２の回折格子構造部を有する導波路構造部であって、第２の回折格子構造部は、グレーティングカプラから導波路構造部にレーザビームを結合するように、導波路構造部の一部に配置された第２の回折格子線を備え、導波路構造部は、第８の屈折率ｎ８を有し、回折格子線は、第２の線幅ｗ２及び第２の高さｄ２を有するとともに、第２のピッチΛ２によって配置されており、第８の屈折率ｎ８は、第７の屈折率ｎ７よりも大きい、導波路構造部と、導波路構造部に接続された導波路基板であって、導波路基板は、第９の屈折率ｎ９を有し、第９の屈折率ｎ９は、第８の屈折率ｎ８よりも小さい、導波路基板とを備える、導波路デバイスとを備える。

ここに開示されている実施形態は、添付図面を参照して更に説明される。示されている図面は、必ずしも一律の縮尺というわけではなく、その代わり、一般的に、ここに開示されている実施形態の原理を示すことに強調が置かれている。

本発明による一体型グレーティングカプラシステムの断面図である。 ２つの角度θ及びθ_ａの定義を示す図である。 導波路実効屈折率と回折光角度との間の関係について計算した結果を示す図である。 波長について、シミュレーションした２つの光学チップ間の結合効率を示す図である。 異なるシリコン回折格子長（位置）を用いてシミュレーションした結合効率を示す図である。 サブ回折格子を含む本発明を示す図である。 サブ回折格子がない従来の回折格子を示す図である。 サブ回折格子がある場合及びサブ回折格子がない場合においてシミュレーションした結合効率を示す図である。 双方のエッジが傾斜した回折格子形状を示す図である。 傾斜エッジが片側にある回折格子形状を示す図である。 片側にサブ回折格子がある回折格子を示す図である。 変動する幅及び／又は間隔を有するサブ回折格子がある回折格子を示す図である。 クラッド層上に任意選択的な誘電体膜を有する、導波路層に直接エッチングされた回折格子の断面図である。 導波路層の上の回折格子の断面図である。 導波路層上に直接書き込まれた回折格子と、この回折格子を被覆するガイド（離隔閉じ込め）層との断面図である。 導波路層の離隔セグメントから作製された回折格子の断面図である。 離隔閉じ込め層に埋め込まれた導波路層の離隔セグメントから作製された回折格子の断面図である。 ファセット上に反射防止誘電体膜の複数の層を有する回折格子の断面図である。 コーティングが塗布されない場合、１層コーティング（Ｓｉ_３Ｎ_４）が塗布される場合、及び２層コーティング（Ｓｉ_３Ｎ_４膜及びＳｉＯ_２膜）が塗布される場合においてシミュレーションした、入射角度およびファセット反射率の関係を示す図である。 回折格子線が湾曲した、グレーティングカプラシステムの断面図である。 回折格子線が湾曲した、図８Ａのグレーティングカプラシステムの上面図を示している。θ_１及びθ_２は、それぞれ第１のチップ及び第２のチップの場合の同心回折格子線の角度である。 直線回折格子がテーパー付き導波路と通じて導波路に接続される、グレーティングカプラシステムの断面図である。 図９Ａのグレーティングカプラシステムの上面図である。 ゲインセクション、又はレーザセクション（ＤＦＢ又はＤＢＲレーザ）が第１の端部に取り付けられる、グレーティングカプラシステムの断面図である。 図１０Ａのグレーティングカプラシステムの上面図である。 グレーティングカプラ及び波長選択反射器を有する第２の光学チップ上に取り付けられた、活性セクション及び波長選択反射器と一体化されたグレーティングカプラを有する光学チップを用いて、調節可能レーザとして構成されたグレーティングカプラシステムの断面図である。 図１１Ａのグレーティングカプラシステムの上面図である。

以下の説明では、実施形態の十分な理解を提供するために、具体的な詳細が与えられる。しかしながら、当業者は、これらの具体的な詳細がなくても実施形態を実施することができることを理解することができる。例えば、開示される主題におけるシステム、プロセス、及び他の要素は、実施形態を不必要な詳細で不明瞭にしないように、ブロック図形式の構成要素として示される場合がある。それ以外の場合において、よく知られたプロセス、構造、及び技法は、実施形態を不明瞭にしないように不必要な詳細なしで示される場合がある。さらに、様々な図面における同様の参照符号及び名称は、同様の要素を示す。

さらに、開示される主題の実施形態は、以下で説明される構造の少なくとも一部、又はこれらの構造の部分の組み合わせを用いて実施することができる。

（本開示の実施形態の概略）
２つの光学チップ間の光学結合は、ハイブリッドＰＩＣの最も重要な部分を構成する。位置合わせの容易性及び高い結合効率は、非常に重要な因子である。グレーティングカプラは、これらの能力を提供する。

この構成のために高結合効率を達成することにおいて複数の因子がある。

図１は、本発明による一体型グレーティングカプラシステム１００の断面図を示している。第１の光学チップ（第１のチップ）１０５は、ＩｎＰ基板１１０上に作製され、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１３０、ＩｎＰクラッド層１２０、及び第１の回折格子１４０を含む。第２の光学チップ（第２のチップ）１４５は、シリコン基板１５０、埋め込みＳｉＯ_２層（ＢＯＸ層とも呼ばれる）１６０、シリコン（Ｓｉ）導波路層（シリコンオンインシュレーター（silicon-on-insulator）又はＳＯＩとも呼ばれる）１７０、及びＳｉＯ_２クラッド層１８０、及びシリコン導波路層上にエッチングされた第２の回折格子１９０から構成される。第１の光学チップ１０５内の回折光は、ＩｎＰ基板１１０及び第１の光学チップファセット１９５を伝播し、第２の光学チップ１４５上の回折格子１９０に結合される。

ここで、回折格子ピッチΛは、回折格子の立ち上がりエッジ同士の間の距離であり、ｗは、主歯の線幅であり、ｄは、回折格子の厚さである。第１の光学チップにおいて、回折格子は、基板に向けられた光を浅い角度として回折し、この光は、チップファセットにおいてより急峻な角度をなして更に回折される。この光は、第２のチップ内の回折格子上に集束され、その導波路に導波される。１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの動作波長では、典型的な回折格子ピッチΛは、５μｍ〜１５μｍであり、典型的な回折格子線幅ｗは、サブ回折格子が含まれるか否か、又はサブ回折格子がいかに設計されているかに応じて、回折格子ピッチの１０％〜６０％である。典型的な回折格子厚さｄは、０．２μｍ〜１μｍである。

図２Ａは、θ及びθ_ａの定義を示しており、θは、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層２１０と、回折光２２０との間の角度であり、θ_ａは、ファセット法線２３０と、ファセット２５０を通過する回折光２４０との間の角度である。

図２Ｂは、それぞれファセット回折前及びファセット回折後の、導波路実効屈折率と、回折光角度θ及びθ_ａとの間の関係を示している。

回折角度、屈折率、及び回折格子ピッチの間の関係は、以下のように表すことができる。

ここで、Λは、回折格子のピッチである。ｋ_０＝２π／λは、真空中の波数ベクトルである。λは、真空中の波長である。ｎ_ｅｆｆは、導波路の実効屈折率である。ｎ_ｓは、基板の屈折率である。θは、導波路内の伝播方向と、図２において定義された回折角度との間の角度である。ｍは、回折次数である。実用上の観点から、通常、１次回折格子が最高結合効率を提供するため、ｍ＝１が本発明では用いられる。

ファセットから空気中への回折光と、図２Ｂにおいて定義された元の導波路伝播角度（ファセット法線）θ_ａとの間の角度は、以下のように表すことができる。

第１の光学チップにおける回折格子からの回折角度は、或る特定の範囲、典型的には、光学チップ内で１０度〜２０度内にある必要がある。回折角度が１０度未満である場合、チップファセットからの回折光も浅い角度（約３３度未満）であり、第２の光学チップへの結合の効率が低下する。他方、放射角度が２０度を超える場合、光の大半がチップファセットにおいて反射され、結合が非常に非効率になる。したがって、回折角度を１０度〜２０度に維持することが重要である。１５５０ｎｍの波長における典型的なＩｎＰについてｎ_ｓ＝３．１６９、ｎ_ｅｆｆ＝３．２４４、及びΛ＝８．５μｍを仮定すると、θ＝１５．０度及びθ_ａ＝５５．１度が得られる。

図２Ｂは、元の伝播方向（すなわち、ファセット法線）からの、ファセット前及びファセット後の回折角度のプロットを示しており、２つの回折格子ピッチ、すなわち、Λ＝８．５μｍ及びΛ＝１０．５μｍが用いられる。回折格子のピッチに応じて、最適な導波路実効屈折率がある。換言すれば、回折格子ピッチは、典型的には、５μｍ〜１５μｍである必要がある。

図３Ａは、波長について、シミュレーションした結合効率を示している。構造パラメータは、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲についての結合効率が最大化されるように最適化される。シミュレートされた結合効率は、ピークにおいて５８．０％（−２．４ｄＢ）であり、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲について４９％を超える。

最適化された構造及びパラメータは、次のとおりである。ＩｎＰ側構造は、８０μｍ厚ＩｎＰ基板と、０．５μｍ厚ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ：１．３０μｍ）と、０．３μｍ深さのエッチング回折格子と、０．４７μｍ厚ＩｎＰ上側クラッド層と、２０ｎｍ厚ＳｉＯ_２パッシベーション層とからなる。ＩｎＰ回折格子セクションの長さは、２００μｍである。浅い回折角度（ＩｎＰ内で１５．０度及び空気中で５５．１度）を達成するために、左側の主回折格子の初期ピッチサイズは、８．５μｍである。さらに、集束効果を達成するために、回折格子ピッチは、距離の関数（線形ピッチ減少：１周期あたり０．１μｍ）として変動する。回折格子は、主歯（幅は、ピッチの２８％）、及び、２１０ｎｍ幅のサブ回折格子と主歯の両側の２２０ｎｍの間隔との３周期を有する。サブ回折格子は、周期が主回折格子より小さい回折格子である。また、回折格子は、エッチングされた部分の幅が周期ごとに線形的に縮小されるという点でアポダイズされている。ファセットは、ＳｉＯ_２及びＳｉ_３Ｎ_４コーティングのペアを有する。シリコン側において、シリコン導波路の下で分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：distributed Bragg reflectors）の２ペア（Ｓｉ／ＳｉＯ_２）を用いた。０．２２μｍ厚シリコン導波路は、２．１μｍ厚ＳｉＯ_２下側クラッド層と、１．０４μｍ厚ＳｉＯ_２上側クラッド層との間に挟挿される。シリコン回折格子深さは、８７．５ｎｍである。シリコン回折格子セクションの長さは、ＩｎＰチップの端部を始端とすると、３２μｍである。シリコン回折格子は、アポダイズされるが、チャープを有しない。

図３Ｂは、シリコン回折格子セクション長（すなわち、ＩｎＰチップファセットのエッジから測定された端点）の場合にシミュレーションした結合効率を示している。波長が１５６０ｎｍにある場合、長さが±１．５μｍ（２９μｍ〜３２μｍ）だけ変化したとき、結合効率は、±５％以内で変化した。これは、サブミクロンの位置合わせ精度が要求される、典型的なチップ対チップ直接結合と対照的である。

回折格子は、回折回折格子のフーリエ成分に対応する複数の方向において光を回折させる。例えば、結合効率に寄与しない３次及び５次回折は、回折格子の３次及び５次成分に関係付けられる。したがって、回折格子を実効的に平滑化することによって、これらの成分を削減することが重要である。線幅ｗ_２及びピッチΛ_２がそれぞれｗ及びΛよりもはるかに小さいサブ回折格子を、主（プライマリ）回折格子の少なくとも片側に加えることができる（図４Ａ）。典型的なｗ_ｅｆｆ／Λは、０．４〜０．６である。典型的なサブ回折格子線幅ｗ_２は、０．０２μｍ〜０．３μｍであり、典型的なサブ回折格子ピッチΛ_２は、０．０４μｍ〜０．６μｍである。

また、第２のフーリエ成分は、最小化される必要がある。デューティサイクル（ｗ／Λ）は、サブ回折格子がないプライマリ回折格子の事例（図４Ｂ）では、０．５の近くになる必要がある。図４Ａの事例では、有効デューティサイクルは、ｗ_ｅｆｆ／Λであり、ここで、ｗ_ｅｆｆは、回折格子の有効線幅、すなわち、主回折格子のｗ及び全てのサブ回折格子からの累積ｗ_２の加算である。

図４Ｃは、サブ回折格子がある場合及びサブ回折格子がない場合においてシミュレーションした結合効率を示しており、デューティサイクルは、各事例において最適化されている。不要な方向における回折が削減されているため、サブ回折格子がある場合の方がはるかに高い結合効率であることが、明確に示されている。

回折格子幾何形状は、必ずしも矩形である必要はない。また、図４Ｄに示すように、エッジが傾斜した回折格子を組み込むことにより、３次及び５次回折を抑制することができる。

また、上向きの回折を抑制することにより、第２のチップ上の回折格子により効率的に結合する下向きの回折が増大する。これは、図４Ｅに示すように回折格子のエッジのうちの一方を傾斜させること、回折格子の片側にサブ回折格子を組み込むこと（図４Ｆ）、又は、回折格子の各側に非対称サブ回折格子を組み込むこと（図４Ｇ）によって達成することができる。

図５Ａは、第１の光学チップ５４０のグレーティングカプラの一例を示している。図５Ａにおいて、回折格子５１５は、第２の屈折率でＩｎＧａＡｓＰ導波路層５１０にエッチングされるとともに、ＩｎＰ基板５００及びＩｎＰクラッド層５０５（双方とも第１の屈折率）によって囲まれている。この第１の光学チップは、任意選択で、ＩｎＰクラッド層５０５の上部にＳｉＯ_２又はＳｉ_３Ｎ_４誘電体層５２０を有することができる。回折格子５１５は、典型的には、類似した強度で上向き方向及び下向き方向の双方において光を回折する。第１の光学チップ５４０における浅い放射角度（１０度〜２０度）に起因して、上向きの回折光５３５は、クラッド層−誘電体層界面５２５、又は誘電体−空気界面５３０において非常に効率的に反射され、表面から漏れないことが重要である。したがって、界面５２５及び界面５３０が平坦であることは望ましく、また、クラッド層５０５及び誘電体層５２０の厚さは、反射ビームが元は下向きの回折光と、同じ又は非常に類似した位相で組み合わされるように選択される必要がある。金属表面は、光を吸収するので望ましくない。

回折格子は、導波路層に直接エッチングされる必要はない。図５Ｂは、第３の屈折率の別のＩｎＧａＡｓＰ層５４５が、導波路層５１０の上で、回折格子を形成する一例を示している。この事例では、回折格子高さは、エッチング深さではなく回折格子層の厚さによって決定され、それゆえ、プロセスのロバスト性が改善される。

図５Ｃは、第３の屈折率のＩｎＧａＡｓＰ離隔閉じ込め層５５０が、導波路層にエッチングされた回折格子を被覆する一例を示している。離隔閉じ込め層５５０と、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層との間の屈折率の差異は、図５Ａに示された事例よりも小さいものとすることができ、それゆえ、エッチング深さに対する感度が抑えられることに起因してプロセスのロバスト性が改善される。

図５Ｄは、第１の屈折率のＩｎＰ基板５００及びＩｎＰクラッド層５０５が、第２の屈折率のＩｎＧａＡｓＰ導波路層５１０を囲む一例を示している。ＩｎＧａＡｓＰ導波路層５１０は、回折格子セグメント５５５に全体的にエッチングされる。これにより回折格子セグメント５５５間で導波されない光が生成されるので、回折格子セグメント５５５内の導波モードに対する不整合が大きくなる。それゆえ、非常に高強度の回折格子が生成される。これは、短い長さの回折格子領域に適している。

図５Ｅは、第１の屈折率のＩｎＰ基板５００及びＩｎＰクラッド層５０５が、第３の屈折率のＩｎＧａＡｓＰ離隔閉じ込め層５５０を囲む一事例を示しており、第２の屈折率を有するＩｎＧａＡｓＰ導波路層５１０が、全体的にエッチングされるとともに埋め込まれる。この事例では、光閉じ込めは、主に、離隔閉じ込め層によって決定され、回折格子強度は、導波路層の厚さによって決定され、そのため、放射角度及び結合効率は、エッチングプロセス変動に対してロバストである。

図６は、チップファセット６１０と、第１の誘電体膜６２０と、第２の誘電体膜６３０とから構成される第１の光学チップ６００の概略図を示している。チップファセット６１０上に貫通する光学ビームは、表面に対して垂直ではなく、上記で説明された１０度〜２０度である。したがって、誘電体膜６１０及び６２０は、入射角度に応じて、２層以上とすること等の、最適化が必要である。

図７は、入射角度を関数として計算したＴＥモード入力の透過率を示しており、１層（Ｓｉ_３Ｎ_４）コーティングの場合、２層（Ｓｉ_３Ｎ_４及びＳｉＯ_２）コーティングの場合、又はコーティングなしの場合がある。Ｓｉ_３Ｎ_４（第１の誘電体膜）及びＳｉＯ_２（第２の誘電体膜）の厚さは、１５度の入射角度について最適化される。１層コーティングは、或る特定の角度において反射率を抑制するのに有効であり、一方、２層コーティングは、広範な角度範囲において反射率を低下させるのに有効である。入射角度が１６度を超えると反射率が著しく増加することが示されている。厳密には、コーティング設計に依存するが、入射角度を約２０度未満に維持することが最良である。

回折格子が比較的長く、典型的には５０μｍ以上であるのにもかかわらず、放射ビームは、伝播に沿って水平方向において発散する。したがって、チャープ回折格子を用いること、すなわち、伝播方向に沿って回折格子のピッチΛを徐々に変化させることが重要であり、それにより、第２のチップ上の回折格子の狭い領域にビームが集束する。

ビーム形状（例えば、ガウシアンビーム）により近い放射ビームを第２の回折格子への結合により適したものにするために、回折格子強度は、伝播方向に沿って変更させることができ、これは、アポダイズ回折格子とも呼ばれる。

放射ビームは、ラテラル方向、すなわち、伝播方向に対して垂直な水平方向、においても発散する。

ラテラルビーム発散を狭める１つの方法は、楕円回折格子等の湾曲回折格子を用いることである。図８Ａ及び図８Ｂは、グレーティングカプラシステム８００のそれぞれ断面図及び上面図を示しており、第１の光学チップ８１０及び第２の光学チップ８３０は、それぞれ楕円回折格子８２０及び８４０を有する。１つの例では、約１μｍ幅を有するＩｎＰ導波路８１５が、幅全体で少なくとも１０度を有する楕円回折格子８２０に接続される。また、０．５μｍ幅を有するシリコン導波路８３５が、楕円シリコン回折格子８４０に接続される。

楕円曲線を規定する最も一般的な方法は、以下の式に従うことである。

ここで、ｚは、伝播方向における座標である。ｙは、ラテラル方向における座標である。ｑは、回折格子線ごとの整数である。θは、出射光／入射光とチップ表面との間の角度である。ｎ_ｔは、周囲環境の屈折率である。λ_０は、真空波長である。ｎ_ｅｆｆは、回折格子を有する導波路において波が被る実効屈折率である。中心（ｙ＝０）において、回折格子線は、図４及び図５において説明した断面図を形成する方法に応じて決定される。

別の方法としては、反射光が元の導波路に戻って結合することがないように、傾斜回折格子を用いることができる。

上記の式は、円形ビームを生成するために導出される。このグレーティングカプラシステム８００では、ファセットにおける回折に起因して、円形ビームは、楕円ビームになる。したがって、第２の光学チップにある回折格子８４０において観測される準円形ビームを形成するために、回折格子線８２０に対する更なる変更が望ましい場合がある。

ラテラルビーム発散を狭める別の方法は、テーパー付き導波路を用いることである。図９Ａ及び図９Ｂは、グレーティングカプラシステム９００のそれぞれ断面図及び上面図を示しており、第１の光学チップ９１０及び第２の光学チップ９３０は、それぞれ楕円回折格子９２０及び９４０を有する。１つの例では、約１μｍ幅を有するＩｎＰ導波路９１５が、幅５μｍ〜２０μｍにテーパーを付けられ、断面が図４及び図５において規定される、直線ＩｎＰ回折格子９２０に接続される。テーパーセクションの長さは、５μｍ〜１００μｍとすることができる。第２のチップ９３０上の回折格子は、直線幅回折格子９４０とすることができる。別の方法としてはこの回折格子を、図８Ｂに示すような楕円回折格子８４０とすることができる。

また、典型的にはシリコン基板に基づいて、第２のチップにおける回折格子の結合効率を高めることも重要であり、シリコン導波路が、２つのＳｉＯ_２層間に挟挿される。結合効率を高めるための多くの方法がある。
１）シリコン基板とＳｉＯ_２層の底部との間のブラッグ反射器（異なる屈折率を有する層のペア）。
２）主回折格子の一本一本の少なくとも片側のサブ回折格子。
３）上側ＳｉＯ_２クラッド層の上のシリコンアモルファス層。
４）シリコン基板とＳｉＯ_２層の底部との間の金属層。

別の方法としては、２つのＳｉＯ_２層間に挟挿されるＳｉ_３Ｎ_４導波路も、入射光を導波するのに用いることができる。また、ＳｉＯ_２基板を、第２の光学チップのために用いることができる。

本発明の１つの実施形態では、グレーティングカプラシステム１０００は、多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造部等の活性層１０３０から構成されるゲイン領域１０３５に接続された導波路１０２０及び回折格子１０５０を有する第１の光学チップから構成することができる（図１０Ａ及び図１０Ｂ）。ＭＱＷ構造部は、非常に効率的なゲイン媒体である。電極１０４０によって提供された電流注入を通じてゲイン領域１０３５において生成又は増幅された光は、グレーティングカプラ１０５０に導波させて、第２の光学チップ１０６０に結合させることができる。ゲイン領域は、ＤＦＢ又はＤＢＲレーザの一部とすることもでき、ここで、レーザ光が生成される。この事例では、ＤＦＢ又はＤＢＲレーザの基板は、グレーティングカプラシステム１０００の基板と同一とすることができる。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、一体型グレーティングカプラシステム１１００に基づく調節可能レーザのそれぞれ断面図及び上面図を示している。第１の光学チップ１１１０及び第２の光学チップ１１５０は、レーザキャビティを形成する。この事例では、温度又は第１の電極１１２０を通じて注入されたキャリアによって屈折率が制御される波長選択反射器１１１５、電流が第２の電極１１３０を通じて注入されるＭＱＷ構造部から構成される活性領域１１２５、グレーティングカプラ１１３５、及び第３の電極１１４０が、第１の光学チップ１１１０として設けられ、この第１の光学チップは、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、又はＧａＮ等の材料から作製される基板上に形成される。第２の光学チップ１１５０は、シリコン基板、ＢＯＸ層１１５５、シリコン及び／又は窒化シリコン導波路１１６０、グレーティングカプラ１１６５、並びに、温度又は第２のペア電極１１７５及び１１８５を通じて注入されたキャリアによって屈折率を制御することができる波長選択反射器１１７０から構成される。位相コントローラを、いずれのチップにも置くことができる。図１１Ｂでは、波長選択ミラーの一例としてリング共振器が示されているが、サンプリングされた回折格子分布ブラッグ反射器とすることもできる。これらの波長選択可能ミラーは、複数の反射ピークを有し、ピーク波長は、注入電流、印加逆バイアス電圧、又はヒータによって制御される温度によって調節することができる。

上記で説明された一体型グレーティングカプラシステムの態様によれば、一体型グレーティングカプラシステムに関して、線幅ｗとピッチΛとの間の比ｗ／Λを、回折格子構造部からの光ビームの２次回折を削減するためにおよそ０．５となるように構成することができる。

さらに、クラッド層上に誘電体膜を配置することができ、第１のチップの基板は、ＩｎＰ基板とすることができる。また、いくつかの事例では、第２のチップの基板は、Ｓｉ基板とすることができ、第２のチップは、Ｓｉ導波路を含むことができ、第１の波長選択可能反射器は、サンプリングされた回折格子ブラッグ反射器を含むことができる。

Claims (26)

1. チップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有するグレーティングカプラであって、
   前記第１の端部から光ビームを受信し、前記第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成された基板であって、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、
   前記基板上に配置された回折格子線を有する回折格子構造部であって、前記回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、前記回折格子線は、線幅ｗ及び高さｄを有するとともに、ピッチΛによって配置されており、前記第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも大きい、回折格子構造部と、
   前記回折格子構造部を被覆するように構成されたクラッド層であって、前記クラッド層は、第３の屈折率ｎ３を有し、前記第３の屈折率ｎ３は、前記第２の屈折率ｎ２よりも小さく、前記クラッド層は、前記回折格子構造部から回折された光ビームを、前記クラッド層の下に向けて回折するように配置される、クラッド層と、
   を備える、グレーティングカプラ。
2. 前記回折格子構造部は、導波路層を更に備えることで、前記導波路層上の前記回折格子線を接続する回折格子幾何形状を形成し、厚さｄを有する前記導波路層は、前記基板上に配置される、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
3. 前記回折格子構造部は、線幅ｗ２及び高さｄ及び第２のピッチΛ２を有するサブ回折格子を更に備え、前記ピッチΛは、前記第２のピッチΛ２よりも大きく、前記サブ回折格子は、前記回折格子線の各々の少なくとも片側に配置される、請求項２に記載のグレーティングカプラ。
4. 前記ピッチΛは、距離の関数に従って前記チップの前記導波路上に光ビームを集束させるように、前記第１の端部から前記第２の端部に変化する、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
5. 前記線幅ｗと前記ピッチΛとの間の比ｗ／Λは、前記回折格子構造部からの光ビームの２次回折を削減するために０．５となるように構成される、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
6. 前記第２の端部上に配置された端部反射防止膜を更に備える、請求項１に記載グレーティングカプラ。
7. 前記端部反射防止膜は、異なる材料を有する少なくとも２つの層からなる、請求項６に記載のグレーティングカプラ。
8. 前記クラッド層に配置された誘電体膜を更に備える、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
9. 前記クラッド層の前記第３の屈折率ｎ３は、前記基板の前記第１の屈折率ｎ１と同じである、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
10. 前記回折格子構造部と、前記クラッド層との間に配置された第２のクラッド層を更に備え、前記第２のクラッド層は、第４の屈折率ｎ４を有し、前記第４の屈折率ｎ４は、前記第３の屈折率ｎ３よりも小さい、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
11. 前記回折格子線は、前記チップの前記導波路に光ビームを集束させるように配置された楕円回折格子線である、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
12. 前記基板上に配置された第２の導波路層を更に備え、前記回折格子構造部の前記回折格子線は、前記第２の導波路層の上に離隔して配置されるとともに、前記クラッド層に埋め込まれる、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
13. 前記回折格子構造部の前記回折格子線は、前記基板と前記クラッド層との間に離隔して配置される、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
14. 前記基板は、ＩｎＰ基板である、請求項１に記載のグレーティングカプラ。
15. 第１のチップ上に形成されたグレーティングカプラであって、前記グレーティングカプラは、第２のチップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有し、前記グレーティングカプラは、
    前記第１の端部から光ビームを受信し、前記第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成された基板であって、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、
    前記基板上に配置された回折格子線を有する回折格子構造部であって、前記回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、前記回折格子線は、線幅ｗ及び高さｄを有するとともに、ピッチΛによって配置されており、前記第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも大きい、回折格子構造部と、
    前記回折格子構造部を被覆するように構成されたクラッド層であって、前記クラッド層は、第３の屈折率ｎ３を有し、前記第３の屈折率ｎ３は、前記第２の屈折率ｎ２よりも小さい、クラッド層と、
    を備える、グレーティングカプラと、
    前記グレーティングカプラの前記第１の端部に、直接又は導波路を通じて接続されたゲイン領域であって、前記ゲイン領域は、
    前記グレーティングカプラの基板と同一の基板と、
    第１の厚さｄ１を有する活性層であって、前記活性層は、前記基板上に配置され、前記活性層は、前記グレーティングカプラの前記回折格子構造部に接続される、活性層と、
    前記活性層上に配置されたレーザクラッド層であって、第２の厚さｄ２を有する前記クラッド層は、前記グレーティングカプラの前記レーザクラッド層に接続される、レーザクラッド層と、
    を備える、ゲイン領域と、
    を備える、一体型グレーティングカプラシステム。
16. 前記活性層は、多重量子井戸構造部からなる、請求項１５に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
17. 前記回折格子構造部は、ガイド層を更に備えることで、前記ガイド層上の前記回折格子線を接続する回折格子幾何形状を形成し、厚さｄを有する前記ガイド層は、前記基板上に配置される、請求項１５に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
18. 前記回折格子構造部は、線幅ｗ２及び高さｄ及び第２のピッチΛ２を有するサブ回折格子を更に備え、前記ピッチΛは、前記第２のピッチΛ２よりも大きく、前記サブ回折格子は、前記回折格子線の各々の少なくとも片側に配置される、請求項１７に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
19. 前記第２の端部上に配置された端部反射防止膜を更に備える、請求項１５に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
20. 前記ゲイン領域は、前記活性層と組み合わされた波長選択反射器を含む、請求項１５に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
21. 前記ゲイン領域は、第１の電極及び第２の電極を更に備え、前記第１の電極は、前記レーザクラッド層に電気的に接続され、前記第２の電極は、前記第１のチップの表面又は前記第２のチップの表面に電気的に接続される、請求項１５に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
22. 前記第２のチップは、Ｓｉ_３Ｎ_４導波路を含む、請求項１５に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
23. 第１のチップ上に形成されたグレーティングカプラであって、前記グレーティングカプラは、第２のチップの導波路に光ビームを結合するために第１の端部及び第２の端部を有し、前記グレーティングカプラは、
    前記第１の端部から光ビームを受信し、前記第２の端部を通じて光ビームを送信するように構成された基板であって、第１の屈折率ｎ１を有する、基板と、
    前記基板上に配置された回折格子線を有する回折格子構造部であって、前記回折格子構造部は、第２の屈折率ｎ２を有し、前記回折格子線は、第１の線幅ｗ１及び第１の高さｄ１を有するとともに、第１のピッチΛ１によって配置されており、前記第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１よりも大きい、回折格子構造部と、
    前記回折格子構造部を被覆するクラッド層であって、前記クラッド層は、第３の屈折率ｎ３を有し、前記第３の屈折率ｎ３は、前記第２の屈折率ｎ２よりも小さい、クラッド層と、
    を備える、グレーティングカプラと、
    前記グレーティングカプラの前記第１の端部に接続されたレーザ構造部であって、前記レーザ構造部は、
    前記グレーティングカプラの基板と同一の基板と、
    前記グレーティングカプラに光ビームを放射する活性層であって、前記活性層は、第１の厚さｄ１及び第５の屈折率ｎ５を有し、前記活性層は、第２の基板上に配置され、前記活性層は、前記グレーティングカプラの前記回折格子構造部に接続される、活性層と、
    前記活性層上に配置されたレーザクラッド層であって、第２の厚さｄ２及び第６の屈折率ｎ６を有する前記レーザクラッド層は、前記グレーティングカプラの前記クラッド層に接続される、レーザクラッド層と、
    前記レーザ構造部を通じて電圧を印加する第１の電極及び第２の電極と、
    を備える、レーザ構造部と、
    前記グレーティングカプラ及び前記レーザ構造部に搭載された導波路デバイスであって、前記導波路デバイスは、
    前記グレーティングカプラ及び前記レーザ構造部の底部に接続された第１のクラッド層であって、前記第１のクラッド層は、第７の屈折率ｎ７を有する、第１のクラッド層と、
    第２の回折格子構造部を有する導波路構造部であって、前記第２の回折格子構造部は、前記グレーティングカプラから前記導波路構造部にレーザビームを結合するように、前記導波路構造部の一部に配置された第２の回折格子線を備え、前記導波路構造部は、第８の屈折率ｎ８を有し、前記回折格子線は、第２の線幅ｗ２及び第２の高さｄ２を有するとともに、第２のピッチΛ２によって配置されており、前記第８の屈折率ｎ８は、第７の屈折率ｎ７よりも大きい、導波路構造部と、
    前記導波路構造部に接続された導波路基板であって、前記導波路基板は、第９の屈折率ｎ９を有し、前記第９の屈折率ｎ９は、前記第８の屈折率ｎ８よりも小さい、導波路基板と、
    を備える、導波路デバイスと、
    を備える、一体型グレーティングカプラシステム。
24. 前記レーザ構造部は、選択可能波長を有する光ビームの部分を抽出するように、第１の波長選択反射器及び第３の電極を更に備え、前記導波路デバイスは、所定の波長を有する光ビームの部分を抽出するように、第２の波長選択反射器及び第２のペア電極を備える、請求項２３に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
25. 前記レーザ構造部は、第１の電極及び第２の電極を更に備え、前記第１の電極は、前記レーザクラッド層に電気的に接続され、前記第２の電極は、前記第１のチップの表面又は前記第２のチップの表面に電気的に接続される、請求項２３に記載の一体型グレーティングカプラシステム。
26. 前記レーザ構造部は、前記第１の波長選択反射器と前記第２の波長選択反射器との間に位相制御領域を更に備え、注入電流、印加逆バイアス電圧、又はヒータによって制御される温度によって光学位相を制御することができる、請求項２４に記載の一体型グレーティングカプラシステム。

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