JP2021513667A - 誘電体導波路への光結合が改善された集積能動デバイス - Google Patents

Abstract

光学デバイスは、共通基板上に作製された第１、第２及び第３の要素を備える。第１の要素は、第１の光学モードを支持する能動導波路構造を備え、第２の要素は、第２の光学モードを支持する受動導波路構造を備え、第３の要素は、第１の要素に少なくとも部分的に突き合わせ結合され、中間導波路構造を備える。第１の光学モードが第２の光学モードと所定量を超えて異なる場合、第２及び第３の要素の少なくとも１つのテーパー導波路構造は、第１の光学モードと第２の光学モードとの間の効率的な断熱変換を促進する。第１、第２及び第３の要素の相互位置合わせは、リソグラフィアライメントマークを使用して規定される。

Description

本発明は、半導体処理に関する。より具体的には、本発明の特定の実施形態は、光学的に結合された異種材料を使用してフォトニック集積回路を実現するための方法及びシステムに関する。

フォトニック集積回路（ＰＩＣ）又は集積光回路は、複数のフォトニック機能を統合するデバイスであり、それ自体、電子集積回路に類似している。２つの主な違いは、光集積回路が、光搬送波に加えられる情報信号の機能を提供することである。フォトニック集積回路に最も商業的に利用されている材料プラットフォームは、リン化インジウム（ＩｎＰ）であり、これにより、同じチップ上で様々な光学的に能動的及び受動的な機能を統合することができる。現在の多くのＰＩＣは、ＩｎＰプラットフォームで実現されているけれども、以前の材料の優れた特性と優れた処理能力により、過去１０年間におけるＰＩＣの実現にＩｎＰではなくシリコンを使用する重要な研究があり、それは、電子集積回路に対して既になされた投資を活用するものであった。

ＰＩＣにシリコンを使用する場合の最大の欠点は、それが間接的なバンドギャップ材料であるため、電気的に励起されるソースを提供するのが困難になることである。この問題は、一般に、別個のプロセスで異なる材料から作られた２つ以上のチップを含むＰＩＣを組み立てることによって解決される。このようなアプローチは、非常に細かい位置合わせが必要なため困難であり、それは、パッケージングコストを増加させ、スケーリングの制限を生じさせる。バンドギャップの問題を解決する別のアプローチは、２つの異なる材料を結合して共に処理し、正確な位置合わせの必要性を取り除き、大量生産を可能にすることである。この開示では、「ハイブリッド」という用語を使用して、個別に処理された部品の正確な組み立てを含む最初のアプローチを説明し、「異種」という用語を使用して、正確な位置合わせが必要ない、２つの材料を結合し、結合された結果物を処理する後のアプローチを説明する。

異種材料間で光信号を伝達するために、異種材料アプローチでは、異種材料の有効モード屈折率が一致し、効率的な出力伝達が行われるまで寸法が徐々に小さくなるテーパーを利用する。このアプローチは、一般に、シリコンやＩｎＰの場合と同様に、材料の屈折率が似ている場合にうまく機能する。有効な屈折率に大きな違いがある場合、例えば、ＳｉＮとＩｎＰ又はＧａＮとの間では、テーパーチップの寸法に関する要件が非常に高くなり、効率的な出力伝達が制限される。具体的には、良好な結合を実現するには、非常に小さなテーパー先端幅（ナノメートルのオーダー）が必要になる場合がある。そのような寸法を達成することは複雑であり、非常に高い費用がかかる場合がある。

ＩｎＰ及びシリコンベースのＰＩＣは、現在の多くのニーズに対応しているけれども、いくつかの制限がある：それらの中で、動作波長範囲が損失を増加させる材料吸収によって制限されるという事実、及び、最大光強度に制限があり、結果としてＰＩＣが処理できる最適なパワーがあるという事実。これらの制限に対処するために、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮなどの代替的な導波路材料が検討されている。一般に、そのような誘電体導波路は、より高いバンドギャップエネルギーを有し、より短い波長でより高い出力処理と透明性を提供するが、一般に、そのような材料は、より低い屈折率も有し、例えば、５ｅＶ以下のバンドギャップを有するＳｉＮは、２以下の屈折率を有し、ＡｌＮは、６以下のバンドギャップ及び約２以下の屈折率を有し、８．９ｅＶ以下のバンドギャップを有するＳｉＯ_２は、１．４４以下の屈折率を有する。比較のために、ＧａＡｓとＩｎＰの屈折率は、３を超える。これにより、テーパーアプローチが困難になる。

代替的なのハイブリッドアプローチには、既に上で述べた欠点、すなわち、正確な位置合わせの必要性、それに対応して複雑なパッケージング及びスケーリングの制限がある。

従って、極端に狭いテーパー先端を必要とせずに、異なる屈折率を有する材料（例えば、能動デバイスに使用される上記のＩＩＩ−Ｖ材料、導波路に使用される単純な誘電体材料など）間の効率的な光結合を提供する方法が必要である。これにより、ＰＩＣを実現するための材料の拡張可能な統合が可能になる。理想的には、このような方法で作製されたＰＩＣは、可視からＩＲまでの広い波長範囲で動作し、一般的なＳｉ導波路ベースのＰｌＣと比較して高い光出力を処理することができる。

この開示では、光の生成、増幅、変調及び／又は検出が可能な場合、デバイス又はデバイスの領域を能動（アクティブ）と呼ぶ。

本発明は、特に集積ＰＩＣに関連して、異なる屈折率の材料を含む要素間に実用的かつ効率的な光結合を提供するためのデバイス及び方法を含む。

一実施形態では、光学デバイスは、共通基板上に製造された第１、第２及び第３の要素を備え、前記第１の要素は、第１の光学モードを支持する能動導波路構造を含み、前記第２の要素は、第２の光学モードを支持する受動導波路構造を含み、前記第３の要素は、前記第１の要素に少なくとも部分的に突き合わせ結合され、中間導波路構造を含む。この実施形態では、前記第１の光学モードが前記第２の光学モードと所定量を超えて異なる場合、前記第２及び第３の要素の少なくとも１つのテーパー導波路構造は、前記第１の光学モードと前記第２の光学モードとの間の効率的な断熱変換を促進する。前記第１、第２及び第３の要素の相互位置合わせは、リソグラフィアライメントマークを使用して規定される。

別の実施形態では、光学デバイスを作製する方法は、誘電体材料を含む第１の要素を基板上に形成する段階と、前記第１の要素に、第１の光学モードを支持するように構成された導波路を形成する段階と、電気的に励起されたときに光を生成することができる活性材料を含む第２の要素を前記基板に取り付ける段階と、前記第２の要素に第２の光学モードを支持するように構成された導波路を形成する段階と、前記第２の要素に電気接点を形成する段階と、前記基板上に中間導波路要素を形成する段階であって、前記中間導波路要素が、前記第１の光学モードが前記第２の光学モードと所定量を超えて異なる場合、前記第１の光学モードと前記第２の光学モードとの間の変換を促進するように配置及び構成される段階と、を含む。

断面で示される、本発明の一実施形態によるデバイスを示す。 断面で示される、本発明の２つの対応する実施形態による２つのデバイスを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面上視図及び断面下視図を示す。 断面で示される、本発明の別の実施形態によるデバイスを示す。 断面で示される、本発明のさらに別の実施形態によるデバイスを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面上視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による方法のプロセスフロー図である。

本明細書で説明するのは、モード変換及び突合せ結合方式の使用により光結合が改善される、ウェーハボンディング及び異種材料の堆積を使用してフォトニック集積回路を実現する方法及びシステムの実施形態を含む。

以下の詳細な説明では、発明に詳細な説明の一部を構成する添付図面が参照され、全体を通して同様の数字は同様の部分を示し、本明細書の主題が実施され得る実施形態の例として示される。本明細書の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的又は論理的な変更を行うことができることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義される。

この説明では、頂部／底部、中／外、上／下等の視点ベースの説明を使用することがある。そのような説明は、単に議論を容易にするために使用され、本明細書で説明される実施形態の適用を特定の向きに制限することを意図していない。この説明は、「ある実施形態において」又は「これらの実施形態において」という語句を使用することがあり、これらはそれぞれ、同じ又は異なる実施形態の１つ又は複数を指すことがある。さらに、本明細書の実施形態に関して使用される用語「備える」、「含む」、「有する」等は同義語である。

本開示の目的において、語句「Ａ及び／又はＢ」は、（Ａ）、（Ｂ）、又は（Ａ及びＢ）を意味する。本開示の目的において、語句「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ａ及びＢ）、（Ａ及びＣ）、（Ｂ及びＣ）、又は、（Ａ、Ｂ及びＣを意味する。

本明細書では、「と結合された」という用語とその派生語を使用することがある。「結合」とは、以下の１つ以上を意味する場合がある。「結合」とは、２つ以上の要素が物理的、電気的又は光学的に直接接触していることを意味する場合がある。しかしながら、「結合」とは、２つ以上の要素が間接的に互いに接触するが、それでもなお相互に協力又は相互作用することを意味するが、１つ以上の他の要素が、互いに結合されると言われる要素間で結合又は接続されることを意味することがある。「直接結合」という用語は、２つ以上の要素が、それらの表面の少なくとも一部で直接接触していることを意味する。本明細書では、「突合せ結合」（butt-coupled）という用語は、対象の要素間に軸オフセットが最小又はゼロである「エンドオン」又は軸結合を意味する通常の意味で使用される。軸方向のオフセットは、例えば、要素１０６、２０６等に関して以下で説明するように、ある種の薄い介在層が要素間に形成される場合、ゼロよりわずかに大きくてもよい。

本明細書では、「能動デバイス」及び／又は「能動領域」という用語を使用する場合がある。能動と呼ばれるデバイス又はデバイスの領域は、光の生成、増幅、変調及び／又は検出をすることができる。能動デバイス及び能動領域を、どちらか一方又は両方を意味して、交換可能に使用する。これは、主な機能が、光を閉じ込め及び誘導し、及び／又は、一般的に受動デバイスに関連する分割、結合、フィルタリング及び／又は他の機能を提供する「受動デバイス」及び／又は「受動領域」とは対照的である。

図１は、異種材料間の効率的な結合のための突合せ結合及びモード変換を利用する集積フォトニックデバイス１００の概略断面図である。例示的な断面は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、石英、シリコンオンインシュレータ又は当該分野で知られている他の材料など、半導体及び誘電体処理に適した任意の基板であり得る基板１０５を含む。示された実施形態では、第２の材料の層１０４は、当該分野で知られている技術を使用して、基板１０５の上面に堆積、成長、転写、結合又は取り付けられる。層１０４の主な目的は、必要に応じて光導波路を形成するために、材料１０２（以下で説明する）に光クラッドを提供することである。通常、光導波路は、光波を閉じ込めるために、２つの低屈折率層の間に高屈折率コアを配置することによって実現される。いくつかの実施形態では、層１０４は、省略され、基板１０５自体がクラッドとして機能する。

層１０２は、当該分野で公知の技術を使用して、層１０４が存在する場合、層１０４の上部、及び／又は基板１０５の上部に堆積、成長、転写、結合又は取り付けられる。層１０２の屈折率は、層１０４が存在する場合、層１０４の屈折率よりも高く、層１０４が存在しない場合、層１０２の屈折率は、基板１０５の屈折率よりも高い。一実施形態では、層１０２の材料は、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２及びＡｌＮのうちの１つ以上を含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、他の一般的な誘電体材料が層１０２に使用されてもよい。他の実施形態では、層１０２に使用される半導体材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰのうちの１つ以上を含むことができるが、これらに限定されない。

層１０４及び１０２の何れか又は両方は、層１０１が対応する（１０４、１０２）上面の全体又は一部の上に結合される前に、当該分野で一般的なように、パターンニング、エッチング又は再堆積することができる。前記結合は、直接分子結合であるか、又は、例えば当該分野で公知の金属層又はポリマーフィルム等の、結合を促進する追加の材料を使用することができる。層１０１は、一般に活性領域と呼ばれるものを構成し、ＩｎＰ及びＩｎＰベースの３元及び４元材料、ＧａＡｓ及びＧａＡｓベースの３元及び４元材料、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ及びＩｎＳｂ、並びに、それらの変形体及び派生物を含むが、これらに限定されない材料で構成されてもよい。一実施形態における層１０１は、能動デバイスの分野で知られているように、光学的及び電気的の両方の閉じ込め並びに電気接点を提供する層を含み、多層化される。さらに別の実施形態では、層１０１は、下層１０２、１０４及び／又は１０５を使用して、電気的及び／又は光学的閉じ込め並びに１つ以上の電気接点を提供する。

いくつかの実施形態では、層１０１は、効率的に電気的に励起されて、発光及び利得を生成することができる。本発明は、層１０１及び層１０２に形成された導波路間の効率的な光結合を可能にする。前記材料１０２は、当該分野で知られているように、広帯域透過性、高強度ハンドリング、温度による位相シフト、歪み又は他の調整機構、結合、分割、フィルタリング及び／又は他の追加機能を提供できる。

効率的な結合は、層１０３によって、また層１０６が存在する場合は層１０６によって促進される。任意の層１０６は、主に、層１０１と層１０３との間の界面で反射防止コーティング又は高反射コーティングの何れかとして機能する。層１０３は、いくつかの実施形態では、層１０１がコアを提供し、モードプロファイル１５２として効率的にそれを捕捉し、徐々にそれをモードプロファイル１５３、１５４、最終的に１５５に伝達する導波路によって支持される光学モードのプロファイル（破線１５１で示す）を受け入れる中間導波路として機能する。次いで、モードプロファイル１５５は、層１０２がコアを提供する導波路に効率的に結合される。他の実施形態では、移動方向を逆にすることができ、層１０３は、層１０２がコアを提供する導波路によって支持される光学モードを効率的に捕捉し、そのモードプロファイルを、層１０１がコアを提供する導波路によって支持されるモードのモードプロファイルに徐々に変換する。

層１０３の屈折率は、層１０２及び／又は１０３で作られたテーパー構造を利用することにより、モードプロファイル１５１の効率的な結合を促進し、そのモードをモードプロファイル１５５に効率的に変換するように設計することができる。本発明より前に、すなわち中間層１０３が存在しない場合、先に述べたように、テーパー先端の幅に対する要件は問題になるだろう。しかしながら、中間層１０３を使用すると、テーパー先端の幅の厳しい要件が大幅に減少し、非常に高い屈折率の材料（例えば、層１０１のＧａＡｓ又はＧａＮ）と低屈折率の材料（例えば、層１０２のＳｉＮ、ＳｉＯ_２）との間の効率的な伝達が可能になる。層１０３は、誘電体及び／又はポリマーを含み得る。

層１０１と層１０２の導波路によってそれぞれ支持される光学モードの違いは、モードプロファイルの観察によって明らかな場合とそうでない場合があるが、１００％未満のモードオーバーラップは、（中間層１０３がない場合）重大な光学損失をもたらす可能性がある。場合によっては、最大１ｄＢの損失は許容できるが、それを超える損失は許容できないと見なされる場合がある。他の場合には、３ｄＢの損失レベルが選択基準になる場合がある。層１０３の機能は、所定の用途において許容可能なレベルであると決定されたものより下に、不完全なモードオーバーラップによる光学損失を維持することである。

層１０３及び／又は１０２で実現される導波路の上部クラッド層１０７は、周囲空気（実際にはクラッド材料が堆積されていないことを意味する）、又は、図１に示すように、ポリマー、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘなどであるが、これらに限定されない、意図的に堆積された他の任意の適切な材料であり得る。

様々な処理ステップ中に形成された層間の正確な位置合わせを容易にするために、１つ以上のリソグラフィアライメントマーク（この断面図には示されていない、例えば以下の図３の３２０を参照）が存在する。

図２は、本発明の２つの実施形態を示している。一実施形態では、フォトニック集積回路２００は、基板２０５と、当該分野で知られている他の技術によって堆積、成長、転写、結合又は取り付け可能な任意の層２０４とを含む。層２０２の屈折率は、層２０４が存在する場合、層２０４の屈折率よりも高く、又は、層２０４が存在しない場合、層２０２の屈折率は、基板２０５の屈折率よりも高い。

層２０２は、当該分野で知られている他の技術によって、層２０４（又は、層２０４が存在しない場合、層２０５）の上面に堆積、成長、転写、結合又は取り付けられる。層２０２は、導波路及び１つ以上の他の光学デバイスを形成するようにパターンニングされるが、この実施形態では、層２０２の一部（能動層２０１の下の部分）は、パターンニングプロセスを通して保存され、層２０２Ａを形成する。図１の層１０１に対応する層２０１は、層２０２Ａの上部に結合される。前記結合は、直接分子結合であるか、又は、当該分野で公知の金属層又はポリマーフィルム等の、結合を促進する追加の材料を使用することができる。層２０２ａは、層２０１の光学モードにエバネセントに影響を与えるために使用でき、層２０１と２０２Ａとの間でハイブリッド化されるハイブリッドモードを誘導でき、及び／又は、電流を伝導又は遮断するなどの電気的目的に役立ち得る。

層２０１から２０２への出力の効率的な転送は、層２０１と層２０２によって支持されるモード変換を促進する層２０３によって（図１に関して層１０３がモード変換を促進するのと同じ方法で）、層２０６が存在する場合、反射防止又は高反射コーティングを含む層２０６によって促進される。

図２の下部に示される実施形態では、フォトニック集積回路２５０は、基板２５５、当該分野で知られている他の技術によって堆積、成長、転写、結合又は取り付けられ得る任意の層２５４を含む。

層２５２は、層２５４（又は、層２５４が存在しない場合、層２５５）の上部に、当該分野で知られている他の技術によって堆積、成長、転写、結合又は取り付けられる。層２５２の屈折率は、層２５４が存在する場合、層２５４の屈折率よりも高く、又は、層２５４が存在しない場合、層２５２の屈折率は、基板２５５の屈折率よりも高い。

層２５２は、導波路及び他の光学デバイスを形成するためにパターンニングされるが、この実施形態では、層２５１の下にある層２５２の一部（後述）は、層２５４の対応する下にある部分が存在する場合、層２５１を基板２５５と直接接触させる公知の技術により除去される。

ＰＩＣ２５０の層２５１と層２５５との間の直接接触は、基板を介した、及び／又は、層２５５を通る電流経路の形成により、より良好な熱抽出を促進することができる。層２５１の有効屈折率が基板２５５よりも高い場合、基板２５５は、光学クラッド層としても使用され得る。いくつかの実施形態では、層２５１は、層２５１で生成された光を層２５５への結合から光学的に分離する役割を果たすクラッド層を含む。層２５１及び２５５は結合され、前記結合は、直接分子結合であり得るか、又は、例えば当該分野で公知の金属層又はポリマーフィルム等の、結合を促進することができる材料を使用することができる。

図３は、本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの上面図３００及び幾つかの対応する端面断面図３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄを提供する。

上面図３００は、基板３０５（この図では見えないが、図３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄで示されている）を覆う任意の層３０４を示している。「能動」層３０１によって支持される光学モードは、任意のコーティング層３０６を介して、層３０２への効率的な結合のためにモードを変換する役割を果たす層３０３に導かれる。この結合を容易にするために、図の左端に示されている層３０２の幅に対して先端３１０の幅が比較的小さいことで示されるように、層３０２の寸法は、層３０１に向かって先細りになっている。テーパー寸法の要件は、層３０３の存在により数百ナノメートルまで大幅に緩和されることが計算されている。例えば、先端の幅が数百ナノメートルの場合、層３０１と層３０２の屈折率の差は１より大きいとしても、７０％以上の層３０１と層３０２の間の結合効率が達成される場合がある。対照的に、そのモードが層３０２に直接結合するように層３０２をテーパー化する必要がある層３０３がない場合、テーパー先端３１０の寸法は、同様の結合効率のために１００ナノメートルよりはるかに小さくなければならない。別の実施形態では、層３０２ではなく層３０３にテーパーが生成される。さらに別の実施形態では、非常に効率的な結合のために、層３０２及び層３０３の両方にテーパーを生成することができる。

いくつかの実施形態（図示せず）では、テーパー先端は、層３０６に物理的に接触することができ、又は、層３０６が存在しない場合、層３０１に物理的に接触することができる。さらに別の実施形態（図示せず）では、層３０２の先細りは、層３１０の全長にわたって（図に示される向きで右に）延在するため、急激な終端はないが、幅の変化は、効率的な結合を促進するように継続する。

１つ以上のリソグラフィアライメントマーク３２０（簡単にするために１つのみが示されている）は、様々な処理ステップ間の正確な位置合わせに使用される。

断面図３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄは、上視図３００でＡ、Ｂ、Ｃ及びＤとマークされた４つの特徴的な位置に対応する。断面３５０Ｄは、層３０１（典型的には多層能動構造を含む）並びに任意の層３０２Ａ及び／又は層３０４（図２に関して層２０２Ａ及び層２０４に関して説明される）を含む領域の例示的な切断を示す。層３０２が、層３０６及び／又は層３０１の前に終了しない実施形態では、当然、視点３５０Ｃは、見られないであろう。断面３５０Ｂは、層３０３と層３０２との間の先細りの移行部が形成される領域を示す。上記で説明したように、テーパー先端の寸法に関する要件は、層３０３によって実行されるモード変換により大幅に削減される。断面３５０Ａは、光結合（視点３００の右から左への光信号の流れを想定）が完了した後に、図３００に示すように、デバイスの左端の層３０２の一実施形態を示す。導波路３０１、３０３及び３０２の典型的な高さ及び幅は、サブミクロンから数ミクロンの範囲であり得るが、それらは、特定の材料システム及び実装に大きく依存している。任意の上部クラッド層３０７は、図３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄに示される。

図４は、本発明の一実施形態によるデバイスを示しており、受動導波路は、その中に波長選択構造が形成されるように構成されている。示された実施形態では、フォトニック集積回路デバイス４００は、基板４０５を備え、当該分野で知られている他の技術を使用して基板４０５の上面に堆積、成長、転写、結合又は取り付けることができる任意の層４０４が使用される。層４０２の屈折率は、層４０４が存在する場合、層４０４の屈折率よりも高く、又は、層４０４が存在しない場合、層４０２の屈折率は、基板４０５の屈折率よりも高い。

層４０２は、当該分野で知られている他の技術により、下層４０４、又は、層４０４が存在しない場合、基板４０５に堆積、成長、転写、結合又は取り付けられる。層４０２は、導波路及び任意に他の光学デバイスを形成するためにパターンニングされる。示されるように、能動層４０１の下の層４０２の一部（前の図の３０１、２０１、１０１に類似）は、異なる屈折率の材料４０２Ａ及び４０２Ｂを含む周波数選択構造を形成するようにパターンニングされる。この周波数選択構造は、例えば、ＤＦＢレーザー又はＤＢＲレーザー等の単一周波数レーザー、及び／又は、当業者に知られているミラー及び他の構造を作るために使用することができる。

図５は、本発明の一実施形態によるデバイスを示しており、切れ目のない、又は連続的な誘電体導波路が、能動及び受動領域を通って延びている。示された実施形態では、フォトニック集積回路デバイス５００は、基板５０５、当該分野で知られている他の技術によって基板５０５の上面に堆積、成長、転写、結合又は取り付けることができる任意の層５０４を含む。層５０２の屈折率は、層５０４が存在する場合、層５０４の屈折率よりも高く、又は、層５０４が存在しない場合、層５０２の屈折率は、基板５０５の屈折率よりも高い。

層５０２は、当該分野で知られている他の技術によって、下層５０４に、又は、下層５０４が存在しない場合は基板５０５に、堆積、成長、転写、結合又は取り付けられる。層５０２は、導波路及び任意に他の光学デバイスを形成するようにパターニングされる。示されるように、層５０２は、その構造に沿って連続しており、能動層５０１の下に延びている。この実施形態では、層５０１は、層５０２の上に直接結合される。層５０２の寸法は、それぞれ層５０１及び層５０２によって形成された導波路間での光学モードの効率的な伝達を促進するために最適化される。

図６は、本発明の一実施形態によるデバイス６００の上面図を示しており、異種材料間の境界は、後方反射を低減するために角度が付けられている。示された実施形態では、デバイス基板（図示せず）の上にある任意の層６０４が存在する。能動層６０１によって支持される光学モードは、任意のコーティング層６０６を介して、受動層６０２への効率的な結合のためにモードを変換する役割を果たす中間層６０３に導かれる。この移行を容易にするために、層６０２の寸法は、図の左端に示される層６０２の幅に対して先端部６１０の幅が比較的小さいことで示されるように、層６０１に向かって先細りになっている。上述のように、テーパー寸法の要件は、層６０３により大幅に緩和される。さらに、この実施形態では、界面６５０、６５０及び６７０のうちの１つ以上は、対応する後方反射を低減するために角度が付けられている。

能動層及び受動層におけるモード間の光学的結合は相反的であることを理解されたい。よって、例示として図１に示されるように、この構造は、明示的に示されるように領域１０１から領域１０２への光伝達を促進するように構成され得るが、領域１０２から領域１０１への逆方向の伝達も促進する。適切に構成されたＰＩＣ上で、それらの数又は向きを模倣しない複数のそのような移行を実現できることを理解されたい。

図７は、本発明の実施形態による方法のプロセスフロー図であり、上述のタイプの集積デバイスを作成するために実行される動作のいくつかを示している。

デバイスを作成する方法７００は、示されるすべての機能、動作又は動きを常に含む必要はなく、又は、示されるようにブロック７０５から７４０までのシーケンスによって示される正確なシーケンスにそれらを含める必要もない。しかしながら、例示的な場合では、方法７００は、ブロック７０５で始まり、後続の処理ステップのために適切に準備された基板が提供される。次いで、方法７００は、ブロック７０５からブロック７１０に進むことができ、ここで、１つ以上の誘電材料を含む第１の要素は、堆積、成長、転写、結合又は他の周知の技術によって、準備された基板上に形成される。

方法７００は、ブロック７１０からブロック７１５に進み、導波路、及び、任意選択で、これらに限定されないカプラー、フィルター、共振器などの他の構造が第１の要素に画定され、導波路は、コア層（図２の場合の２０２、２０２Ａ）及び任意に下部クラッド層（図２の場合の２０４）を含む（図２の場合の２０２、２０２Ａ、図１の場合１０２）。後続のステップ（図示せず）には、ステップ７２０の準備として追加の材料の堆積又は除去が含まれる場合がある。

方法７００は、ブロック７１５からブロック７２０に進み、典型的には能動半導体材料を含む第２の要素がこの構造の上面（図１の場合、基板１０５の上面の層１０４）に結合される。前記結合は、直接分子結合であるか、又は、当該分野で公知の金属層又はポリマーフィルム等の、結合を促進する追加の材料を使用することができる。

方法７００は、ブロック７２０からブロック７２５に進むことができ、ここで、導波路（図１の１０１、図２の２０１）、及び、任意に、カプラー、フィルター、共振器、検出器、増幅器、光源などを含むが、これらに限定されない他の構造は、第２の要素に画定され、次に、ステップ７３０で、電気接点は、第２の要素に形成されてもよい。第２の要素が半導体光源を提供するために使用される実施形態では、これらの接点は、光源を駆動して光を生成するために使用される。第２の要素を使用して光検出器を提供する実施形態では、これらの接点を使用して光検出器出力信号を伝達することができる。

ステップ７２５及び／又は７３０に続くステップ（図示せず）には、ステップ７３５の準備として追加の材料の堆積又は除去が含まれる場合があり、１つ又は複数の誘電材料を含む第３の要素は、第１及び第２の要素の間で、それらと接触する位置で形成され（堆積、成長、転写、結合、又は、他の周知の技術によって）、次に、ステップ７４０で、中間導波路が第３の要素に画定される。

様々な誘電体及び／又は半導体層、及び／又は、電気接点のさらなる処理、及び、屈折率整合層、上部クラッド、ボンディングパッドなどの追加及び処理は、当該分野で知られているように実行され得る。

本発明の実施形態は、多くの利点を提供する。集積プラットフォームにより、複数の材料で作られたＰＩＣの拡張可能な製造が可能になり、可視からＩＲまでの広い波長範囲をカバーすることができ、一般的なＳｉ導波路ベース又はＩｎＰ導波路ベースのＰＩＣと比較して高い光出力を処理できる。

これまでの手法では、化合物半導体領域の幅がサブミクロンサイズまで断熱的にテーパー状になっている能動デバイスから受動デバイスに光学モードを転送するために、一般にテーパー構造を使用していた。しかしながら、屈折率の差が大きくなると、必要なテーパー先端の幅は、数十ナノメートルのサイズまで急速に低下する。本発明は、化合物半導体導波路における非常に小さなテーパーサイズの必要性を排除するために突合せ結合方式を展開し、これにより、そのような構造の製造が容易になる。

他のアプローチは、事前に作製された光学能動デバイスを受動導波路に取り付けることに依存する。これには非常に厳しいアライメント精度が必要であり、これは通常、一般的なダイボンダーが提供できるものを超えている。この側面は、このプロセスのスループットと光結合の性能を制限する。

本発明は、典型的には、支持体ウェーハ上の化合物半導体材料のブランケット片と誘電体導波路とのウェーハ結合からなるプロセスフロー、及び、当該分野で知られている後続の半導体製造プロセスを利用する。通常のフォトリソグラフィステップにより、能動導波路と受動導波路との間の光学的位置合わせを正確に定義できるため、物理的な位置合わせを正確に行う必要がなくなる。前記フォトリソグラフィベースの位置合わせは、ウェーハスケール技術を使用した拡張可能な製造を可能にする。

異種材料間の効率的な光伝達は、最新のツールで解決及び製造するのが困難な狭いテーパー先端の必要性を取り除くモード変換器（中間導波路）と組み合わせて突合せ結合アプローチを使用することにより促進される。

いくつかの実施形態では、能動領域は、間に誘電体がない基板への直接接触により、より効率的な放熱のために基板を利用することができる。そのような実施形態では、能動領域は、能動領域内の光導波路を完全に画定し、上述の突合せ結合を介して受動領域に移行する。

いくつかの実施形態では、能動領域は、例えば、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザー又は同様の構成要素等の、レーザーキャビティ内に形成される波長選択性構成要素を生成するために使用できる誘電体層を備えたハイブリッド導波路構造を生成する。

本明細書で説明される光学デバイスの実施形態は、限定はしないが、様々なコンピューティング及び／又は家庭用電子デバイス／機器、通信システム、センサー及び検知システムを含む様々な他のデバイス及びシステムに組み込むことができる。

本開示は、例示的な実施形態のほんのわずかな例を教示し、本開示を読んだ後、本発明の多くの変形例が当業者によって容易に考案され得ること、及び、本発明の範囲が以下の特許請求の範囲によって決定されることを理解されたい。

１００ 集積フォトニックデバイス
１０３ 中間層
１０５ 基板
１０７ 上部クラッド層
１５１ モードプロファイル
１５２ モードプロファイル
１５３ モードプロファイル
１５４ モードプロファイル
１５５ モードプロファイル
２００ フォトニック集積回路
２０５ 基板
２５０ フォトニック集積回路
２５５ 基板
３０１ 能動層
３０７ 上部クラッド層
３１０ 先端
３２０ リソグラフィアライメントマーク
４００ フォトニック集積回路デバイス
４０４ 下層
４０５ 基板
５００ フォトニック集積回路デバイス
５０４ 下層
５０５ 基板
６００ デバイス
６０１ 能動層
６０２ 受動層
６０３ 中間層
６５０ 界面

Claims (18)

1. 共通基板上に作製された第１、第２及び第３の要素を備えるデバイスであって、
   前記第１の要素が、第１の光学モードを支持する能動導波路構造を含み、前記第２の要素が、第２の光学モードを支持する受動導波路構造を含み、前記第３の要素が、前記第１の要素に少なくとも部分的に突き合わせ結合され、中間導波路構造を含み、
   前記第１の光学モードが前記第２の光学モードと所定量を超えて異なる場合、前記第２及び第３の要素の少なくとも１つのテーパー導波路構造が、前記第１の光学モードと前記第２の光学モードとの間の効率的な断熱変換を促進し、
   前記第１、第２及び第３の要素の相互位置合わせが、リソグラフィアライメントマークを使用して規定される、デバイス。
2. 前記共通基板の上にあり、前記第１、第２及び第３の要素の下にある下部クラッド層をさらに備え、
   前記能動導波路構造、前記受動導波路構造及び前記中間導波路構造が、それぞれ第１、第２及び第３の屈折率によって特徴付けられる導波路コア材料を含み、
   前記下部クラッド層が、前記第１、第２及び第３の屈折率の各々よりも低い第４の屈折率によって特徴付けられる、請求項１に記載のデバイス。
3. 第５の屈折率によって特徴付けられる上部クラッド層であって、前記上部クラッド層が、前記第２の要素及び前記第３の要素の少なくとも一方の上にある、上部クラッド層をさらに備え、
   前記上部クラッド層が、前記第２の要素の上にある場合、前記第５の屈折率が、前記第２の屈折率よりも低く、
   前記上部クラッド層が、前記第３の要素の上にある場合、前記第５の屈折率が、前記第３の屈折率よりも低い、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記第２の要素の一部が、前記第１の要素の下にあり、
   前記第１の光学モードが、前記第２の要素内に部分的に存在するエバネセント場を有し、
   前記第１の要素の一部の下にある前記第２の要素の一部が、波長選択構造を形成するためにパターンニングされる、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記第１の要素が、前記共通基板と直接接触しており、前記共通基板が、放熱板及び電気的インターフェースの少なくとも一方を提供する、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記第２の要素が、前記第１及び第３の要素の下にある連続層に存在する、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記第１及び第３の要素の間に反射防止コーティング層をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記第１及び第３の要素の間に高反射率コーティング層をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記第１及び第２の要素の間の第１の界面、並びに、前記第２及び第３の要素の間の第２の界面の少なくとも１つが、反射を最小化するように最適化された角度で傾斜している、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記少なくとも１つの傾斜した界面に堆積された反射防止コーティング層をさらに備える、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記第１の要素の能動導波路構造が、光源を含み、
    前記デバイスを通る光伝搬が、主に、前記中間導波路構造を介して前記能動導波路構造から前記受動導波路構造へ向かう方向で生じる、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記第１の要素の能動導波路構造が、光検出器を含み、
    前記デバイスを通る光伝搬が、主に、前記中間導波路構造を介して前記受動導波路構造から前記能動導波路構造に向かう方向に生じる、請求項１に記載のデバイス。
13. 誘電体材料を含む第１の要素を基板上に形成する段階と、
    前記第１の要素に、第１の光学モードを支持するように構成された導波路を画定する段階と、
    活性材料を含む第２の要素を前記基板に取り付ける段階と、
    前記第２の要素における第２の光学モードを支持するように構成された導波路を画定する段階であって、前記第１の要素に対するその位置が、リソグラフィアライメントマークによって規定される段階と、
    前記第２の要素に電気接点を形成する段階と、
    前記基板上であって、前記第１及び第２の要素との間に、前記第１及び第２の要素と接触する第３の要素を形成する段階であって、前記第１及び第２の要素に対する前記第３の要素の位置が、リソグラフィアライメントマークによって規定される段階と、
    前記第３の要素に中間導波路を画定する段階であって、前記第１の光学モードが前記第２の光学モードと所定量を超えて異なる場合、前記中間導波路要素が、前記第１の光学モードと前記第２の光学モードとの間の変換を促進するように構成される段階と、
    を含む、デバイスの作製方法。
14. 前記活性材料が、電気的に励起されたときに発光することができる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記活性材料が、光検出をすることができ、入射光に応じて電気出力を提供する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記能動導波路、受動導波路及び中間導波路のうちの少なくとも１つを画定する段階が、下部クラッド層を形成する段階を含み、前記共通基板の上にあり、前記第１、第２及び第３の要素の下にある、請求項１３に記載の方法。
17. 前記能動導波路、受動導波路及び中間導波路のうちの少なくとも１つを画定する段階が、上部クラッド層を形成する段階を含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記能動導波路、受動導波路及び中間導波路のうちの少なくとも１つを画定する段階が、下部クラッド層を形成する段階であって、前記下部クラッド層が、前記基板の上にあり、前記第１、第２及び第３の要素の下にある段階を含む、請求項１３に記載の方法。

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