JP2022170695A - 光ファイバとフォトニックデバイスとの高精度なカップリング方法および実装マイクロ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの端部とデバイスのアクティブ面との間のサブミクロンアライメント精度は、特定のシステム、特に量子情報システムにおいて必要とされ得る。【解決手段】本方法は、Ａ）ファイバの端部に、フォトニックデバイス（ＰＩＬ）とは異なる支持体（ＳＥ）を形成する周囲構造上に支持を提供し、フォトニックデバイスの感応表面（ＦＡ）とのいずれかの接触を防止するように配置された追加のマイクロ構造（ＭＳ）を装備するステップと、Ｂ）ファイバ端部を感応表面と位置および角度において最適に位置合わせするステップと、Ｃ）ファイバ端部と感応表面との間の最適な間隔距離（Ｄ）およびアライメントを維持するよう、周囲の支持体構造に対するベアリング圧力（Ｐ）をマイクロ構造および／または光ファイバに加えるステップと、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、一般的に、量子光学を含む光学の分野に関する。より具体的には、本発明は、光ファイバをアクティブまたはパッシブフォトニックデバイスと高精度にカップリングするための方法に関する。本発明は、前述の方法を実装するためのマイクロ構造にも関する。

一般に、光ファイバは、ある点から別の点へ光子を輸送するための光学系に遍在する。例えば、光ファイバによって接続された光子送信機および受信機デバイスを備える光学システムでは、光ファイバの端部と送信機および受信機デバイスとの間の正確なカップリングは、損失を最小限に抑え、システムの良好な動作を達成するために不可欠である。

光ファイバの端部とデバイスのアクティブ面との間のサブミクロンアライメント精度は、特定のシステム、特に量子情報システムにおいて必要とされ得る。Ｈａｕｐｔらは、「Ｆｉｂｅｒ－ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｉｚｅｄ ｍｉｃｒｏｐｉｌｌａｒ ｃａｖｉｔｉｅｓ」、２０１０年９月のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９７（１３）と題する彼の論文において、室温で実施されるアクティブアライメント手順を提案し、低温で維持されるサブミクロンアライメント精度を達成することを可能にする。このアクティブアライメント手順は、光ファイバの端部によって放出され、デバイスのアクティブ面を照射するレーザビームを使用する。したがって、デバイスが、量子ドットを統合する半導体マイクロピラーなどの放出源である場合、典型的にはカメラを用いて検出された信号が最小の振幅を有するときに最適なアライメントが得られる。デバイスが検出器である場合、検出器によって送達される信号が最大の振幅を有するときに最適なアライメントが得られる。

光ファイバとデバイスとの間の最適なアライメントの位置における機械的固定について、Ｈａｕｐｔら等は、接着剤の使用を提唱している。したがって、Ｓｎｉｊｄｅｒｓらは、「Ａ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｖｉｔｙ ＱＥＤ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｐｐｌｉｅｄ ９、０３１００２、２０１８年３月２８日、と題する彼の論文において、Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔマイクロキャビティの形態での単一光子源の前部および後部アクティブ面上の２つの単一モード光ファイバの結合のためのＮｏｒｌａｎｄ（登録商標）ブランドのＵＶ硬化性光学接着剤の使用を記載している。Ｓｃｈｌｅｈａｈｎら、Ｂｒｅｍｅｒら、およびＯｒｔｉｚらの作者はそれぞれ、「Ａ ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅ ｆｉｂｅｒ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｕｒｃｅ」 Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ、８：１３４０、２０１８年１月２２日、「Ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈｏｔｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｍｉｃｒｏ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ」ＡＰＬ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ５、１０６１０１、２０２０年１０月０１日、および「Ｆｉｂｅｒ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈｏｎｏｎｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１１７、２０２０年８月１８日の論文において、接着剤との機械的結合についても記載している。

文書ＵＳ２０１７／１７６６９７Ａ１は、光学または光電子構成要素間の垂直光学カップリング構造を製造する方法を開示する。光学カップリング構造は、基板によって支持される光学または光電子構成要素と反対側に位置し、接触するように作製される。光学カップリング構造を生成するために、主層が基板上に堆積され、物理化学的エッチングおよび／またはリソグラフィ技術によって成形される。テーパーがつけられたカップリング部分は、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料を用いて、主層内に作製される。これらのカップリング部分は、それぞれ第１および第２の横方向端表面で作られ、基板上の光学または光電子構成要素の放出面または受光面、および別の光学または光電子構成要素の放出面または受光面とそれぞれ接触するように提供される。この方法では、カップリング構造は、基板上に重畳され、光学または光電子構成要素と接触しており、このため、このような構造の表面生産を許可しない多くの用途では使用できない。

文書ＷＯ２０１６／１９５４８３Ａ１は、光源を光ファイバと位置合わせさせる方法を開示する。この方法では、光源は、まず、円形の円筒形基板の中心に埋め込まれる。次に、基板ホルダーが光ファイバの端部に取り付けられ、ホルダーおよびファイバがアライメントスリーブに挿入される。この方法は、サブミクロンアライメント精度が達成されることを確実にする上記のＨａｕｐｔらのアクティブアライメント手順の実装を可能にしない。

図１に示すＰＭＣ半導体マイクロピラーなどの単一光子源との光ファイバのカップリングに関する発明のエンティティによる作業は、光ファイバの端部とマイクロキャビティのアクティブ面との間で５００ｎｍのオーダーの平面におけるアライメント精度が必要であることを実証している。３００Ｋの周囲温度で実行されるアライメントは、単一光子源の低温動作温度、典型的には５Ｋ前後で同じ精度で維持されなければならない。Ｈａｕｐｔらのアクティブアライメント手順は、所望の精度でのアライメントを可能にする。

しかしながら、本発明のエンティティによって行われた測定は、特に、その放出アクティブ面上にその端部によって結合されたＰＭＣ単一光子源および単一モード光ファイバ（ＦＯ）の図１に示されるセットについて、機械的固定技術として結合の限界を強調している。実際、接着剤の硬化後、ＰＭＣ源のアクティブ材料に機械的応力が現れ、パフォーマンスの変化を引き起こし得る。温度の周期的な変化により、ＰＭＣ源への修復不可能な損傷、または後者の完全な破壊のリスクも危惧される。

上記の記述は、図２によって示され、図２は、同じ特徴を有する図１のような２つの別々のセットＡおよびＢにおいて、結合前および結合後のＰＭＣ源についての波長に応じた正規化強度（ＮＩ）の読み取り値を示す。ＣＡＳＣ曲線およびＣＢＳＣ曲線は、それぞれ、セットＡおよびＢについて接着剤なしで得られた測定値である。ＣＡＡＣ曲線およびＣＢＡＣ曲線は、それぞれ、セットＡおよびＢについて結合後に得られた測定値である。これらの測定値は、光ファイバ（ＦＯ）の結合によってＰＭＣ源内に導入される共振およびエネルギーレベルのシフトを示し、シフトは、それでも同じ特徴を有するセットＡとＢとの間で実質的に異なる。これらのシフトの予測不可能性は、パフォーマンスの再現性を保証するソリューションとしての結合ソリューションを無効にする。

本発明は、高いアライメント精度を可能にし、従来技術の前述の欠点を有さない、光ファイバとアクティブまたはパッシブフォトニックデバイスとの間のカップリングソリューションを提供することを目的とする。前述のアクティブまたはパッシブフォトニックデバイスは、格子、導波管または他の形態の光学カップリングシステムを含む、当業者に既知の異なるタイプのデバイスを網羅する。

第１の態様によれば、本発明は、光ファイバをフォトニックデバイスとカップリングするための方法に関し、光ファイバは、１つのファイバ端部がフォトニックデバイスの感応表面に対向している。本発明によれば、本方法は、Ａ）ファイバの端部に、フォトニックデバイスとは異なる支持体を形成する周囲構造上に支持を提供し、フォトニックデバイスの感応表面とのいずれかの接触を防止するように配置された追加のマイクロ構造を装備するステップと、Ｂ）アクティブアライメント手順を実施することによって、ファイバ端部を感応表面と位置および角度において最適に位置合わせするステップと、Ｃ）ファイバ端部と感応表面との間の最適な間隔距離およびアライメントを維持するように、周囲の支持体構造に対してマイクロ構造および／または光ファイバにベアリング圧力を加えるステップと、の連続的なステップを備える。

別の特定の特徴によれば、ステップＢ）はまた、最適な間隔距離の決定を含む。

さらに別の特定の特徴によれば、最適な間隔距離は３μｍ未満である。

別の態様によれば、本発明はまた、簡潔に上述した方法を実装することによって、光ファイバをフォトニックデバイスとカップリングするためのマイクロ構造に関し、マイクロ構造は、光ファイバアセンブリスリーブを形成する部分と、支持ベースを形成する部分とを含む単一部品の形態にある。

特定の特徴によれば、マイクロ構造はポリマー材料よりなる。

別の特定の特徴によれば、マイクロ構造は、可撓性材料または硬質材料よりなる。

さらに別の特定の特徴によれば、支持ベースを形成する部分は、リングの一般的な形状である。

さらに別の特定の特徴によれば、支持ベースを形成する部分は、三脚台の一般的な形状である。

本発明はまた、光ファイバ、フォトニックデバイス、およびフォトニックデバイスに面する光ファイバの１つの端部に配置された、簡潔に上述したマイクロ構造を含むセットに関する。

本発明の他の利点および特徴は、添付の図面を参照して以下のいくつかの特定の実施形態の説明を読むことによってより明確に現れるであろう。

単一の光子源と、源に１つの端部が結合された光ファイバとから形成された従来技術によるセットの簡略化された斜視図である。 図１のような先行技術のセットで得られた測定読み取り値を示す。 本発明が適用可能な環境の一例としての量子チップを示す図である。 半導体マイクロピラー、マイクロ構造、および源と１つの端部がカップリングされた光ファイバの形態にある、単一光子源の発明によるセットの簡略化された断面図である。 図４のような本発明のセットに含まれ、光ファイバの端部に配置された本発明によるマイクロ構造の簡略化された断面図である。 本発明のマイクロ構造の２つの異なる実施形態を示す簡略化された斜視図である。 光ファイバの端部とマイクロピラーのアクティブ面との間の間隔距離に従って得られたカップリングの異なる直径の半導体マイクロピラーの読み取り値を示す。 本発明による方法のステップを示す図である。 光ファイバの端部が本発明の方法の実装によってカップリングされる、量子チップのアクティブまたはパッシブフォトニックデバイスに面する、量子チップを組み込んだプレート上に光ファイバの端部を固定するために使用される機械的デバイスの例を示す斜視図である。

本発明の方法およびマイクロ構造は、図３～９を参照して、少なくとも１つの量子箱を統合する半導体マイクロピラーデバイスタイプの、ＰＩＬと呼ばれる単一光子またはもつれ光子の源との、ＦＯＭと呼ばれる単一モード光ファイバのカップリングへのそれらの適用の文脈において以下に説明される。ＰＩＬ源は、本明細書の残りの部分では「半導体マイクロピラー」とも呼ばれる。

図３を参照すると、半導体ピラーＰＩＬは、半導体ナノ構造の形態のＱＤ量子箱と、共振マイクロキャビティＣＡＶとを本質的に備える。半導体マイクロピラーＰＩＬは、量子用途のために、オンデマンドでもつれるか否かにかかわらず、単一の光子を生成することができる量子構造である。光子は、アクティブ面ＦＡによって放出され、アクティブ面ＦＡの反対側では、光ファイバＦＯＭが室温から低温までの温度範囲にわたって高精度に位置合わせされ、定位置で保持されなければならない。図３に図示されるように、本発明の適用のこの例では、半導体マイクロピラーＰＩＬは、ここでは複数の同様のマイクロピラーＰＩＬを含む量子チップＰＱに統合されている。量子チップＰＱは、典型的には、ＱＤ量子ドットの電子制御のためのレーザダイオードＤＤ、および導波管、スプリッタ、またはその他などのパッシブデバイスなど、マイクロピラーＰＩＬの近くの環境に位置する他の構造および構成要素を含む。一般に、マイクロピラーＰＩＬの近くの環境に位置する構造および構成要素は、テキストの残りの部分において「構造ＳＥ」と称される。

本発明によれば、図４および６に示されるように、光ファイバＦＯＭは、その端部に、追加のピースであるマイクロ構造ＭＳが設けられている。マイクロ構造ＭＳは、光ファイバＦＯＭを半導体マイクロピラーＰＩＬとカップリングするための取り付け支持体として機能する。マイクロ構造ＭＳは、光ファイバＦＯＭの端部と、半導体マイクロピラーＰＩＬの感応表面であるアクティブ面ＦＡを有するマイクロ構造ＭＳとの間のいかなる接触もなしに、半導体マイクロピラーＰＩＬのこのアクティブ面ＦＡと反対側への光ファイバＦＯＭの端部の最適な位置決めを可能にするように配置される。より一般的には、本発明によれば、マイクロ構造ＭＳは、本明細書に記載される例示的な実施形態における半導体マイクロピラーＰＩＬであるフォトニックデバイスの感応表面とのいかなる接触も防止するように配置される。

図５に最もよく見られるように、マイクロ構造ＭＳは、光ファイバＦＯＭとアセンブリスリーブを形成する部品ＭＡと、支持ベースを形成する部品ＳＰとを本質的に備える単一部品である。

アセンブリスリーブＭＡを形成する部品は、典型的には、繊維の円形断面と互換性のある略円形の円筒形状を実質的に有する。中央ボアは、アセンブリスリーブＭＡを形成する部品に作られ、その中にぴったりと取り付けられる光ファイバＦＯＭの端部を受容する。アセンブリスリーブＭＡの部品の底壁は、中央円形開口部ＥＣを有する。中央円形開口部ＥＣは、光ファイバＦＯＭの端部において、そのコアと半導体マイクロピラーＰＩＬのアクティブ面ＦＡとの間の材料の総解放を得るように、典型的には、光ファイバＦＯＭのコアよりも大きい直径を有する。

本発明によれば、支持ベースＳＰを形成する部品は、半導体マイクロピラーＰＩＬのすぐ近傍にある１つ以上の構造ＳＥ上に静置するが、後者との、特にそのアクティブ面ＦＡまたは接触もしくは圧力に感応な任意の他の部分とのいかなる接触も回避するように設計されている。支持ベースＳＰを形成する部品は、用途に応じて、特に、周囲構造ＳＥの構成に応じて、異なる形状および寸法を有してもよい。

マイクロ構造の実施形態の２つの非限定的な例、ＭＳ１およびＭＳ２は、例示として図６に示される。マイクロ構造ＭＳ１において、支持ベースＳＰ１を形成する部品は、リング、またはフランジの形状にある。マイクロ構造ＭＳ２において、支持ベースＳＰ２を形成する部品は、三脚台として構成される。

マイクロ構造ＭＳは、用途に応じて、異なるタイプの可撓性または剛性な材料で製造されてもよい。したがって、例えば、直径１２５μｍの単一モード光ファイバに、前述のリングタイプの高さ３μｍのポリマーマイクロ構造ＭＳを設けることにより、良好な結果が得られた。

図７を参照すると、本発明のエンティティによって、約９３０ｎｍの光学波長に対して、異なる直径Ｄｐ＝２μｍ、Ｄｐ＝２．３μｍ、Ｄｐ＝２．８μｍ、およびＤｐ＝３．４μｍの半導体微小ピラーを用いて実施された試験は、光ファイバＦＯＭと半導体マイクロピラーＰＩＬとの間の最適なカップリングＣＰＬが、光ファイバＦＯＭの端部とアクティブ面ＦＡとの間の間隔距離隔Ｄ（図４参照）が約３μｍの距離Ｄｍａｘ未満であるときに得られることを示している。実際に、光ファイバＦＯＭ内の信号を最大化するために、後者は、本発明によると、アクティブ面に触れることなく、アクティブ面ＦＡに可能な限り近くなくてはならない。一般に、用途に応じて、１～２μｍのオーダーの隙間距離Ｄの精度が要求される。

本発明によると、光ファイバＦＯＭに対し、長手軸ＡＸに沿って、アクティブ面ＦＡに向かう圧力Ｐ（図４参照）を加えることは、所望の最適カップリング関係を取得し、維持するために推奨される。

ここで図８を参照すると、本発明による方法は、本質的に、図８に示される４つの主要なステップＳ１～Ｓ４を含む。

ステップＳ１は、光ファイバＦＯＭの端部におけるマイクロ構造ＭＳのぴったりとした取り付けに関する。機械的固定は、典型的には、弾性クランプまたは当業者に既知の任意の他の手段を用いて取り付けることによって得られる。

ステップＳ２は、アクティブ面ＦＡまたはマイクロピラーのいずれかの感応な部分とのいかなる接触なしに、半導体マイクロピラーＰＩＬの近くの構造ＳＥ上に、マイクロ構造ＭＳを配置することによる、半導体マイクロピラーＰＩＬ上への光ファイバＦＯＭの第１の配置に関する。

ステップＳ３は、上述のＨａｕｐｔらによるようなアクティブアライメント手順を用いた、光ファイバＦＯＭの端部とアクティブ面ＦＡとの間の位置および角度における最適アライメントの探索に関する。第一に、サブステップＳ３０において、間隔距離ＤはおよそＤｍａｘ＝３μｍに調整され、マイクロ構造ＭＳの最適な位置は、アクティブ面ＦＡの表面上の実質的なコプレーナ平面における後者のマイクロ変位によって求められる。第二に、サブステップＳ３１において、間隔距離Ｄは、光ファイバＦＯＭに圧力Ｐを加えることによって求められ、それによりマイクロ構造ＭＳが支持構造ＳＥに押し付けられ、相関的に、光ファイバＦＯＭの端部がアクティブ面ＦＡに近づけられる。

ステップＳ４は、ステップＳ３で得られた最適なカップリングを維持するために、アクティブ面ＦＡに対する光ファイバＦＯＭの位置の最終的な機械的ロックに関する。

典型的には、ステップＳ２～Ｓ４は、そのマイクロ構造ＭＳを備えた光ファイバＦＯＭが機械的デバイスに取り囲まれている間に実施され、機械的デバイスは、後者の変位の正確な調整、圧力の印加、および最適なカップリング位置の最終的なロックを可能にする。例えば、そのような機械的デバイスは、図９に例示によって示されるデバイスＤＣＦなどのファイバ接続デバイスに統合され得る。図９に見られるように、デバイスＤＣＦは、光ファイバＦＯＡの端部を囲み、光ファイバＦＯＡがカップリングされるアクティブまたはパッシブなデバイスを有する量子チップ（図示せず）を支持するプレートＰＬ上に固定される。

本発明は、温度に感応ではない高品質のカップリングを提供する。圧力Ｐの印加は、少なくとも１００倍の改善を伴って、変位に対するより大きな公差を提供する。

本発明は、エミッタ、検出器、導波管、および他のタイプの幅広い出委のアクティブまたはパッシブフォトニックデバイスとの光ファイバのカップリングに適用可能である。

本発明は、例示として本明細書で説明された実施形態に限定されないことが理解されるであろう。当業者は、本発明の用途に応じて、本発明の保護の範囲内にある様々な修正および変形を行うことができる。

Claims (9)

1. 光ファイバ（ＦＯＭ）をフォトニックデバイス（ＰＩＬ）とカップリングする方法であって、前記光ファイバ（ＦＯＭ）の１つのファイバ端部が、前記フォトニックデバイス（ＰＩＬ）の感応表面（ＦＡ）に面する、方法であって、Ａ）前記ファイバ端部に、前記フォトニックデバイス（ＰＩＬ）とは異なる支持体（ＳＥ）を形成する周囲構造上に支持を提供し、前記フォトニックデバイス（ＰＩＬ）の前記感応表面（ＦＡ）とのいずれかの接触を防止するように配置された追加のマイクロ構造（ＭＳ）を提供するステップと、Ｂ）アクティブアライメントを実施することによって、前記ファイバ端部を前記感応表面（ＦＡ）と位置および角度において最適に位置合わせするステップと、Ｃ）前記ファイバ端部と前記感応方面（ＦＡ）との間の間隔距離（Ｄ）および最適なアライメントを維持するように、支持体（ＳＥ）を形成する前記周囲構造に対するベアリング圧力（Ｐ）を前記マイクロ構造（ＭＳ）および／または前記光ファイバ（ＦＯＭ）に加えるステップと、の連続的なステップを備えることを特徴とする、方法。
2. 前記ステップＢ）が、前記最適な間隔距離（Ｄ）を決定することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記最適な間隔距離（Ｄ）が３μｍ（Ｄｍａｘ）未満であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の方法を実装することによって、光ファイバ（ＦＯＭ）をフォトニックデバイス（ＰＩＬ）とカップリングするためのマイクロ構造（ＭＳ）であって、光ファイバアセンブリスリーブ（ＭＡ）を形成する部分と、支持ベース（ＳＰ）を形成する部分とを含む単一部品の形態にあることを特徴とするマイクロ構造（ＭＳ）。
5. ポリマー材料よりなることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ構造。
6. 可撓性材料または硬質材料よりなることを特徴とする、請求項４または５に記載のマイクロ構造。
7. 支持ベース（ＳＰ１）を形成する前記部分がリングの一般的な形状であることを特徴とする、請求項４～６のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
8. 支持ベース（ＳＰ２）を形成する前記部分が三脚台の一般的な形状であることを特徴とする、請求項４～６のいずれか一項に記載のマイクロ構造。
9. 光ファイバ（ＦＯＭ）、フォトニックデバイス（ＰＩＬ）、および前記フォトニックデバイス（ＰＩＬ）に面する前記光ファイバ（ＦＯＭ）の１つの端部に配置されたマイクロ構造（ＭＳ）を備えるセットであって、前記マイクロ構造（ＭＳ）が請求項４～８のいずれか一項に記載のマイクロ構造であることを特徴とする、セット。

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