JP2023164231A - 性能改善されたヘテロジニアスレーザおよび能動構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】性能改善されたヘテロジニアスレーザおよび能動構成要素を提供すること。【解決手段】デバイスは、共通の基板上に製造される第１、第２、および第３の要素を備える。第１の要素は、第１の光モードをサポートする能動導波路構造物、およびモード利得制御構造物のうちの少なくとも１つを備える。第２の要素は、第２の光モードをサポートする受動導波路構造物を備える。第１の要素に少なくとも部分的に突き合わせ結合される、第３の要素は、中間光モードをサポートする中間導波路構造物を備える。第１の光モードが、所定の量を超えて第２の光モードと異なる場合、第２および第３の要素のうちの少なくとも１つの先細導波路構造物が、第２の光モードと中間光モードのうちの１つとの間の効果的な断熱変換を容易にする。中間光モードのいずれかと第１の光モードとの間で断熱変換は生じない。第１、第２、および第３の要素の相互の位置合わせは、リソグラフィ位置合わせマークを使用して規定される。【選択図】なし

Description

本発明は、半導体レーザ、増幅器、変調器、および光検出器に関する。より詳細には、本発明の一定の実施形態は、光学的に結合される異種の材料を使用して、ヘテロジニアスに統合されたレーザ、増幅器、変調器、および光検出器の性能改善に関する。

フォトニック集積回路（ＰＩＣ）または集積光回路は、複数のフォトニック機能を統合しており、そのため、電子集積回路に類似するデバイスである。その２つの間の主な違いは、フォトニック集積回路が、光学的搬送波に与えられる情報信号のための機能を提供することである。フォトニック集積回路で最も商業的に利用される材料プラットフォームは、リン化インジウム（ＩｎＰ）であって、これによって、同じチップ上で、様々な光学的に能動的および受動的な機能の統合が可能になる。多くの現行のＰＩＣがＩｎＰプラットフォームで実現されているが、電子集積回路のために既に行われていた投資を活用する、以前の材料についてのいくつかの優れた特性および優れた処理能力に起因して、過去十年で、ＰＩＣを実現するためにＩｎＰではなくむしろシリコンを使用することにおいて、かなりの調査が行われてきた。

ＰＩＣにシリコンを使用することにおける最大の問題は、シリコンが、電気的にポンピングされる光源を提供するのを困難にさせる間接遷移型材料であるということである。この問題は、別個のプロセスにおいて異種の材料から作られた２つ以上のチップを備えるＰＩＣを組み立てることによって一般的に解決される。そのような手法は、パッケージング費用を増加させ、小型化の制限をもたらす、非常に精細な位置合わせが必要となることに起因して、困難である。遷移型問題を解決する別の手法は、２つの異種の材料を結合し、それらを一緒に処理して、異種の材料の大きな部片または全ウェハを結合する期間中に正確な位置合わせをする必要をなくすこと、および大量生産を可能にすることである。本開示では、「ハイブリッド」という用語を使用して、別個に処理した部品の正確な組立を含む第１の手法を記載し、「ヘテロジニアス（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ）」という用語を使用して、２つの材料を結合し、次いで、結合された構造物を処理して、導波路および対象の他の構成要素を規定する後者の手法を記載する。

異種の材料間で光信号を伝達するため、ヘテロジニアス手法では、異種の材料の実効モード屈折率が一致して効率的なパワー伝達が実現するまで、徐々にその寸法が変化するテーパを利用する。この手法は、材料がシリコンおよびＩｎＰの場合と同様の屈折率を有するときに、一般的に良好に働く。たとえば、ＳｉＮとＧａＡｓ間などといった、実効屈折率が大きく異なる場合に、テーパ端寸法の要件が法外になり、効率的なパワー伝達を制限する。具体的には、良好な結合を実現するために、（数ナノメートルの程度の）極度に小さいテーパ端幅が必要になる場合がある。そのような寸法を達成するのは、複雑で、費用対効果的でない可能性がある。

ＩｎＰおよびシリコンベースのＰＩＣは多くの現在の要望に対処するが、それらにはいくつかの制限がある。とりわけ、材料の吸収が損失を増加させることにより動作波長範囲が制限されること、および、ＰＩＣが取り扱うことができる最大光強度したがって光パワーの制限があることが挙げられる。これらの制限に対処するために、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮなどといった、代替の導波路材料が考えられている。一般的に、そのような誘電体導波路はより大きい遷移エネルギーを有し、このことによって、より短い波長でのより良好な大パワーの取扱いおよび透明度を実現するが、一般的にそのような材料は、より小さい屈折率も有する。たとえば、約５ｅＶのバンドギャップを有するＳｉＮは約２の屈折率を有し、ＡｌＮは約６ｅＶのバンドギャップおよび約２の屈折率を有し、約８．９ｅＶのバンドギャップを有するＳｉＯ２は約１．４４の屈折率を有する。比較して、ＩｎＰとＧａＡｓ両方の屈折率は、＞３である。このことによって、テーパ手法が困難になる。

代替のハイブリッド手法は、既に述べた欠点、すなわち、正確な位置合わせをする必要があり、それに対応して、複雑なパッケージングおよび小型化の制限がある。

上記で議論した問題に対する最近の手法は、極度に小さいテーパ端幅の必要がなく使用されるヘテロジニアスプロセスを可能にするように、モード変換器と組み合わされる突き合わせ結合を採用する特許文献１において提示された。

米国特許第１０，８５９，７６４号

本発明は、このようにして突き合わせ結合を採用し、性能を改善したレーザ、増幅器、変調器、および光検出器などの能動デバイスを含むＰＩＣに向けられている。特に、以下に記載される実施形態は、高性能レーザ、増幅器、変調器、および光検出器の作成に必要な、光結合構造物の詳細な設計および能動構成要素のモード制御に関係する。

本発明の一実施形態によるデバイスを示す、上から見た断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの上から見た断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの上から見た断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの端面断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの端面断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの上から見た断面図である。

ここで記載されるのは、ウェハ結合および異種の材料の堆積を使用するフォトニック集積回路の実現のためのプラットフォームの実施形態が含まれ、ここでは、モード変換および突き合わせ結合方式の使用によって光結合が改善され、能動デバイス中の、強固で、製造に耐える結合およびモード制御用に性能が最適化される。

以下の詳細な記載では、その部分を形成する添付の図面への参照が行われ、添付の図面では、全体を通して同様の数値は同様の部分を示しており、本開示の主題を実施できる実施形態が例として示される。他の実施形態を利用することができ、本開示の範囲から逸脱することなく、構造的または論理的変更を行うことができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な記載は、限定する意味でとらえるべきでなく、実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって規定される。

本記載は、頂部／底部、入／出、上／下などといった視点ベースの記載を使用する場合がある。そのような記載は、単に議論を容易にするために使用され、本明細書に記載される実施形態の用途を何らかの特定の向きに限定する意図はない。本記載は、「一実施形態では」、または「実施形態では」という語句を使用する場合があり、これらは、各々が、同じまたは異なる実施形態の１つまたは複数のことを言ってよい。さらに、本開示の実施形態で使用する「備える（comprising）」、「含む（including）」、「有する（having）」などの用語は、同意語である。

本開示の目的では、「Ａおよび／またはＢ」という語句は、（Ａ）、（Ｂ）、または（ＡおよびＢ）を意味する。本開示の目的では、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」という語句は、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（ＡおよびＢ）、（ＡおよびＣ）、（ＢおよびＣ）、または（Ａ、Ｂ、およびＣ）を意味する。

「と結合された」という用語ならびにその派生形が本明細書で使用される場合がある。「」は、以下のうちの１つまたは複数を意味してよい。「結合された」は、２つ以上の要素が、直接的に物理、電気、または光学接触することを意味してよい。しかし、「結合された」は、２つ以上の要素が、互いに間接的に接触するが、依然として互いに協働する、または相互作用することも意味することができ、互いに結合すると言われる要素の間に１つまたは複数の他の要素が結合または接続されることを意味することができる。「直接的結合」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部分で直接接触することを意味する。「突き合わせ」という用語は、「端面」または軸方向結合を意味する通常の意味で本明細書中において使用される。ここでは、対象の要素の間に、最小またはゼロの軸方向オフセットが存在する。軸方向オフセットは、たとえば、典型的には高反射性または反射防止機能を実現するために使用される薄いコーティング層などといった、何らかの種類の薄い介在層が要素間に形成される場合に、ゼロよりもわずかに大きくなってよい。２つの導波路構造または要素の軸は、それらが突き合わせ結合していると正確に記載するには、同一線上にある必要がないことに留意されたい。言い換えると、要素間に界面が、いずれかの軸に対して垂直となる必要がない。下で議論される図１の実施形態は、そのような可能性の例示である。

「能動デバイス」という用語を本明細書で使用する場合がある。能動と呼ばれるデバイスまたはデバイスの一部は、光の発生、増幅、変調、および／または検出を行うことができる。これは、「受動デバイス」によって意味するものと対照的である。「受動デバイス」の原則的な機能は、光を閉じ込めるおよび導く、および／または、分割、組合せ、フィルタ処理を行う、および／または、受動デバイスに一般的に関連する他の機能性である。いくつかの受動デバイスは、たとえば、変調を実現できる熱効果または同様のものを使用して実装される位相調節などといった、能動デバイスの機能性と重複する機能を実現することができる。純粋に材料の組成またはデバイス構造に基づいた、「能動」と「受動」の間の絶対的な差異を考えるべきでなない。たとえば、シリコンデバイスは、変調または低波長の放射の検出のある種の条件下で能動と考えることができるが、ほとんどの他の状況で受動と考えることができる。

図１は、異種の材料間の効果的な結合のために、突き合わせ結合およびモード変換を利用する統合フォトニックデバイス１００の一実施形態の上面図を提供する。点線Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧは、図４を用いてより詳細に記載される本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの端面断面図、より具体的には、端面図４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄ、４００Ｅ、４００Ｆ、および４００Ｇに対応する。

図１、図２、図３、および図４を用いて詳細に記載されるように、層１０１に規定される構造物によって導かれる光モード１５１は、層１０２に規定される構造物によってサポートされる光モード１５３に効果的に結合され、その逆も同様である。

層１０１は、一般的に能動デバイスと呼ばれるものを構成し、限定しないが、ＩｎＰおよびＩｎＰベースの三元および四元物質、ＧａＡｓおよびＧａＡｓベースの三元および四元物質、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、およびＩｎＳｂならびにそれらの変種および派生物を含む材料から構成することができる。一実施形態の層１０１は、多層化され、能動デバイスについて当技術分野で知られているように、光学的閉込めおよび電気的閉込めの両方ならびに電気的接触を実現する層を備える。そのようなサブレイヤ１０１ａおよび１０１ｂの２つが、図１に示される図に存在し、図４を用いてより詳細な記載が提示される。前記多層は、一般的に垂直の閉込めを実現する。実施形態のうちの１つでは、（４００Ｇにも示され、後で記載されるように）隆起タイプの構造物を規定することによって、水平の閉込めが実現される。水平の閉込めは、当技術分野の注入または他の技術によって、ストリップ構造物（図示せず）を生成することによって実現することもできる。両方の場合で、閉込め構造物の意図は、光モードの位置および形状を制御して、光モードと、注入、生成、および／または空乏したキャリアとの間の相互作用を導き最適化するのを実現することである。

この上面図では、層１０１の２つのサブレイヤが示される。サブレイヤ１０１ａは水平の閉込め機能を実現し、サブレイヤ１０１ｂは能動デバイスの能動領域を備える。能動領域は、キャリアと光モードの間の相互作用の大部分が生じ、典型的には、量子井戸、量子ドット、および／またはｐ（ｉ）ｎ接合を備える容積である。１０１ａと１０１ｂの両方の寸法が、たとえば図１に示されるようなデバイスの長さに沿って最適化することができ、ここで、１０１ａ断面の幅は、層１０３との界面でより大きくなる（追って記載される）。

能動層１０１によってサポートされる光モード１５１は、層１０２に効果的に結合するためモードを変換する働きをする層１０３に導かれる。たとえば高反射性および／または反射防止コーティング層などといった任意選択のコーティング層（図示せず）を、たとえば層１０１と層１０３の間などといった層間の界面のいずれかで使用することができる。層１０３は中間導波路として働き、中間導波路は、いくつかの実施形態では、光モード１５１の形状を受け入れ、層１０３がコアを提供する導波路によってサポートされる光モード１５２として効果的に光モード１５１の形状を捕捉し、層１０２が層１０２および１０３のうちの少なくとも１つでテーパを利用してコアを提供する光モード１５３に光モード１５２を徐々に伝達する。図１に示される実施形態は、層１０２と１０３の両方のテーパを図示するが、層のうちの一方だけのテーパで同様の機能性を実現することができる（図示せず）。前記テーパは、たとえば複数のエッチングを利用して、拡大することができる。

層１０３の屈折率および寸法は、（突き合わせ結合手法を利用する）モード１５１および１５２と（少なくとも１つのテーパで断熱変化を利用する）モード１５２および１５３との両方の間で効率的な結合が容易になるように設計することができる。いくつかの実施形態では、層１０３の屈折率は、１．５５と１．８の間であって、このことによって、（ＧａＡｓまたはＩｎＰ材料系に基づく場合）実効屈折率が一般的に３より大きい層１０１からの効率的な（突き合わせ）結合、および層１０２の屈折率が１．６と２．５の間であるときの層１０２の様々な幾何形状が可能になる。いくつかの実施形態では、層１０３はＳｉＯＮ（シリコン酸窒化物）層として具体化される。ここでは、正確な屈折率を、ＳｉＯ２材料の屈折率（約１．４４）とＳｉＮ材料の屈折率（約２）の間の範囲に堆積期間に調節することができる。他の実施形態では、層１０３はポリマとして具体化され、その多くは、好適な範囲の屈折率を有する。さらに他の実施では、好適な屈折率を有する他の材料が利用される。

一実施形態での層１０２は、約２の屈折率を有するＳｉＮである。いくつかの実施形態では、層１０２は、＜２の屈折率を有するＳｉＯＮ層である。さらに他の実施形態では、層１０２は、約２．２の屈折率を有するＬｉＮｂＯ３である。さらに他の実施形態では、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、またはＡｌＮなどの材料が層１０２に使用される。すべての材料の屈折率が波長依存性を有し、近赤外線領域用に近似値が与えられることに留意されたい。

層１０１の寸法（あるいは、より具体的には、厚さ）は、一般的に、能動デバイスの性能について最適化され、一方で、層１０２の寸法（あるいは、より具体的には、厚さ）は、一般的に、受動デバイスの性能について最適化され、一方で、層１０３の寸法（厚さおよび幅の両方）は、モード１５１と１５３の間の効率的な結合について最適化される。いずれかの層で具体化されるすべての導波路の幅は、当技術分野で知られているようにリソグラフィ、エッチング、および堆積ステップによって制御可能である。

１０３および／または１０２中に具体化される導波路用の、上クラッド層１０７は周囲の空気であってよく（クラッド材料が実際には堆積されないことを意味する）、または、限定しないがポリマ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどを含む任意の他の意図的に堆積した好適な材料であってよい。すべての場合で、クラッド１０７の屈折率は、層１０２と１０３の両方の屈折率より低い。いくつかの実施形態では、いくつかが、たとえば表面パッシベーションなどといった追加機能性を実現するクラッド１０７として、複数の材料が機能することができる。他の実施形態では（図示せず）、そのコアが層１０１、１０２、および／または１０３中に規定される導波路用に、異なるクラッドを利用することができる。

導波路、接点、および他の特徴を規定するために使用される様々な処理ステップの間の正確な位置合わせのために、１つまたは複数のリソグラフィ位置合わせマーク１２０が使用される（簡単にするためただ１つが示される）。

（たとえば、１０１と１０３の間といった）異なる層の各境界は、反射防止コーティングとして働いて、より効率的なパワー伝達を容易にする、または、表面パッシベーション機能性を提供して能動デバイスの特性を改善する追加の薄い層を備えてよい（図示せず）。

図２は、能動層２０１と中間層２０３の間の界面を規定して記載するための、（図１に関して記載されたような）統合フォトニックデバイス２００の一実施形態の上面図の拡大部を描く。本実施形態における２つの層２０１と２０３の間の界面は、フォトニック集積回路を備える構成要素の性能に悪影響をおよぼす可能性がある、対応する後方反射を制御するために傾けられる。たとえば高反射性および／または反射防止コーティング層などといった任意選択のコーティング層（図示せず）を、層間の界面のいずれかで使用することができる。

角度２２５は、構造物２０１の内側のモード２５１の伝播の方向の接線と、小面（２０３に向いた界面）との間の角度を規定する。角度２２５は、それが接合面２０３に達したときの、層２０１によってサポートされるモードの背面反射を制御するために主に利用される。一実施形態では、角度２２５は、８°にほぼ等しい。さらに別の実施形態では、角度２２５は、８°と２０°の間である。さらに別の実施形態では、角度２２５は、２０°より大きくてよい。

さらに別の実施形態で、構成要素の性能のために後方反射が実際に有利な場合、角度は、８°よりも実質的に小さく、この界面からの反射がたとえばミラーとして利用される場合（図示せず）、０°に実質的に等しくてよい。

角度２３０は、構造物２０１の内側のモード２５１の伝播の方向と、構造物２０３の内側のモード２５２の伝播の方向の角度との間の角度を規定する。前記角度は、層２０１および２０３によってサポートされるモード間の結合効率のための最適化パラメータであり、角度２２５ならびに／または層２０１および２０３ならびにそれらそれぞれのクラッド中の使用される材料の屈折率の選択に関係する。ほとんどの実施形態では、前記角度２３０は、０°と４５°の間であるが、正確な値は、たとえば、市販の電磁ソフトウェアを使用して行うことができる数値最適化の結果である。

２０１に対する界面での、構造物２０１の内側の波の伝播の方向によって規定される軸と、導波路２０３の中心との間の正確な垂直位置合わせ（図２における上下）が最適化パラメータであって、そのようなオフセットは、正（図２中の上）、負（図２中の下）、および／または０に実質的に等しい（オフセットなし）であってよい。そのような最適化は、角度２２５を最適化することとともに、変化の性能を最大化するため、数値ソフトウェアで実施するのに直接的である。

具体的な領域２４０が図２に略記され、壁領域と呼ばれるものに対応する。壁領域２４０は、壁領域の外側の領域と比較して、層２０１および２０３のうちの少なくとも一方について、拡大した寸法を有する（また、図２に示される実施形態で両方が図示される）。壁領域の拡大した寸法は、熱を放散し、光強度および／またはキャリア濃度を低下させることができる小面の面積を増加することにより、より大きいパワー設計の性能を改善するように働く。さらに、サイズの増加が熱インピーダンスを減少させるのを助け、その結果、小面における温度が性能をさらに改善する。図２にスケッチされたような実施形態では、層２０１中でサポートされる光モード２５１および層２０３中でサポートされる光モード２５２は、（より大きい断面寸法に起因して）壁領域２４０の内側に導かれず、ゆっくり発散する。典型的な壁は、有限の厚さ２４５のものであり、そのため、発散の効果は、２５１と２５２の間の結合効率に最小の影響をおよぼす。いくつかの実施形態では、合計の壁厚２４５は、１０μｍ未満である。さらに別の実施形態では、合計の壁厚は、２μｍ未満である。他の実施形態では、合計の壁厚は、モードサイズ、動作の波長、および／または光場の平均強度の関数であって、最高数百μｍ以上のより広い範囲で最適化することができる。合計の厚さ２４５は、動作の波長、導かれたときのモード２５１およびモード２５２のサイズ、小面における光強度、小面におけるキャリア密度に依存する最適化パラメータであり、高レベルの光の伝達を実現するため市販の電磁ソフトウェアを使用して最適化することができる。

図３は、大パワーの動作用に最適化された能動層３０１と中間層３０３の間の界面を規定して記載するため、（図１に関して記載されたような）統合フォトニックデバイス３００の一実施形態の上面図の拡大部を描く。本実施形態における２つの層３０１と３０３の間の界面は、フォトニック集積回路を備える構成要素の性能に悪影響をおよぼす可能性がある、対応する後方反射を制御するために傾けられる。たとえば高反射性および／または反射防止コーティング層などといった任意選択のコーティング層（図示せず）を、層間の界面のいずれかで使用することができる。

角度３２５は、構造物３０１の内側のモード３５１の伝播の方向の接線と、小面（接合面３０３）との間の角度を規定する。角度３２５は、それが接合面３０３に達したときの、層３０１によってサポートされる所望のモードの背面反射を制御するために主に利用される。一実施形態では、角度３２５は、８°にほぼ等しい。さらに別の実施形態では、角度３２５は、８°と２０°の間である。さらに別の実施形態では、角度３２５は、２０°より大きくてよい。

さらに別の実施形態で、構成要素の性能のために後方反射が実際に有利な場合、角度は、８°よりも実質的に小さく、この界面からの反射がたとえばミラーとして利用される場合（図示せず）、０°に実質的に等しくてよい。

角度３３０は、構造物３０１の内側のモード３５１の伝播の方向と、構造物３０３の内側のモード３５２の伝播の方向との間の角度を規定する。前記角度は、層３０１および３０３によってサポートされるモード間の結合効率のための最適化パラメータであり、角度３２５ならびに／または層３０１および３０３ならびにそれらそれぞれのクラッド中の使用される材料の屈折率の選択に関係する。ほとんどの実施形態では、前記角度３３０は、０°と４５°の間であるが、正確な値は、たとえば、市販の電磁ソフトウェアを使用して行うことができる数値最適化の結果である。

３０１に対する界面で、構造物３０１の内側の波の伝播の方向によって規定される軸と、導波路３０３の中心との間の正確な垂直位置合わせ（図３における上下）が最適化パラメータであって、そのようなオフセットは、正（図３中の上）、負（図３中の下）、および／または０に実質的に等しい（オフセットなし）であってよい。そのような最適化は、数値ソフトウェア、角度３２５を最適化することとともに、変化の性能を最大化するために実行するのに直接的である。

具体的な領域３４０が図３に略記され、フレア形壁領域と呼ばれるものに対応する。フレア形壁領域３４０は、フレア形壁領域の外側の領域と比較して、層３０１および３０３のうちの少なくとも一方について、拡大した寸法を有する（また、図３に示される実施形態で両方が図示される）。フレア形壁領域の拡大した寸法は、光強度および／またはキャリア濃度を低下させることができる小面の面積を増加することにより、より大きいパワー設計の性能を改善するように働く。さらに、サイズの増加が熱インピーダンスを減少させるのを助け、その結果、小面における温度が性能をさらに改善する。図３にスケッチされた実施形態では図２にスケッチされた実施形態とは対照的に、フレア形壁領域３４０の外側の層３０１中でサポートされる光モード３５１およびフレア形壁領域３４０の外側の層３０３中でサポートされる光モード３５２は、モード３５１ａおよび３５２ａに徐々に変換され、モード３５１ａと３５２ａの両方は、より大きい効果区域を有し、その結果、より大きいパワーを可能にするより低い光強度を有する。

本開示の残りの部分では、壁領域という用語は、図２を用いて記載されたような壁領域と、図３を用いて記載されたようなフレア形壁領域との両方を含む。

本発明以前、すなわち中間層１０３／２０３／３０３がない場合、層１０１／２０１／３０１と層１０２／２０２／３０２の間の直接伝達のためのテーパ端幅についての要件は、それらの実効屈折率の差異に起因して問題があった。１００ｎｍ未満の狭さのテーパ端は、より大きい屈折率材料１０１／２０１／３０１で解像しなければならなかった。そのようなテーパ端の電気的なポンピングも困難であって、来たるべき実施形態におけるデバイス性能にさらに悪い影響をおよぼす可能性がある。しかし、いくつかの実施形態では傾けられた界面ではあるが、層１０１／２０１／３０１に突き合わせ結合される中間層１０３／２０３／３０３を使用することによって、テーパ端幅への厳しい要件が著しく低減され、大きい屈折率材料（層１０１／２０１／３０１）と小さい屈折率材料（層１０２／２０２／３０２）との間の効率的な伝達が可能になる。突き合わせ結合される界面では、要素１０１／２０１／３０１および１０３／２０３／３０３にサポートされる光モードの間に断熱変換は生じない。

図４は、図１中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧとマーキングされた７つの特徴的な場所に対応する７つの断面図４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄ、４００Ｅ、４００Ｆ、および４００Ｇを示す。（明示的に異なって規定されない限り）機能層４０１から４０７は、図１に関して記載されたような機能層１０１から１０７に対応する。

断面図４００Ａは、層４０２への光結合が完了した後の（光信号の流れは、図中で右から左に生じると仮定する）、図１に示されるようなデバイスの左端の一実施形態を示す。例示的なデバイスがどのように製造されるかについての詳細が、図５を用いて記載される。層４０５は、基板であって、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、石英、サファイア、ガラス、ＧａＮ、シリコンオンインシュレータ、または当技術分野で知られている他の材料などといった、半導体用の任意の好適な基板および誘電体処理であってよい。層４０４は、オプション層であって、その主な目的は、光導波路を形成するのに必要な場合、層４０２中に規定される導波路のための光学的クラッドを実現することである。光導波路は、光波を閉じ込めるために、２つのより小さい屈折率層間により大きい屈折率コアを置くことによって一般的に実現される。いくつかの実施形態では、層４０４が省略され、基板４０５自体がクラッドとして働く。層４０２は受動デバイス用の導波路コア材料である。その屈折率が層４０２の屈折率より小さい層４０８が、層４０２を覆い、層４０１および４０３の下になる（断面図４００Ａには示さないが、断面図４００Ｂ～４００Ｇおよび図５に見ることができる）。層４０８は表面を平坦化する働きをし、その結果、層４０３と４０１の両方の底面が平坦で、基板４０５から同じ高さになる。いくつかの実施形態では、層４０８は、何らかの残りの厚さ、典型的には２５０ｎｍ未満で、層４０２の上面を（図４にスケッチされるように）カバーする。他の実施形態では（図示せず）、層４０８の厚さは、その上面が層４０２の上面と同じ高さである、すなわち、層４０２の頂部に層４０８の厚さが残らないようなものである。層４０２の上面の上の層４０８の厚さが光モードのテールを完全に閉じ込めるのに十分でない場合、層４０７が上部クラッドとして働く。層４０７は、それぞれが層４０１、４０２、および４０３中に形成されるそれぞれの導波路に対するクラッド機能性を提供し、表面パッシベーション機能性も含む複数の材料を含むことができる。

断面図４００Ｂおよび４００Ｃは、層４０２と４０３の両方中のテーパが断面図４００Ａ中に存在する光モード１５３から断面図４００Ｄ中に存在する光モード１５２に変化させるように働く領域を示す。いくつかの実施形態（図示せず）では、テーパは、層４０２または４０３のうちのただ１つにあってよい。変換は、２つの層間の断熱テーパを利用し、層４０２中で支配的に存在するモードと層４０３中で支配的に存在するモードとの間に位相整合があるとき、支配的変化が発生する。この位相整合は、これら２つの層の間の実効屈折率が比較的小さい差異であることに起因して、より大きい導波路幅で生じるように設計することができるために、非常に微細なテーパ端の必要性を取り除くことができる。いくつかの場合に、標準的なリソグラフィが利用される場合であってさえ、たとえば２００ｎｍ以上の幅のテーパが、高い歩留まりの製造を可能にする効果的な伝達をサポートすることができる。他の場合に、たとえば１００ｎｍに近い幅を有するより狭いテーパを利用することができ、これは、高いスループットの製造を可能にする、高品質ＤＵＶリソグラフィを使用して製造することもできる。

断面図４００Ｄと４００Ｅの間の変化は、図２を用いて記載されたように急激であってよく、または図３用いて記載されたように徐々にであってよい。両方の場合で、モードは、層４０３の内側に主に存在する一方で、層４０８の厚さに依存し、層４０４が存在する場合、層４０４、４０５、４０７、および４０８のうちの少なくとも２つがクラッド機能性を提供する。

断面図４００Ｅと断面図４００Ｆの間の変化は、図１～図３を用いて記載され、図５を用いてさらに記載されるような突き合わせ結合を利用する。断面図４００Ｅにおける壁構造は、層４０３からなり、モードのテールだけが、クラッド材料（層４０４、４０５、４０７、および４０８のうちの少なくとも２つ）の中にある一方で、断面図４００Ｆにおける壁構造は、層４０１を形成する３つのサブレイヤ４０１ａ、４０１ｂ、および４０１ｃ、ならびにクラッド材料４０４、４０５、４０７、および４０８を備える。３つのサブレイヤ４０１ａ、４０１ｂ、および４０１ｃは、断面図４００Ｇを用いてより詳細に記載される。４００Ｅと４００Ｆの間のこの変化は、壁領域を含む。

層４０３の形状が矩形としてスケッチされるが、いくつかの他の場合には、層４０３の形状を、たとえば斜めの側壁および／またはリブ形状に変更して、１５１および１５２に図示される光モード間により良好な重ね合わせを実現することができる（図示せず）。

断面図４００Ｇは、光モード４５１（図１における１５１）が、サブレイヤ４０１ａ、４０１ｂ、および４０１ｃを備える層４０１中に実現される構造物によって導かれるときに、図１に示されるようなデバイスの右端における一実施形態の断面を示す。いくつかの実施形態におけるサブレイヤ４０１ａは、接触層（ｐ型接触またはｎ型接触のいずれか）のうちの少なくとも１つ、および任意選択で対応するクラッド層（ｐ型クラッドまたはｎ型クラッド）を備え、光モードは、メサまたは隆起をエッチングで規定することによって横方向に閉じ込められる。対応する金属４０９ａ（ｐ型金属またはｎ型金属）がサブレイヤ４０１ａの頂部に堆積され、任意選択のクラッド層およびサブレイヤ４０１ｂの部分が、光モード４５１と金属４０９ａおよびサブレイヤ４０１ａの接触層との間の重ね合わせを制御することによって内部損失を減らすことを実現するように働く。サブレイヤ４０１ａは、半導体デバイスの設計および製造の分野で知られているように、バンドギャップ平滑化層、エッチング停止層、傾斜層、電子ブロック層などといった追加層を備え、改善した性能を実現すること、またはより強靱な製造を容易にすることができる。

サブレイヤ４０１ｂは、能動デバイスの能動領域を含む。いくつかの実施形態では、能動領域は、量子井戸、量子ドット、ｐｎ接合および／またはｐｉｎ接合層、ならびに任意選択の、別個閉込めのヘテロ構造（ＳＣＨ）層からなる。サブレイヤ４０１ｂは、半導体デバイスの設計および製造の分野で知られているように、第２のクラッド層、バンドギャップ平滑化層、エッチング停止層、傾斜層などといった追加層を備え、改善した性能を実現すること、およびより強靱な製造を容易にすることができる。断面図４００Ｇ中の水平方向にスケッチされるような、サブレイヤ４０１ｂの幅は、サブレイヤ４０１ａの幅より広い。他の実施形態ではサブレイヤ４０１ｂの幅は、プロセスに関係した制限（側壁角度、後続のリソグラフィステップ位置合わせ精度、異なる材料組成についての異なるエッチング速度など）を考慮して、サブレイヤ４０１ａの幅とほぼ等しい（図示せず）。

サブレイヤ４０１ｃは、結合を容易にすること、および／または、転位を防止することのために、（サブレイヤ４０１ａと反対の極性の）第２の接触層および任意選択の超格子層を備える。サブレイヤ４０１ｃは、半導体デバイスの設計および製造の分野で知られているように、クラッド層、バンドギャップ平滑化層、エッチング停止層、傾斜層などといった追加層を備え、改善した性能を実現すること、およびより強靱な製造を容易にすることができる。断面図４００Ｇ中の水平方向にスケッチされるような、サブレイヤ４０１ｃの幅は、サブレイヤ４０１ａおよびサブレイヤ４０１ｂの幅より広い。クラッドの厚さがモード４５１と金属４０９ａの間の重ね合わせに直接影響をおよぼす金属４０９ａの場合とは対照的に、金属４０９ｂは、光モード４５１から横方向にオフセットされ（その横方向の閉込めは少なくとも１つのエッチングによって規定される）、それぞれのクラッド層の厚さにかかわらず、接触金属に起因した非常に低いまたは無視できるほどの光損失をもたらす。層４０２は、（断面図４００Ｇに示されるように）光モードの下でパターン形成しなくてよく、またはパターン形成して（図示せず）、たとえば、エバネセント場を介した光モード４５１への周波数選択性帰還といった、追加の機能性を実現することができる。

図５は、統合フォトニックデバイス５００の一実施形態の概略断面図である。（明示的に異なって規定されない限り）機能層５０１から５０７は、図１に関して記載されたような機能層１０１から１０７に対応し、（明示的に異なって規定されない限り）機能層５０１から５０９ａは、図４に関して記載されたような機能層４０１から４０９ａに対応する。

例示的な断面図は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、石英、サファイア、ガラス、ＧａＮ、シリコンオンインシュレータ、または当技術分野で知られている他の材料などといった、半導体用の任意の好適な基板および誘電体処理であってよい基板５０５を含む。示される実施形態では、第２の材料の層５０４は、当技術分野で知られている技法を使用して、基板５０５の上面に、堆積、成長、転写、結合、または他の方法で取り付けられる。層５０４の主な目的は、光導波路を形成するのに必要な場合、材料５０２のための光学的クラッドを実現することである。光導波路は、光波を閉じ込めるために、２つのより小さい屈折率層間により大きい屈折率コアを置くことによって一般的に実現される。いくつかの実施形態では、層５０４が省略され、基板５０５自体がクラッドとして働く。

層５０２は、当技術分野で知られている技法を使用して、存在する場合には層５０４の上、および／または、基板５０５の上に、堆積、成長、転写、結合、または他の方法で取り付けられる。層５０２の屈折率は、存在する場合には層５０４の屈折率より大きく、層５０４が存在しない場合、層５０２の屈折率は、基板５０５の屈折率より大きい。層５０４および／または５０２は、当技術分野で一般的なように、パターン形成、エッチング、平坦化、および／または再堆積することができる。

その屈折率が層５０２の屈折率より小さい層５０８が、層５０２を覆い、層５０１および５０３の下になり、層５０２のパターン形成した面を平坦化する働きをする。いくつかの実施形態では、層５０８の上面の平面性は、化学機械研磨（ＣＭＰ）または他のエッチング、化学的および／もしくは機械的研磨方法によって実現される。他の実施形態では、たとえば層５０８の材料がスピンオンガラス、ポリマ、フォトレジスト、または他の好適な材料である場合に、層５０８が堆積される方法の本質的な性質のために、平坦性が実現される。平坦化を制御して、（図５に示されるように）層５０２の上に、所望の、典型的には非常に低い薄さの層を残すこと、または層５０２の上面のレベルより上方のすべての材料を除去すること（図示せず）ができる。層５０８が層５０２の上に残される場合、目標の厚さは、１０ｎｍから数百ｎｍの範囲にあって、実際の厚さは、平坦化プロセスの典型的な全ウェハ不均一性を含む。いくつかの実施形態では、スピンオン材料が使用されて平坦化を行い、次いで、エッチバックして、典型的なＣＭＰプロセスと比較して改善した全ウェハ均一性がもたらされる。

層５０１は、対応する上面（５０８， ５０２）の全体または部分の上に結合される。前記結合は、直接の分子結合であってよく、または、当技術分野で知られているように、たとえばポリマフィルムなどといった結合を容易にする追加材料を使用することができる。層５０１は、図１～図４を用いて記載されたように、複数のサブレイヤ５０１ａ、５０１ｂ、および５０１ｃを備える。以前に述べたように、層５０２は、層５０８の堆積の前に、たとえばパターン形成およびエッチングで、層５０１の下を完全に除去することができる（図示せず）。

本発明は、層５０３によって容易にされる、層５０１および層５０２中に形成される導波路間の効果的な光結合を可能にする。層５０３は、中間導波路として働き、中間導波路は、いくつかの実施形態では、そのため層５０１がコアを提供する導波路によってサポートされる光モードの形状（線５５０によって描かれる）を受け入れ、層５０３が、モード形状５５１として効果的に形状を捕捉し、それをモード形状５５２、最終的に５５３に徐々に伝達する。モード形状５５３は、層５０２がコアを提供する導波路中で効果的に導かれる。他の実施形態では、進行の方向を反転させることができ、層５０３が、層５０２がコアを提供する導波路によってサポートされる光モード５５３を効率的に捕捉し、そのモード形状を、層５０１がコアを提供する導波路によってサポートされるモード５５０のものへと徐々に変換する。層５０３の厚さと屈折率の両方は、（突き合わせ結合手法を利用する）モード５５０および５５１と（図１を用いて図示したような１つまたは複数のテーパで断熱変化を利用する）モード５５１および５５３との両方の間で効率的な結合が容易になるように設計することができる。

本発明以前、すなわち中間層５０３がない場合、層５０２への光モードの効果的な伝達を容易にするための層５０１中のテーパ端幅についての要件は、上で議論したように、テーパ中の能動領域の困難なリソグラフィおよび困難なポンピングで問題であった。しかし、中間層５０３を使用することによって、テーパ端幅への厳しい要件が著しく低減され、非常に大きい屈折率材料（層５０１中のたとえばＧａＡｓなど）と小さい屈折率材料（層５０２中のたとえばＳｉＮなど）との間の効率的な伝達が可能になる。

層５０１および５０２それぞれの中の導波路によってサポートされる光モード間の差異は、モード形状の観察によって明らかであっても明らかでなくともよいが、１００％未満のモードの重ね合わせおよびモード５５０と５５３の間の垂直オフセット（図５）が（中間層５０３がない場合）著しい光損失をもたらす場合がある。いくつかの場合で、１ｄＢまでの損失は許容できるが、それ以上の損失は許容できないと考えることができる。他の場合では、３ｄＢの損失レベルが選択された基準であってよい。層５０３の機能は、不完全なモードの重ね合わせに起因する光損失を、所与の用途における許容可能レベルであると決定されるものより下に保つことである。

５０３および／または５０２中に具体化される導波路用の上クラッド層５０７は周囲の空気であってよく（クラッド材料が実際には堆積されないことを意味する）、または、限定しないがポリマ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどを含む、図５に示されるような任意の他の意図的に堆積した好適な材料であってよい。いくつかの実施形態では、層５０７と層５０８のために同じ材料が使用される。

いくつかの実施形態では、層５０８が存在せず、両方の層５０１が結合され、層５０３は、パターン形成した層１０２およびより下のクラッド５０４の上に堆積される。そのような実施形態では、平坦化ステップはない。このことによって、モード５５０と５５１の間の結合効率が低いことに起因する結合効率の全体的な低下を犠牲にして、（平坦化の必要をなくした）簡単な処理フロー、および、モード５５１からモード５５２、最終的にモード５５３への断熱変化を容易にするための、層５０２中のテーパ端幅についてのより困難な要件も実現することができる。

図６は、モード利得を最適化するために使用される本発明の一実施形態の断面図６００を示す。断面図６００は上で記載された断面図４００Ｇと同様であって、機能層６０１から６０９ｂは、断面図４００Ｇに関して記載されたような機能層４０１から４０９ｂに対応する。違いは、層６０１の能動領域中のモード利得を制御する働きをする、追加の層６１０および６１１を導入したことである。いくつかの実施形態では、層６０１中に規定される導波路構造物が、１つを超える光モードをサポートし、そのうちの２つ（６５１および６５２）が図６に図示されるが、２つを超えてサポートすることができる。層６１０および６１１は、大きい光損失を有する。たとえば、それらは金属であって、それらのバンドギャップが光子エネルギーより低く、および／または、それらが対象の波長で大きい損失定数によって特徴づけられる任意の他の好適な材料から作られる。光モード６５１および６５２に対する層６１０および６１１の位置は、モード損失に対する層６１０および６１１の影響が、前記領域との異なるモードの重ね合わせに起因して、モード６５１と６５２の間で異なるように最適化することができる。モード形状および６１０および６１１の位置を最適化することによって、様々なサポートされるモード間のモード利得を最適化して、特に、典型的により強い注入電流が使用される大パワーレーザおよび増幅器の場合における、より良好なデバイス性能を容易にすることができる。層６１０と６１１は、（断面図６００に対して直交する面である）構造物の長さに沿って連続してよく、またはそれらが好適にパターン形成されてよい。いくつかの実施形態では、層６１０および／または６１１のうちのただ１つが存在する（図示せず）。図６に図示されるようなモード利得制御構造物は、モード利得制御のためのパッド構造物と呼ばれる。

図７は、モード利得制御構造物を利用する統合フォトニックデバイスのある種の実施形態の、３つの上面図７００Ａ、７００Ｂ、および７００Ｃを提示する。機能層７０１から７０９ｂは、図４を用いて記載された断面図４００Ｇに関して記載されたような機能層４０１から４０９ｂに対応し、図６を用いて記載された断面図６００に関して記載されたような機能層６０１から６０９ｂに対応する。

上面図７００Ａでは、サブレイヤ７０１ａ中のテーパ構造物によって、層７０１の内側でサポートされるモードのモード利得および／または数の変化が可能になり、より狭いサブレイヤ７０１ａは、一般的により少ない数のモードをサポートし、および／または、モードをさらに外に押す（図７００Ａ中の上下）。層７０１ａの上に堆積される金属７０９ａは、（図７００Ａに示されるように）テーパ構造物にしたがってよく、または均一な幅を有してよい（図示せず）。図７に図示されるようなモード利得制御構造物は、モード利得制御のためのテーパ構造物と呼ばれる。モード利得制御構造物のためのテーパ構造物は、モード利得制御のためのパッド構造物のうちの１つまたは複数と組み合わせることができ、そのうちの２つ（７１０および７１１）が、図７００Ａに示される実施形態に図示される。モード利得制御のためのパッド構造物とテーパ構造物の様々な他の組合せを、異なるモードのモード利得に対して異なる影響をおよぼす意図で利用することができる。図７００Ａに示される実施形態では、モード利得制御構造物の効果は、モード７５１について、著しく弱い。というのは、そのテールは、前記構造物とほんのわずかに相互作用するためである。一方で、本効果は例示的なモード７５２について、著しく強い。というのは、モードのかなりの部分が前記構造物と相互作用するためである。

上面図７００Ｂでは、フィン構造物７１２および７１３が層７０１ａの中に具体化される。フィン構造物の寸法を最適化することによって、フィン構造物７１２および７１３と光モード７５１および７５２との間の異なる重ね合わせによって示唆されるように、モードへの影響を変えることができる。フィンは、（図７００Ｂにスケッチされるように）不均一であってよく、一様に周期的であってよく、擬似ランダムまたは任意の他の配置であってよい。

上面図７００Ｃでは、フィン構造物７１４および７１５が層７０１ｂの中に具体化される。フィン構造物の寸法を最適化することによって、フィン構造物７１４および７１５と光モード７５１および７５２との間の異なる重ね合わせによって示唆されるように、モードへの影響を変えることができる。フィンは、（図７００Ｃにスケッチされるように）不均一であってよく、一様に周期的であってよく、擬似ランダムまたは任意の他の配置であってよい。一般的に、フィン構造物７１４および７１５の効果は、フィン構造物７１２および７１３の効果より小さい。というのは、フィン構造物７１４および７１５は、典型的には、光モード中心からより遠いためである。しかし、メサ／隆起を規定する層７０１ａの幅などといったさらなる最適化を利用して、フィン構造物の強度を制御することができる。

本開示の残りの部分では、モード利得制御構造物という用語は、モード利得制御用のパッド構造物、テーパ構造物、およびフィン構造物を含む、図６の断面図６００ならびに図７の上面図７００Ａ、７００Ｂ、および７００Ｃを用いて記載されたようなモード利得制御構造物のうちの少なくとも１つを含む。それらの数、サイズ、配置、および向きを制限することなく、正確なモード利得制御を可能にするために、前記構造物の様々な組合せを設計できることは、当業者には明らかである。

本発明の実施形態は、多くの利点を提供する。統合プラットフォームによって、複数の材料から作られ、典型的なＳｉ導波路ベースまたはＩｎＰ導波路ベースのＰＩＣと比較して大きい光パワーを取り扱うことが可能なＰＩＣの拡張可能な製造が可能になる。大パワー動作は、特に、壁構造物およびモード利得制御構造物によってサポートされる。

以前の手法は、能動デバイスから受動デバイスに光モードを伝達するためにテーパ構造物が一般的に使用されてきた。ここでは、化合物半導体領域の幅は、サブミクロンサイズに断熱的に先細にされる。しかし、屈折率の差異が拡大すると、必要なテーパ端の幅は、急激に数十ナノメートルサイズに減少する。本発明は、突き合わせ結合方式を展開し、化合物半導体導波路中の非常に小さいテーパサイズの必要性をなくす。このことによって、そのような構造物の製造を容易にし、非常に狭い構造物をポンピングすることに関連する制限を除去して性能を改善することができる。

他の手法は、予め製造した光能動デバイスの受動導波路へのダイ取付けに依拠している。これは、典型的なダイボンディング機が実現できるもの典型的には超えている、非常に厳しい位置合わせ精度を必要とする。この態様は、このプロセスのスループットならびに光結合の性能を制限する。

能動層と受動層中のモード間の光結合が相互の関係であり、したがって、図５を例に取ると、構造物は、領域５０１から領域５０２への光の伝達を容易にするが、領域５０２から領域５０１に逆の方向への伝達も容易にするように構成できることを理解されたい。それらの数または向きに制限がない複数のそのような変化を、好適に構成したＰＩＣ上で実現できることを理解されたい。

本明細書に記載される光デバイスの実施形態は、限定しないが、様々な計算用および／または家庭用電子デバイス／機器、通信システム、センサ、および検知システムを含む、様々な他のデバイスおよびシステムの中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少しの例を教示しており、本開示を読めば当業者が本発明の多くの変形形態を容易に考案できること、本発明の範囲は、以下の請求項によって規定されるべきであることを理解されたい。

１００ 統合フォトニックデバイス
１０１ 機能層
１０１ａ サブレイヤ
１０１ｂ サブレイヤ
１０２ 機能層
１０３ 機能層
１０４ 機能層
１０５ 機能層
１０６ 機能層
１０７ 機能層、上クラッド層
１２０ リソグラフィ位置合わせマーク
１５１ 光モード
１５２ 光モード
１５３ 光モード
２００ 統合フォトニックデバイス
２０１ 能動層、構造物
２０３ 中間層、小面、接合面、構造物、導波路
２２５ 角度
２３０ 角度
２４０ 壁領域
２４５ 厚さ、壁厚
２５１ 光モード
２５２ 光モード
３００ 統合フォトニックデバイス
３０１ 能動層、構造物
３０３ 中間層、小面、接合面、構造物、導波路
３２５ 角度
３３０ 角度
３４０ フレア形壁領域
３５１ 光モード
３５１ａ 光モード
３５２ 光モード
３５２ａ 光モード
４０１ 機能層
４０１ａ サブレイヤ
４０１ｂ サブレイヤ
４０１ｃ サブレイヤ
４０２ 機能層
４０３ 機能層
４０４ 機能層、オプション層、クラッド材料
４０５ 機能層、クラッド材料、基板
４０６ 機能層
４０７ 機能層、クラッド材料
４０８ クラッド材料
４０９ａ 金属
４５１ 光モード
５００ 統合フォトニックデバイス
５０１ 機能層、領域
５０１ａ サブレイヤ
５０１ｂ サブレイヤ
５０１ｃ サブレイヤ
５０２ 機能層、領域、材料
５０３ 機能層、中間層
５０４ 機能層、第２の材料の層、クラッド
５０５ 機能層、基板
５０６ 機能層
５０７ 機能層、上クラッド層
５０８ 機能層
５０９ａ 機能層
５５０ モード、線
５５１ モード形状
５５２ モード形状
５５３ モード形状、光モード
６０１ 機能層
６０２ 機能層
６０３ 機能層
６０４ 機能層
６０５ 機能層
６０６ 機能層
６０７ 機能層
６０８ 機能層
６０９ｂ 機能層
６１０ 層
６１１ 層
６５１ 光モード
６５２ 光モード
７０１ 機能層
７０１ａ サブレイヤ
７０１ｂ サブレイヤ
７０１ｃ サブレイヤ
７０２ 機能層
７０３ 機能層
７０４ 機能層
７０５ 機能層
７０６ 機能層
７０７ 機能層
７０８ 機能層
７０９ａ 金属
７０９ｂ 機能層
７１２ フィン構造物
７１３ フィン構造物
７１４ フィン構造物
７１５ フィン構造物
７５１ 光モード
７５２ 光モード

Claims (15)

1. デバイスであって、
   共通の基板上に製造される第１の要素、第２の要素、および第３の要素を備え、
   前記第１の要素が、第１の光モードをサポートする能動導波路構造物および、モード利得制御構造物のうちの少なくとも１つを備え、前記第２の要素が、第２の光モードをサポートする受動導波路構造物を備え、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る、前記第３の要素が、中間光モードをサポートする中間導波路構造物を備え、
   前記第１の光モードが、所定の量を超えて前記第２の光モードと異なる場合、前記第２の要素および前記第３の要素のうちの少なくとも１つの先細導波路構造物が、前記第２の光モードと前記中間光モードのうちの１つとの間の効果的な断熱変換を容易にし、
   前記中間光モードのいずれかと前記第１の光モードとの間で断熱変換が生じず、
   前記第１の要素、前記第２の要素、および前記第３の要素の相互の位置合わせが、前記第１の要素、前記第２の要素、および前記第３の要素を製造する処理ステップの期間中に形成される層間の正確な位置合わせを容易にするリソグラフィ位置合わせマークを使用して規定される、デバイス。
2. 前記第３の要素の下面が、平坦である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の要素と前記第３の要素との間の界面が、反射を最小化するように最適化された角度に傾けられている、請求項１に記載のデバイス。
4. 少なくとも１つの傾けられた前記界面上に堆積される反射防止コーティング層
   をさらに備える、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記第１の要素が、少なくとも３つのサブレイヤを備え、
   前記能動導波路構造物中の前記サブレイヤのうちの少なくとも１つが、ｎ型接触層を備え、前記能動導波路構造物中の前記サブレイヤのうちの少なくとも１つが、ｐ型接触層を備え、前記能動導波路構造物中の前記サブレイヤのうちの少なくとも１つが、能動領域を備える、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記能動領域が、量子井戸を備える、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記能動領域が、量子ドットを備える、請求項５に記載のデバイス。
8. 前記能動領域が、ｐｉｎ接合を備える、請求項５に記載のデバイス。
9. 前記能動領域が、ｐｎ接合を備える、請求項５に記載のデバイス。
10. 突き合わせ結合された界面における前記能動導波路構造物および前記中間導波路構造物が、壁領域を有する、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記能動導波路構造物および前記中間導波路構造物中で導くモードを規定する構造物の断面が、漸進的テーパを使用して前記壁領域で拡大される、請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記能動導波路構造物および前記中間導波路構造物中で導くモードを規定する構造物の断面が、断熱変化を使用して前記壁領域で拡大される、請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記第２の要素が、シリコン窒化物を含む、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記第２の要素が、ニオブ酸リチウムを含む、請求項１に記載のデバイス。
15. 前記第２の要素が、五酸化タンタルを含む、請求項１に記載のデバイス。