JP6360911B2 - 懸架リッジ酸化物導波路 - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年４月１１日に出願された“Suspended Ridge Oxide Waveguide”というタイトルの米国仮特許出願第６１／９７８，３６１号の優先権を主張するものであり、あたかもその全体が再現されるかのように、それをここに援用する。

シリコン（Ｓｉ）フォトニックデバイスとは、チップ内の光媒体としてシリコンを使用するフォトニックデバイスのことを指し得る。シリコンフォトニックデバイスは、光ファイバ遠隔通信システムによって採用される赤外波長で動作し得る。シリコンは、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）すなわちシリカ（silica）の層の上に位置して、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）として機能し得る。シリコンフォトニックデバイスは、産業標準の半導体製造技術を使用することによって製造され得る。

シリコンは、集積回路用の基板として一般的に使用されているので、光コンポーネント及び電子コンポーネントの双方を有するハイブリッドデバイスが、単一のチップ上に集積され得る。そのようなハイブリッドデバイスは、電気的データ演算を提供し得るが、チップ間及びチップ内でのいっそう高速なデータ伝送を可能にし得る光インターコネクトをも提供し得る。結果として、シリコンフォトニクスへの関心が高まっている。

一実施形態において、本開示は、逆テーパ状導波路と光ファイバとの間で光信号を運ぶように構成されたシングルモード光学コアであって、逆テーパ状導波路と光ファイバとの間の光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在したコアと、光信号伝播の軸に沿ってコアに隣接して配置された空気クラッドと、を有する導波路を含む。

他の一実施形態において、本開示は、逆テーパ状Ｓｉ導波路に光信号を導入することと、逆テーパ状Ｓｉ導波路から、コアと該コアを取り囲む空気クラッドとを有するシングルモード導波路に、光信号を渡すことと、シングルモード導波路から光ファイバに向けて光信号を送ることと、を有する方法であって、シングルモード導波路が、逆テーパ状Ｓｉ導波路よりも大きい光モードを有し、且つシングルモード導波路の光モードが、光ファイバの光モードと適合する方法を含む。

更なる他の一実施形態において、本開示は、基体と、該基体上に配置されたシングルモード導波路であり、当該シングルモード導波路は、コアと該コアを取り囲む空気クラッドとを有し、当該シングルモード導波路は、光信号伝播の軸に沿って、第１端部と、該第１端部とは反対側の第２端部とを有し、第１端部は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合するように構成されている、シングルモード導波路と、シングルモード導波路のコアの一部内に配置された逆テーパ状導波路であり、当該逆テーパ状導波路は、上記第２端部から上記第１端部に向けて減少する幅を持って延在しており、当該逆テーパ状導波路は、当該逆テーパ状導波路と光ファイバとの間の光路を提供するよう、光信号伝播の軸に沿ってシングルモード導波路とアライメントされている、逆テーパ状導波路と、を有する光デバイスを含む。

これら及びその他の特徴が、添付の図面及び請求項とともに用いられる以下の詳細な説明から、より明瞭に理解されることになる。

本開示の、より完全なる理解のため、同様の部分を同様の参照符号が表す添付図面及び詳細説明に関連して、以下の簡単な説明を参照しておく。
マルチモード懸架チャネル導波路の上面図である。 マルチモード懸架チャネル導波路の光場分布を例示するグラフである。 シングルモード懸架リッジ導波路の一実施形態を例示している。 シングルモード懸架リッジ導波路の一実施形態を例示している。 シングルモード懸架リッジ導波路の一実施形態を例示している。 シングルモード懸架リッジ導波路の一実施形態を例示している。 シングルモード懸架リッジ導波路の光場分布の一実施形態を例示する模式図である。 トランスバースエレクトリック（transverse electric；ＴＥ）モードにおけるシングルモードリッジ導波路の電場（Ｅ場）分布の断面図の一実施形態を例示するグラフである。 ＴＥモードにおけるシングルモードリッジ導波路のＥ場分布の上面図の一実施形態を例示するグラフである。 トランスバースマグネティック（transverse magnetic；ＴＭ）モードにおけるシングルモードリッジ導波路のＥ場分布の断面図の一実施形態を例示するグラフである。 ＴＭモードにおけるシングルモードリッジ導波路のＥ場分布の上面図の一実施形態を例示するグラフである。 シングルモード懸架リッジ導波路を有する光デバイスの一実施形態の断面図である。 光エッジカップリング方法の一実施形態のフローチャートである。

最初に理解されるべきことには、１つ以上の実施形態の例示的な実装が以下にて提示されるが、開示されるシステム及び／又は方法は、現に知られていようとなかろうと、あるいは現に存在していようとなかろうと、幾つもの技術を用いて実装され得る。本開示は決して、ここに図示して記述される代表的な設計及び実装を含めて、以下に例示される例示的な実装、図面及び技術に限定されるべきものでなく、添付の請求項の範囲及びそれらの完全なる均等範囲の中で変更され得るものである。

シリコンフォトニクスへの及びそれからの効率的なカップリングは、高度に閉じ込められるＳｉ導波路モードと光ファイバモード又は自由空間ビーム（例えば、ガウスビーム）モードとの間の大きな不整合のために難題である。例えば、高閉じ込めＳｉ導波路が、１マイクロメートル（μｍ）よりも小さいサブミクロンのサイズ域の断面を有し得る一方で、ＳＭＦは何十μｍという断面を有し得る。このように、Ｓｉ導波路は、光ファイバモードよりも大きさで約一桁小さい光モードを有する。幾つかの光モード変換技術は、オーバーレイを持つ逆テーパの使用に基づいている。逆テーパは、光路に沿った方向に有意に縮小する幅を有する導波路である。例えば、ここに援用するVilson R．Almeida他の“Nanotaper for compact mode conversion”、Optics Letters、第28巻、第15号、2003年8月1日は、より低い屈折率のクラッドによって取り囲まれたシリコン導波路コア又は窒化シリコン導波路コアを有する逆テーパを採用している。そのクラッド材料は、より大きいモードサイズを持つ光モードを閉じ込めるように逆テーパを包囲するマルチモード導波路の別の層を形成する。その他に、ここに援用するQing Fang他の“Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for Silicon photonics”、OPTICS EXPRESS、第18巻、第8号、2010年及びLong Chen他の“Low-Loss and Broadband Cantilever Couplers Between Standard Cleaved Fibers and High-Index-Contrast Si₃N₄ or Si Waveguides”、IEEE Photonics Technology Letters、第22巻、第23号、1744-46頁、2010年は、空気によって取り囲まれて光モード変換を提供する懸架型のマルチモードシリカチャネル導波路を採用している。しかしながら、これらの技術のうちの一部の性能は、より高次のモード干渉によって制限されてしまう。

ここに、逆テーパ導波路を包囲し且つ光ファイバに結合するシングルモード懸架リッジ導波路を使用することによって、シリコンフォトニクスプラットフォーム上の高閉じ込め逆テーパ導波路と光ファイバとの間の光エッジカップリングを提供する様々な実施形態を開示する。シングルモード導波路とは、各偏光において或る動作波長の基本モード（例えば、ＴＥモード及びＴＭモード）の光信号のみをガイドする導波路のことを指す。導波路は、ＳｉＯ_２コアと該コアを取り囲む空気クラッドとを有する。コアは、光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在するリッジ構造を有する。例えば、リッジ構造は、スラブ上に配置されたリッジによって形成される。リッジ及びスラブの寸法は、リッジに沿ってシングルモード光信号伝播を供するように設計される。マルチモードに代えてシングルモードであるように導波路を設計することにより、より高次のモードからの干渉及び／又はカップリングが回避あるいは抑制され得る。故に、マルチモードチャネル導波路と比較して、カップリング効率が向上され得る。一実施形態において、リッジが置かれるところでのリッジの高さとスラブの高さとの間の上下方向の高さ比が、シングルモード光信号伝播を維持するために、約（例えば、±１０パーセント）１．５から約５の間の範囲であるように設定される。一実施形態において、スラブは、長手方向に延在する２つの段上がり部の間に位置する基部を有する。リッジが基部のほぼ中央部分に置かれ、各段上がり部がリッジのエッジから或る距離だけ離して位置付けられて、リッジと段上がり部との間に空隙を形成する。この空隙が空気クラッドに相当する。この離隔距離は、リッジに沿って伝播する光信号にスラブの段上がり部が光学干渉することがないように、少なくとも約１μｍであるように設定される。一実施形態において、導波路を空気中に懸架するために、スラブの段上がり部及び／又は基部に沿って、アンダーカットによって空気孔又は空気キャビティが形成される。他の一実施形態において、導波路を空気中に懸架するために、導波路が基体上に置かれ、導波路に隣接する基体の部分が取り除かれ、あるいはエッチング除去される。低い屈折率を有するものである空気の中に導波路を懸架することにより、導波路は更に高いカップリング効率を提供し得る。光カップリングを実現するために、開示される実施形態は、ＳｉＯ_２コアの中に配置されたＳｉ逆テーパを使用する。例えば、ＳｉＯ_２コアは、Ｓｉ逆テーパよりも大きい光モードサイズを有する。従って、逆テーパに光信号が導入されるとき、Ｓｉ逆テーパの幅が狭まるにつれて、光信号の光モードがＳｉ逆テーパからＳｉＯ_２コアへと徐々に移され、故に、光モード変換を提供し得る。

図１は、マルチモード懸架チャネル導波路１００の上面図である。導波路１００は、コア１１０、クラッド１２０、逆テーパ１３０、及び複数の狭いサイドバー１４０を有している。コア１１０は、光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在している。クラッド１２０は、コア１１０に隣接して長手方向に延在している。逆テーパ１３０は、コア１１０内に包囲されている。コア１１０は、ＳｉＯ_２材料から構築される。コア１１０は、複数のモード（例えば、高次モードを含む）の光信号伝播をサポートする寸法を有する。クラッド１２０は、空気を有し、導波路１００内にトレンチをエッチングすることによって形成され得る。導波路１００は、複数の狭いサイドバー１４０によって支持されて、空気中に吊るされる。逆テーパ１３０は、Ｓｉ導波路又は窒化シリコン（ＳｉＮ）導波路である。導波路１００は更に、第１端部１０１と、第１端部１０１の反対側の第２端部１０２とを有している。逆テーパ１３０は、第１端部１０１から、導波路１００の一部に関して、第２端部１０２に向かって延在している。逆テーパ１３０は、第１端部１３１と、第１端部１３１の反対側の第２端部１３２と、第１端部１３１から第２端部１３２まで先細る又は狭まる幅とを有している。導波路１００は、光モード変換器として使用され得る。例えば、逆テーパ１３０が、第１端部１３１で高閉じ込めＳｉ導波路に結合するように構成され得るとともに、導波路１００が、第２端部１０２で光ファイバ（例えば、ＳＭＦ又はマルチモードファイバ（ＭＭＦ））に結合するように構成され得る。逆テーパ１３０が第１端部１３１で光信号を受け取るとき、逆テーパ１３０は、光信号が導波路１００に沿って伝播するにつれて、光信号の光モードを断熱的にリシェイプする。光信号が逆テーパ１３０の第２端部１３２に到達すると、光信号は、より大きい光モードで光信号を閉じ込めるものであるコア１１０によってガイドされる。従って、光信号がコア１１０に沿って伝播するとき、光信号の光モードが拡大する。故に、光ファイバが結合された第２端部１０２に光信号が到達するときに、光信号の光モードが光ファイバモードに整合する。逆に、例えば光ファイバから、第２端部１０２で光信号が受け取られてもよく、導波路１００は、光信号がコア１１０を伝播して逆テーパ１３０へと移るときに、光信号の光モードを縮小する。導波路１００をモード変換器又はカプラとして使用することの１つの利点は、導波路１００が、産業標準の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積回路（ＩＣ）製造技術及び半導体材料を用いて製造され得ることである。

図２は、マルチモード懸架チャネル導波路の光場分布を例示するグラフ２００である。この導波路は、導波路１００と同様のものである。例えば、導波路は、逆テーパ１３０と同様の埋め込まれた逆テーパを有するとともに、導波路は、サイドバー１４０と同様のサイドバー１４０によって空気中に懸架される。グラフ２００において、ｘ軸は、光信号伝播の軸に沿った導波路の長手方向長さをμｍ単位で表し、ｙ軸は、導波路の幅をμｍ単位で表し、そして、グラフ２００の指標は、約０．１から約１．３の間で光場強度を示している。グラフ２００は、矢印２４０によって示すようにグラフ２００の右側から導波路に投入された光信号について、その光場分布を例示している。例えば、グラフ２００の右側は、光ファイバに結合される導波路１００の第２端部１０２に相当し、グラフ２００の左側は、高閉じ込めＳｉワイヤ又は導波路に結合される導波路１００の第１端部１０１に相当する。図示のように、光信号が導波路に沿って右側から左側へと走るにつれて、光信号の光モードが収縮又は縮小する。しかしながら、光場分布は、リップル２１０の量が、（例えば、光信号が導波路に沿って走るにつれて）グラフ２００の右側から左側へと振幅が増大して、増えていくことを示している。リップル２１０は、導波路の並進対称性を途切れさせるサイドバーと、導波路によるマルチモード光信号伝播のサポートとによって発生される。例えば、光信号がサイドバーの傍を通り過ぎるときに、サイドバーが高次モードを励起する。しかしながら、異なるモードは異なる速さで伝播し、故に、互いに干渉する。結果として、サイドバーの位置付近でリップル２１０が形成される。干渉及び／又はリップル２１０は、導波路の性能を低下させる。

図３Ａ−Ｄは、シングルモード懸架リッジ導波路３００の一実施形態を例示している。図３Ａは、シングルモードリッジ導波路３００の上面図である。導波路３００は、コア３１０、空気クラッド３２０、及び逆テーパ３３０を有している。例えば、コア３１０は、空気クラッド３２０よりも高い屈折率を有する材料（例えば、ＳｉＯ_２）から構築されることができ、逆テーパ３３０は、コア３１０よりも高い屈折率を有する材料（例えば、Ｓｉ）から構築され得る。コア３１０は、直線３０５によって示すように、光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在するリッジ３１１及びスラブ３１２を有する。リッジ３１１は、第１長手方向側面３６１と、第１長手方向側面３６１とは反対側の第２長手方向側面３６２とを有している。空気クラッド３２０は、リッジ３１１の第１長手方向側面３６１及び第２長手方向側面３６２に隣接して長手方向に延在している。リッジ３１１の屈折率（例えば、ＳｉＯ_２で約１．４５）の方が空気クラッド３２０の屈折率（例えば、約１）よりも高いので、導波路３００に沿って伝播する光信号はリッジ３１１に閉じ込められ得る。リッジ３１１及びスラブ３１２の寸法及び構造は、更に十分に後述するように、シングルモード光信号伝播を供するように設計される。逆テーパ３３０は、コア３１０のリッジ３１１の中に配置され且つ／或いは埋め込まれる。逆テーパ３３０は、第１端部３３１と、光信号伝播の軸に沿って第１端部３３１とは反対側の第２端部３３２と、第１端部３３１から第２端部３３２まで先細る又は狭まる幅とを有している。例えば、逆テーパ３３０は、逆にテーパーしたＳｉ導波路である。逆テーパ３３０は、導波路３００の第１端部３０１から、リッジ３１１の少なくとも一部に関して、導波路３００の第２端部３０２に向かって延在している。逆テーパ３３０は、光信号伝播の軸に沿って、リッジ３１１及び／又はコア３１０とアライメントされる。導波路３００は更に、導波路３００が空気中に懸架され得るように、複数の空気孔３４０を有している。例えば、空気孔３４０は、化学的処理によりスラブ３１２の幾つもの部分をエッチング除去することによって生成され得る。なお、空気孔３４０は、導波路３００に沿って伝播する光信号に空気孔３４０が干渉することがないように、空気クラッド３２０から或る距離だけ離して、スラブ３１２内に位置付けられる。

一実施形態において、導波路３００は、高閉じ込めＳｉ導波路（例えば、Ｓｉナノワイヤ）と光ファイバ（例えば、ＳＭＦ）との間を結合するように構成される。例えば、高閉じ込めＳｉ導波路が、逆テーパ３３０の第１端部３３１に結合され、光ファイバが、導波路３００の第２端部３０２に結合される。逆テーパ３３０が第１端部３３１で光信号を受け取るとき、逆テーパ３３０は、光信号が逆テーパ３３０に沿って伝播するにつれて、光信号の光モードを断熱的にリシェイプするとともに、逆テーパ３３０の幅が狭まるにつれて、逆テーパ３３０から、より大きい光モードを有するものであるリッジ３１１へと、光信号を徐々に伝達する。光信号が導波路３００の第２端部３０２に到達するとき、光信号は、光ファイバモードと適合する光モードを有する。従って、導波路３００は光モード変換器として動作し得る。一部の実施形態において、導波路３００は、光ファイバとシリコンフォトニクスチップとの間でカップリングする光入力及び／又は出力を提供するよう、シリコンフォトニクスチップのエッジ近くの位置でシリコンフォトニクスチップ上に配置され得る。

図３Ｂは、図３Ａの直線３０３に沿って取られた、矢印によって指し示す向きに見たときの、シングルモードリッジ導波路３００の断面図である。図示のように、コア３１０は、スラブ３１２の表面上に配置されたリッジ３１１を有している。スラブ３１２は、基部３５１と、第１の段上がり部３５２と、第２の段上がり部３５３とを有している。リッジ３１１、基部３５１、及び段上がり部３５２、３５３は、光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在している。リッジ３１１は、基部３５１のほぼ中央部分に配置されている。第２の段上がり部３５３は、ｗ_ｔとして表記する距離３８４だけリッジ３１１の第２側面３６２から離して、基部３５１から立ち上げられている。同様に、第１の段上がり部３５２は、或る距離（例えば、距離３８４と同等）だけリッジ３１１の第１側面３６１から離して、基部３５１から立ち上げられている。空気孔３４０は、光信号伝播の軸に沿って、スラブ３１２の第１の段上がり部３５２及び第２の段上がり部３５３の中に位置付けられる。

図示のように、リッジ３１１は、ｗとして表記する約６．５μｍの幅３８１と、ｈとして表記する約４．４μｍの高さ３８２とを有している。スラブ３１２の基部３５１は、ｈ_ｓ１として表記する約２μｍの高さ３８３を有している。スラブ３１２の第２の段上がり部３５３は、ｈ_ｓ２として表記する約６．４μｍに至るまで上げ返された高さ３８５を有している。リッジ３１１の第２側面３６２と第２の段上がり部３５３との間の離隔距離３８４は約３μｍである。第１の段上がり部３５２は、第２の段上がり部３５３と同様の寸法を有し、リッジ３１１に対して第２の段上がり部３５３と同様に位置付けられる。なお、コア３１０の構造の寸法は、導波路３００の光伝播特性を決めるものである。例えば、上述の寸法は、約１μｍから約２μｍの波長でのシングルモード光信号伝播を供するように選択されている。例えば、導波路３００のような導波路は、水平方向のＴＥモードと垂直方向のＴＭモードとの、２つの偏光をサポートし得る。光信号がシングルモード導波路によってガイドされるとき、シングルＴＥモード及びシングルＴＭモードの光信号が導波路中を伝播し得る。従って、導波路３００がシングルモード光信号伝播を供するように設計されるとき、高次モード励起が起こらないようにすることができ、それにより、光干渉が抑制され得るとともにカップリング効率が増大され得る。加えて、リッジ３１１及びスラブ３１２の第１の段上がり部３５２は、スラブ３１２からの光カップリング及び／又は干渉を回避するために、十分な量の距離だけ（例えば、約１μｍよりも大きく）離隔されるように設計される。

以上では具体的な値を提示したが、動作時の光信号の波長に従って如何なる好適値が使用されてもよい。例えば、動作時の波長が少なくとも約１μｍから約２．５μｍであるとき、高さ３８２は２μｍから１５μｍの範囲とすることができ、高さ３８３は０．５μｍから１０μｍの範囲とすることができ、幅３８１は２μｍから１５μｍの範囲とすることができ、そして、距離３８４は１μｍよりも大きいとし得る。なお、記載した寸法の様々な組み合わせが、リッジ３１１及びスラブ３１２に使用され得る。しかしながら、ＴＥ及びＴＭの双方の偏光に対してシングルモードを維持するために、リッジ３１１及びスラブ３１２は、約１．５から約５の間の範囲内の上下方向の高さ比を有し得る。

図３Ｃは、図３Ａの直線３０５に沿って取られた、リッジ３１１を横切って矢印によって指し示す向きに見たときの、シングルモードリッジ導波路３００の一実施形態の断面図である。図示のように、逆テーパ３３０は、リッジ３１１内に埋め込まれて、リッジ３１１の少なくとも一部に関して延在している。リッジ３１１は、第１の空気層３７１と第２の空気層３７２との間に位置している。第１の空気層３７１は、空気に露出されたリッジ３１１の頂面（例えば、図３Ａに示した上面図に対応する）に対応し得る。第２の空気層３７２は、更に十分に後述するように、スラブ３１２内のアンダーカットに対応し得る。

図３Ｄは、図３Ａの直線３０４に沿って取られた、スラブ３１２を横切って矢印によって指し示す向きに見たときの、シングルモードリッジ導波路３００の一実施形態の断面図である。図示のように、スラブ３１２は、第１の空気層３７１と第２の空気層３７２との間に位置している。また、スラブ３１２は、上述のように空気孔３４０を有している。

図４は、シングルモードリッジ導波路４００の光場分布４７０を例示する一実施形態の断面図である。導波路４００は導波路３００と同様である。この断面図は、図３Ａの直線３０３に沿って取られた、矢印によって指し示す向きに見たときの断面図に相当している。この断面図は、図３Ｂに示した断面図と同様であり、さらに、導波路４００に光信号を投入されたときの光場分布４７０を例示している。例えば、導波路４００は、コア４１０と、コア４１０の一部と係合する空気クラッド４２０とを有する。コア４１０はコア３１０と同様であり、空気クラッド４２０は空気クラッド３２０と同様である。コア４１０は、スラブ４１２上に配置されたリッジ４１１を有し、リッジ４１１はリッジ３１１と同様であり、スラブ４１２はスラブ３１２と同様である。さらに、リッジ４１１及びスラブ４１２は、リッジ３１１及びスラブ３１２と同様の設計パラメータ又は寸法で構成される。例えば、リッジ４１１は、約６．５μｍの高さと約６．５μｍの幅とを有する。スラブ４１２は、約２μｍの高さを持つ基部３５１と同様の基部４５１と、各々が約６．４μｍの高さを持つ段上がり部３５２及び３５３と同様の段上がり部４５２及び４５３とを有する。段上がり部４５２及び４５３の各々は、リッジ４１１のエッジから約３μｍの距離だけ離して基部４５１から立ち上げられる。故に、導波路４００はシングルモード伝播をサポートする。図示のように、光場分布４７０は、ほぼリッジ４１１を中心とし、その強度は中心４７１で最も高く、非常に小量の光場（４７２として示す）のみがスラブ４１２中に漏れている。導波路１００とは対照的に、導波路４００は、マルチモード光信号伝播に代えてシングルモード光信号伝播をサポートし、故に、導波路４００は、導波路１００においてのような高次モードの影響及び／又は干渉を有しないものとし得る。また、リッジ４１１がスラブ４１２上に位置しているので、導波路４００は、導波路１００においてのようなサイドバーの機械的支持を必要としないものとし得る。従って、導波路４００は、導波路１００においてのようにサイドバーによって発生される光モード擾乱を有しないものとし得る。故に、導波路４００は、導波路１００よりも効率的なカップリングと高い性能とを提供し得る。

図５は、ＴＥモードにおける、例えば導波路３００及び４００などのシングルモード懸架リッジ導波路のＥ場分布５１０の断面図の一実施形態を例示するグラフ５００である。グラフ５００において、ｘ軸は、導波路の幅を表し、ｙ軸は、導波路の高さをμｍ単位で表し、そして、グラフ５００の指標は、約０．２から約０．８の間で光場強度を示している。Ｅ場分布５１０は、例えば、図３Ｂ及び図４に示した断面図と同様とし得る図３Ａの直線３０３に沿って取られた導波路の断面について、そこでのＥ場分布を表している。図示のように、ＴＥモードにおけるＥ場分布５１０は、導波路のほぼリッジ部分（５１１として示す）を中心とし、導波路のスラブ部分（５１２として示す）への漏れは最小限である。

図６は、ＴＥモードにおける、例えば導波路３００及び４００などのシングルモード懸架リッジ導波路のＥ場分布６１０の上面図の一実施形態を例示するグラフ６００である。グラフ６００において、ｘ軸は、導波路の長手方向長さをμｍ単位で表し、ｙ軸は、導波路の幅をμｍ単位で表し、そして、グラフ６００の指標は、約０．０から約３．６の間で光場強度を示している。Ｅ場分布６１０は、例えば、図３Ａに示した導波路３００の上面図と同様の導波路の頂面について、ＴＥモードにおける該頂面にわたるＥ場分布を表している。例えば、Ｅ場分布６１０は、矢印６４０によって示すようにグラフ６００の右側から導波路に結合された光信号に対応するものである。図示のように、ＴＥモードでのＥ場分布６１０は、光信号がグラフ６００の右側から左側へと導波路に沿って走るにつれて、光信号の光モードを滑らかに移行させる。グラフ６００とグラフ２００とを比較すると、Ｅ場分布６１０は、光場分布２１０に示されるようなリップル又は干渉の効果を有していない。リップル効果の不存在は、マルチモード導波路に代えてシングルモード導波路を使用することと、導波路を支持するために例えばサイドバー１４０などのサイドバーを使用することに代えて、例えば導波路３００内に空気孔３４０を含むように、アンダーカットによって導波路を懸架することとの結果である。故に、この導波路はＴＥモードを効率的に結合し得る。

図７は、ＴＭモードにおける、例えば導波路３００及び４００などのシングルモード懸架リッジ導波路のＥ場分布７１０の断面図の一実施形態を例示するグラフ７００である。グラフ７００において、ｘ軸は、導波路の幅を表し、ｙ軸は、導波路の高さをμｍ単位で表し、そして、グラフ７００の指標は、約０．２から約０．８の間で光場強度を示している。Ｅ場分布７１０は、例えば、図３Ｂ及び図４に示した断面図と同様とし得る図３Ａの直線３０３に沿って取られた導波路の断面について、そのＥ場分布を表している。例えば、Ｅ場分布７１０は、Ｅ場分布５１０に対応するが、Ｅ場分布５１０においてのようなＴＥモードに代えてＴＭモードにおけるものである。図示のように、ＴＭモードにおけるＥ場分布７１０は、導波路のほぼリッジ部分（７１１として示す）を中心とし、導波路のスラブ部分（７１２として示す）への漏れは最小限である。

図８は、ＴＭモードにおける、例えば導波路３００及び４００などのシングルモード懸架リッジ導波路のＥ場分布８１０の上面図の一実施形態を例示するグラフ８００である。グラフ８００において、ｘ軸は、導波路の長手方向長さをμｍ単位で表し、ｙ軸は、導波路の幅をμｍ単位で表し、そして、グラフ８００の指標は、約０．０から約２．４の間で光場強度を示している。Ｅ場分布８１０は、例えば、図３Ａに示した導波路３００の上面図と同様の導波路の頂面について、ＴＭモードにおける該頂面にわたるＥ場分布を表している。例えば、Ｅ場分布８１０は、矢印８４０によって示すようにグラフ８００の右側から導波路に結合された光信号に対応するものである。例えば、Ｅ場分布８１０は、Ｅ場分布６１０に対応するが、Ｅ場分布６１０においてのようなＴＥモードに代えてＴＭモードにおけるものである。図示のように、ＴＭモードでのＥ場分布８１０は、光信号がグラフ８００の右側から左側へと導波路に沿って走るにつれて、光信号の光モードを滑らかに移行させる。グラフ８００とグラフ２００とを比較すると、Ｅ場分布８１０は、光場分布２１０に示されるようなリップル効果又は干渉効果を有していない。リップル効果は、シングルモード導波路を使用するとともに例えばサイドバー１４０などのサイドバーの使用なしに導波路を懸架することによって除去される。故に、この導波路はＴＭモードを効率的に結合し得る。

図５−８にて上で示したように、例えば導波路３００及び４００などの、開示されるシングルモード懸架リッジ導波路は、例えば導波路１００などのマルチモード懸架チャネルモード導波路と比較したときに、より効率的なカップリングで、より高い性能を提供する。例えば、開示されるシングルモード懸架リッジ導波路は、ＴＥモード及びＴＭモードの双方について、約３デシベル（ｄＢ）よりも低いカップリング損失を提供し得る。これらの改善は、上述のように適切な設計パラメータを通じてシングルモード光信号伝播を採用するとともに、例えばリッジ３１１及び４１１などのリッジから遠ざけて、例えばスラブ３１２及び４１２などのスラブ内に、例えば空気孔３４０などの空気キャビティを作り出すエッチングによって、導波路を懸架することの結果である。

図９は、基体プラットフォーム９０２上に配置されたシングルモード懸架リッジ導波路９０１を有する光デバイス９００の一実施形態の断面図である。導波路９０１は導波路３００及び４００と同様である。基体プラットフォーム９０２は、Ｓｉ材料から構築される。導波路９０１は、導波路３００及び４００と同様にＳｉＯ_２材料から構築される。導波路９０１は、スラブ３１２及び４１２と同様のスラブ９１２の上に配置された、リッジ３１１及び４１１と同様のリッジ９１１を有している。この断面図は、基体プラットフォーム９０２と同様の基体上に導波路３００が配置されたときの、図３Ａの直線３０３に沿って取られた断面領域に対応するものである。デバイス９００において、導波路９０１は、導波路９０１の下の基体プラットフォーム９０２の部分９０３をエッチング除去することによって、空気中に懸架されている。例えば、このエッチングは、基体プラットフォーム９０２の裏側から行われ得る。従って、導波路９０１は、スラブ９１２に沿って例えば孔３４０のような孔を有していなくてもよい。また、導波路９０１は、導波路３００及び４００の懸架部分よりも狭い懸架部分９１５を有し得る。

図１０は、光エッジカップリング方法１０００の一実施形態のフローチャートである。方法１０００は、例えば導波路３００、４００、及び９０１などのシングルモード懸架リッジ導波路によって実行される。方法１０００は、導波路が光モード変換器として使用されるときに実行される。例えば、光モード変換器は、デバイス９００に示したように、シリコンフォトニクスチップ上に配置され得る。ステップ１０１０にて、例えば逆テーパ３３０などの逆テーパ状Ｓｉ導波路に光信号が導入される。例えば、逆テーパ状Ｓｉ導波路は、シングルモード導波路の例えばコア３１０及び４１０などのコア内に配置され、コアは、例えば空気クラッド３２０及び４２０などの空気クラッドによって取り囲まれる。ステップ１０２０にて、例えばコアに沿って、逆テーパ状Ｓｉ導波路からシングルモード導波路に光信号が渡される。例えば、逆テーパ状Ｓｉ導波路の例えば第２端部３３２などの先端から、より大きいモードのシングルモード導波路中に光信号が渡されるときに、光モード変換が達成され得るように、シングルモード導波路のコアは、逆テーパ状Ｓｉ導波路よりも大きい光モードサイズを有する。ステップ１０３０にて、シングルモード導波路から例えばＳＭＦなどの光ファイバに向けて光信号が送られる。光信号が光ファイバに到達するとき、光信号の光モードが光ファイバの光モードサイズと適合する。

本開示にて幾つかの実施形態を提示したが、理解されるべきことには、開示されたシステム及び方法は、本開示の精神又は範囲を逸脱することなく、数多くのその他の具体的形態でも具現化され得るものである。ここでの例は、限定的なものではなく、例示的なものと見なされるべきであり、意図することは、ここに与えられた詳細事項に限定されるべきでないということである。例えば、これらの様々な要素又はコンポーネントは、他のシステムにおいて結合あるいは統合されてもよく、あるいは、特定の機構が省略されたり、実装されなかったりしてもよい。

また、様々な実施形態において個別あるいは別個であるように記載・図示された技術、システム、サブシステム及び方法が、本開示の範囲を逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術又は方法と結合あるいは統合され得る。互いに結合され、直接的に結合され、あるいは通信するように図示あるいは説明されたその他の品目が、電気的、機械的、あるいはその他であろうと、何らかのインタフェース、装置又は中間コンポーネントを介して間接的に結合され、あるいは通信してもよい。変形、代用及び改変のその他の例が、当業者によって解明可能であり、ここに開示された精神及び範囲を逸脱することなく為され得る。

Claims (10)

1. シングルモード導波路であって、
   逆テーパ状導波路と光ファイバとの間で光をカップリングするように構成された光学コアであり、当該コアは、前記逆テーパ状導波路と前記光ファイバとの間の光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在し、当該コアは、スラブと、該スラブ上に配置されたリッジとを有し、前記リッジは、約２マイクロメートル（μｍ）から約１５μｍの高さを有し、前記リッジは、約２μｍから約１５μｍの幅を有し、前記スラブは、約０．５μｍから約１０μｍの高さを有し、前記スラブは、基部と、該基部に隣接して位置付けられた段上がり部とを有し、前記基部は第１の高さを有し、前記段上がり部は、前記第１の高さよりも大きい第２の高さを有し、前記スラブは更に、前記光信号伝播の軸に沿って前記段上がり部の中に位置するアンダーカット空気孔を有し、前記アンダーカット空気孔は、前記スラブの前記段上がり部を貫いて上下方向に延在している、コアと、
   前記光信号伝播の軸に沿って前記コアに隣接して配置された空気クラッドと、
   を有する導波路。
2. 前記リッジは、前記基部の略中央部分に配置され、前記リッジは、前記段上がり部の前記第２の高さと略等しい第３の高さを有し、前記基部は、前記空気クラッドの一部が前記リッジと前記段上がり部との間に配置されるように、前記リッジの幅よりも大きい幅を有し、且つ前記空気クラッドの前記一部は、１マイクロメートル（μｍ）よりも大きい幅を有する、請求項１に記載の導波路。
3. 前記リッジの前記第３の高さと、前記スラブの前記基部の前記第１の高さとの間の比が、約１．５から約５である、請求項２に記載の導波路。
4. 前記スラブは、前記光信号伝播の軸に沿って前記基部の中に位置するアンダーカット空気孔を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の導波路。
5. 前記逆テーパ状導波路は、前記コアの少なくとも一部内で前記光信号伝播の軸に沿って長手方向に延在しており、前記逆テーパ状導波路は、シリコン（Ｓｉ）材料を有する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の導波路。
6. 逆テーパ状シリコン（Ｓｉ）導波路に光信号を導入することと、
   前記逆テーパ状Ｓｉ導波路から、コアと該コアを取り囲む空気クラッドとを有するシングルモード導波路に、前記光信号を渡すことであり、前記コアは、スラブと、該スラブ上に配置されたリッジとを有し、前記光信号は前記リッジに沿って伝播し、前記リッジは前記空気クラッドによって取り囲まれており、前記リッジは、約２マイクロメートル（μｍ）から約１５μｍの高さを有し、前記リッジは、約２μｍから約１５μｍの幅を有し、前記スラブは、約０．５μｍから約１０μｍの高さを有し、前記スラブは、基部と、該基部に隣接して位置付けられた段上がり部とを有し、前記基部は第１の高さを有し、前記段上がり部は、前記第１の高さよりも大きい第２の高さを有し、前記スラブは更に、光信号伝播の軸に沿って前記段上がり部の中に位置するアンダーカット空気孔を有し、前記アンダーカット空気孔は、前記スラブの前記段上がり部を貫いて上下方向に延在している、渡すことと、
   前記シングルモード導波路から光ファイバに向けて前記光信号を送ることと
   を有し、
   前記シングルモード導波路は、前記逆テーパ状Ｓｉ導波路よりも大きい光モードを有し、且つ
   前記シングルモード導波路の前記光モードが、前記光ファイバの光モードと適合する、
   方法。
7. 基体と、
   前記基体上に配置されたシングルモード導波路であり、当該シングルモード導波路は、コアと該コアを取り囲む空気クラッドとを有し、当該シングルモード導波路は、光信号伝播の軸に沿って、第１端部と、該第１端部とは反対側の第２端部とを有し、前記第１端部は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合するように構成され、前記コアは、スラブと、該スラブ上に配置されたリッジとを有し、前記光信号は前記リッジに沿って伝播し、前記リッジは前記空気クラッドによって取り囲まれており、前記リッジは、約２マイクロメートル（μｍ）から約１５μｍの高さを有し、前記リッジは、約２μｍから約１５μｍの幅を有し、前記スラブは、約０．５μｍから約１０μｍの高さを有し、前記スラブは、基部と、該基部に隣接して位置付けられた段上がり部とを有し、前記基部は第１の高さを有し、前記段上がり部は、前記第１の高さよりも大きい第２の高さを有し、前記スラブは更に、前記光信号伝播の軸に沿って前記段上がり部の中に位置するアンダーカット空気孔を有し、前記アンダーカット空気孔は、前記スラブの前記段上がり部を貫いて上下方向に延在している、シングルモード導波路と、
   前記シングルモード導波路の前記コアの一部内に配置された逆テーパ状導波路であり、当該逆テーパ状導波路は、前記第２端部から前記第１端部に向けて減少する幅を持って延在しており、当該逆テーパ状導波路は、当該逆テーパ状導波路と前記ＳＭＦとの間の光路を提供するよう、前記光信号伝播の軸に沿って前記シングルモード導波路とアライメントされている、逆テーパ状導波路と、
   を有する光デバイス。
8. 前記シングルモード導波路に隣接する前記基体の少なくとも一部が、前記シングルモード導波路を空気中に懸架するようにエッチング除去されている、請求項７に記載の光デバイス。
9. 前記基体はシリコン（Ｓｉ）材料を有し、前記シングルモード導波路は二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）材料を有し、且つ前記逆テーパ状導波路はシリコン（Ｓｉ）材料を有する、請求項７又は８に記載の光デバイス。
10. 前記コアは、前記逆テーパ状導波路よりも大きい光モードサイズを有し、前記コアの前記光モードサイズは、前記ＳＭＦの光モードと適合する、請求項７乃至９の何れか一項に記載の光デバイス。
    

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