JP7202312B2 - ウエハのプローブおよび検査を可能にするシリコンフォトニクス構造 - Google Patents

Description

技術分野
本開示の例は、一般的には、フォトニックチップ内の光学素子を検査することに関し、具体的には、格子カプラを用いて、フォトニックチップに集積された光学素子の機能を検証することに関する。

背景
多くのネットワーク装置は、導電性ケーブルを使用する場合に実現できない速度でデータを処理する。例えば、導電性ケーブル（例えば、イーサネット（登録商標）ケーブル）を用いて、ネットワーク装置のＩ／Ｏ速度を達成する場合、大量の電力を必要するまたは大量のノイズを生成する。したがって、ネットワーク装置の間に高速信号を転送する必要がある場合、これらの装置は、光ファイバケーブルを使用する。光ファイバケーブルは、導電性ケーブルに比べて、より速いデータ転送速度およびより長い距離に対応することができる。

ネットワーク装置は、光ケーブルに結合される１つ以上のフォトニックチップを含むことができる。例えば、フォトニックチップは、１００本以上の異なる光ファイバケーブルに結合することができる。しかしながら、フォトニックチップをこれらの光ケーブルに合わせて取り付けない場合、フォトニックチップ内の光学素子を検査することは、不可能ではなくても困難である。例えば、フォトニックチップがまだウエハ内にあるときに、すなわち、ウエハを個々のフォトニックチップに切断する前に、フォトニックチップ内の光学素子（例えば、光変調器、光検出器など）を検査することができない。

概要
格子カプラを用いてフォトニック半導体チップ内の光学素子を検査するための技術を説明する。一例は、フォトニック半導体チップに関する。このフォトニック半導体チップは、第１導波路の第１端に結合されたエッジカプラを備え、エッジカプラは、フォトニック半導体チップの側面に沿って第１光信号を転送するように構成され、エッジカプラは、第１光信号がエッジカプラエッジカプラを通って伝播するときにモードサイズを変更するように構成される。フォトニック半導体チップは、（ｉ）第１導波路の第２端、（ｉｉ）第２導波路の第１端および（ｉｉｉ）第３導波路の第１端に結合されたスプリッタを備え、このスプリッタは、第１導波路、第２導波路および第３導波路のいずれかから第１光信号を受信し、第１光信号の第１減衰部分および第２減衰部分を第１導波路、第２導波路および第３導波路の残りの２つの導波路に転送するように構成される。フォトニック半導体チップは、第２導波路の第２端に結合された格子カプラを備え、格子カプラは、フォトニック半導体チップの側面に垂直な上面に沿って第２光信号を転送するように構成され、および第３導波路の第２端に結合された光学素子を備える。

いくつかの実施形態において、エッジカプラは、フォトニック半導体チップの外側側面から露出されてもよく、格子カプラは、フォトニック半導体チップの外側上面から露出されてもよい。側面は、上面に垂直であってもよい。

いくつかの実施形態において、光学素子は、導電性トレースを介して上面に配置された導電性パッドに接続されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１導波路、第２導波路および第３導波路は、少なくとも１つのミクロン未満の寸法を有してもよく、第１導波路、第２導波路および第３導波路は、フォトニック半導体チップの共通面に配置されてもよい。

いくつかの実施形態において、共通面は、フォトニック半導体チップの上部半導体表面層とフォトニック半導体チップの絶縁層との間の界面であってもよい。第１導波路、第２導波路、第３導波路、エッジカプラおよび格子カプラは、絶縁層上に配置されてもよい。

いくつかの実施形態において、光学素子は、光検出器および光変調器のいずれかであってもよい。

いくつかの実施形態において、フォトニック半導体チップは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造をさらに含むことができる。第１導波路、第２導波路および第３導波路は、ＳＯＩ構造内の絶縁層上に配置されたシリコン導波路であってもよい。

別の例は、方法に関する。この方法は、エッジカプラ、格子カプラ、スプリッタおよび光学素子を含むフォトニック半導体チップを提供することを含む。エッジカプラは、第１導波路の第１端に結合され、スプリッタは、（ｉ）第１導波路の第２端、（ｉｉ）第２導波路の第１端および（ｉｉｉ）第３導波路の第１端に結合され、格子カプラは、第２導波路の第２端に結合され、光学素子は、第３導波路の第２端に結合される。この方法は、検査プローブと格子カプラとの間に光信号を転送することを含み、エッジカプラは、フォトニック半導体チップの側面に沿って第１光信号を転送するように構成され、格子カプラは、フォトニック半導体チップの側面に垂直な上面に沿って第２光信号を転送するように構成される。この方法は、光信号を転送することに基づいて、光学素子の機能を検査することを含む。

いくつかの実施形態において、この方法は、フォトニック半導体チップを含むウエハを提供することをさらに含むことができる。フォトニック半導体チップがウエハの一部であるときに、光信号を転送してもよい。ウエハは、複数のフォトニック半導体チップを含んでもよい。

いくつかの実施形態において、この方法は、ウエハを切断することによって、フォトニック半導体チップを複数のフォトニック半導体チップから分離し、エッジカプラをフォトニック半導体チップの外側側面から露出させることをさらに含むことができる。

いくつかの実施形態において、この方法は、エッジカプラを用いて、外部搬送媒体によって搬送された光を受信することと、検査プローブを用いて、格子カプラによって受信された光を測定することと、測定された光に基づいて、外部搬送媒体をエッジカプラに位置合わせすることとをさらに含むことができる。

いくつかの実施形態において、格子カプラは、フォトニック半導体チップの外側上面から露出されてもよく、外側側面は、外側上面に垂直であってもよい。

いくつかの実施形態において、光学素子は、導電性トレースを介して、上面に配置された導電性パッドに接続されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１導波路、第２導波路および第３導波路は、少なくとも１つのミクロン未満の寸法を有してもよく、第１導波路、第２導波路および第３導波路は、フォトニック半導体チップの共通面に配置されてもよい。

別の例は、方法に関する。この方法は、ウエハを提供することを含み、ウエハは、集積された複数のフォトニックチップを含む。複数のフォトニックチップの第１フォトニックチップは、格子カプラ、スプリッタ、第１光学素子および第２光学素子を含む。格子カプラは、第１導波路の第１端に結合され、スプリッタは、第１導波路の第２端、（ｉｉ）第２導波路の第１端および（ｉｉｉ）第３導波路の第１端に結合され、第１光学素子は、第２導波路の第２端に結合され、第２光学素子は、第３導波路の第２端に結合される。この方法は、検査プローブと格子カプラとの間に光信号を転送することを含み、格子カプラは、第１導波路および第２導波路を配置している共通面に平行な第１フォトニックチップの上面に沿って光信号を転送するように構成される。この方法は、光信号を転送することに基づいて、光学素子の機能を検査することと、ウエハを切断することによって複数のフォトニックチップから第１フォトニックチップを分離することとを含む。

いくつかの実施形態において、スプリッタは、第１導波路、第２導波路および第３導波路のいずれかから第１光信号を受信し、第１光信号の第１減衰部分および第２減衰部分を第１導波路、第２導波路および第３導波路の残りの２つの導波路に転送するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１光学素子は、導電性トレースを介して、上面に配置された導電性パッドに接続されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１導波路、第２導波路および第３導波路は、少なくとも１つのミクロン未満の寸法を有してもよく、第１導波路、第２導波路および第３導波路は、フォトニックチップの共通面に配置されてもよい。

いくつかの実施形態において、この方法は、ウエハを切断した後、格子カプラと検査プローブとの間に第２光信号を転送することによって、第１光学素子の機能を検査することをさらに含むことができる。

いくつかの実施形態において、この方法は、ウエハを切断した後、不透明材料を用いて格子カプラを被覆することをさらに含むことができる。

上記の特徴をより詳しく理解できるように、いくつかの実現例を示す添付の図面を参照して、上記の簡潔な概要をより詳細に説明する。理解すべきことは、添付の図面は、代表的な実現例のみを示し、発明の範囲を限定するものと見なされるべきではないことである。

本明細書に開示された一実施形態に従って、ＳＯＩ装置を示す図である。 一例に従って、光学素子を検査するための格子カプラを含むフォトニックチップを示す図である。 一例に従って、格子カプラおよびエッジカプラを光学素子に光学的に結合するためのスプリッタを示す図である。 一例に従って、格子カプラおよびエッジカプラを光学素子に光学的に結合するためのスプリッタを示す図である。 一例に従って、格子カプラおよびエッジカプラを光学素子に光学的に結合するためのスプリッタを示す図である。 一例に従って、エッジカプラを示す図である。 一例に従って、エッジカプラを示す図である。 一例に従って、シリコンオンインシュレータ構造内の格子カプラを示す図である。 一例に従って、格子カプラを用いてフォトニックチップを検査するためのフローチャートである。 一例に従って、複数のフォトニックチップを含むウエハを示す図である。 一例に従って、フォトニックチップを検査するためのシステムを示す図である。 一例に従って、フォトニックチップを含むラインカードを示す図である。 一例に従って、格子カプラを含むフォトニックチップを示す図である。

詳細な説明
理解を容易にするために、可能な場合、同一の参照番号を用いて、図面に共通する同一の要素を指す。一例の要素を他の例に有利に組み込むことができると考えられる。

以下、図面を参照して、様々な機能を説明する。理解すべきことは、図面は、縮尺通りに描かれている場合と描かれていない場合があり、同様の構造要素または機能要素は、全ての図面において同様の参照番号で示されることである。理解すべきことは、図面は、特徴の説明を容易にすることを意図していることである。図面は、説明の網羅的な説明または特許請求の範囲を制限することを意図していない。さらに、図示された例は、示された全ての態様または利点を有する必要はない。特定の例に関連して説明された態様または利点は、必ずしもその例に限定されるものではなく、そのように示されていなくてもまたは明示的に説明されていなくても、他の例に実現することができる。

本明細書の実施形態は、格子カプラを用いてフォトニックチップ内の光学素子を検査するまたは位置合わせするための技術を説明する。一実施形態において、フォトニックチップは、エッジカプラおよび格子カプラを含み、エッジカプラおよび格子カプラは、フォトニックチップを外部の光ファイバケーブルに光学的に結合することができる。エッジカプラは、フォトニックチップの側面またはエッジに配置されてもよく、格子カプラは、フォトニックチップの上部または側面に配置されてもよい。例えば、エッジカプラは、格子カプラを含むフォトニックチップの側面に垂直なチップの側面に配置されてもよい。一般に、エッジカプラは、格子カプラよりもフォトニックチップに進出する光をより効率に転送することができる。また、外部光ファイバケーブルをエッジカプラに位置合わせすると、格子カプラよりも小型のパッケージを得ることができる。

エッジカプラは、格子カプラよりも優れているが、いくつかの製造段階においてエッジカプラにアクセスできないため、エッジカプラに接続された光学素子を検査することができない。製造時に、ウエハは、複数の同様のフォトニックチップを含むように加工されてもよい。例えば、ウエハは、２０～２００個のフォトニックチップを含むことができる。ウエハを切断してフォトニックチップを分離する前に、製造業者は、フォトニックチップ内の光学素子を検査したい場合がある。しかしながら、エッジカプラを用いてこれらの素子にアクセスする場合、ウエハをフォトニックチップにダイシングまたは切断しない限り、これらの素子を検査することができない。

本明細書に記載の実施形態において、フォトニックチップは、エッジカプラに接続されている光学素子を検査するための格子カプラを含む。したがって、（例えば、ウエハを切断する前に）エッジカプラにアクセスできない場合、検査プローブをウエハの上部または下部に配置された格子カプラに光学的に接続することによって、エッジカプラにアクセスことができる。フォトニックチップの機能を検査するために、検査プローブは、格子カプラから光信号を受信するまたは格子カプラに光信号を転送することができる。一実施形態において、格子カプラおよびエッジカプラは、スプリッタのポートに各々接続される。スプリッタの第３ポートは、フォトニックチップ内の光学素子（例えば、光変調器および光検出器）に結合される。光学素子から光信号を受信すると、スプリッタは、光信号パワーの第１減衰部分をエッジカプラに転送し、光信号パワーの第２減衰部分を格子カプラに転送する。したがって、エッジカプラが露出されていなくてもまたはアクセスできなくても、検査プローブは、格子カプラを介して一部の光信号を受信して、光学素子の機能を検査することができる。

また、検査プローブは、格子カプラを用いて、光信号をフォトニックチップに転送することもできる。この場合、格子カプラは、光信号をスプリッタに転送し、スプリッタは、信号の少なくとも一部を光学素子に転送する。一実施形態において、光学素子は、電気信号を出力し、この電気信号は、フォトニックチップの上面または底面に設けられた導電性パッドに転送される。検査プローブを導電性パッドに結合し、この電気信号を測定することによって、検査装置は、フォトニックチップが機能しているか否かを判断することができる。

一実施形態において、ウエハを個々のフォトニックチップに切断した後、格子カプラは、検査に使用される。したがって、ウエハに配置されたフォトニックチップを検査するときに使用された同様の検査装置および構成を用いて、個々の基板に取り付けられた個々のフォトニックチップを検査することができる。また、一実施形態において、格子カプラを用いて、光ファイバケーブルをフォトニックチップ内のエッジカプラに位置合わせすることができる。例えば、位置合わせの時に、光ファイバケーブルは、光をエッジカプラに転送することができる。格子カプラを介して受信した光を監視することによって、位置合わせ装置は、例えば、格子カプラから受信した光が最大になったときに、光ファイバケーブルがエッジカプラに位置合わせされたことを判断することができる。

図１は、本明細書に開示された一実施形態に従って、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）装置１００を示す。ＳＯＩ装置１００は、表面層１０５と、（埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層とも呼ばれる）埋め込み絶縁層１１０と、半導体基板１１５とを含む。本明細書の実施形態は、表面層１０５および基板１１５をシリコンとして称するが、本開示は、そのように限定されない。例えば、他の半導体または光透過性材料を用いて、本明細書に開示された構造を形成することができる。また、表面層１０５および基板１１５は、同じ材料から作られてもよいが、他の実施形態において、これらの層１０５および１１５は、異なる材料から作られてもよい。

表面層１０５の厚さは、１００ｎｍ未満から１μｍを超える範囲にあってもよい。より具体的には、表面層１０５は、１００～３００ｎｍの厚さを有してもよい。絶縁層１１０の厚さは、所望の用途に応じて変化してもよい。一実施形態において、絶縁層１１０の厚さは、１μｍ未満から数十μｍの範囲にあってもよい。基板１１５の厚さは、ＳＯＩ装置１００の特定の用途に応じて大きく変化してもよい。例えば、基板１１５は、典型的な半導体ウエハの厚さ（例えば、１００～７００μｍ）を有してもよく、薄くされてよくまたは別の基板に取り付けられてもよい。

光学用途の場合、シリコン表面層１０５および絶縁層１１０（例えば、シリコン酸化物、オキシ窒化ケイ素など）は、光信号を表面層１０５のシリコン導波路に拘束する対照的な屈折率を提供することができる。後の処理工程において、ＳＯＩ装置１００の表面層１０５をエッチングして、１つ以上のシリコン導波路を形成することができる。シリコンがシリコン酸化物などの絶縁体に比べて高い屈折率を有するため、光信号は、表面層１０５に沿って伝播するときに主に導波路に留まる。

図２は、ＳＯＩ構造から形成されたフォトニック半導体チップ２００を示している。フォトニックチップ２００は、対応するシリコン導波路２１０Ａ～Ｃを介して、スプリッタ２１５に結合されたエッジカプラ２０５と、格子カプラ２２０と、光学素子２２５とを含む。図１のＳＯＩ装置１００と同様に、フォトニックチップ２００は、上面層２３５と、絶縁層１１０と、基板１１５とを含む。しかしながら、表面層２３５は、様々な光学構造を含むように処理されている。例えば、表面層２３５は、光学素子２２５（例えば、光変調器または光検出器）を含み、光学素子２２５は、フォトニックチップ２００の上面２４０から露出された導電性パッド２３０を備える。光学素子２２５は、シリコン層に対して様々な製造工程を実行することによって、例えばシリコン材料をエッチングまたはドーピングすると共に、表面層２３５上に追加の材料を堆積または成長させることによって形成することができる。導電性パッド２３０は、光学素子２２５によって生成された電気信号または光学素子２２５に転送された電気信号を転送するために使用できる任意の数のパッドまたは接点を表す。導電性パッド２３０は、導電性トレースまたはビアによって光学素子に結合される。

光学素子２２５が変調器である場合、導電性パッド２３０は、外部ソースから制御信号を受信して、導波路２１０Ｃから受信した光信号の変調を制御することができる。光学素子２２５が光検出器である場合、検出器は、導電性パッド２３０にそれぞれ結合されたｎ型ドープ領域およびｐ型ドープ領域を有するため、シリコン導波路２１０Ｃから受信した吸収光信号に対応する電気信号を生成または転送することができる。

図示されていないが、導電性パッド２３０は、光学素子２２５から電気信号を受信するまたは電気信号を光学素子２２５に転送するための電気集積回路（ＩＣ）に接続されてもよい。一実施形態において、電気ＩＣは、フォトニックチップ２００から物理的に分離されるが、ボンディングワイヤおよび／またはバスを介して導電性パッド２３０に結合される。別の実施形態において、電気ＩＣのロジックは、フォトニックチップ２００と同様のＳＯＩ構造に形成される。したがって、光学素子２２５は、導電性パッド２３０を使用する代わりに、内部トレースまたはワイヤを介して、ロジックとの間にデータ信号を送受信することができる。

シリコン導波路２１０は、シリコン表面層（例えば、図１の層１０５）から製造されてもよい。フォトニックチップ２００は、導波路２１０を用いて、表面層２３５の異なる領域に光信号を搬送する。この例では、シリコン導波路２１０は、エッジカプラ２０５、スプリッタ２１５、格子カプラ２２０、および光学素子２２５の間に光信号を転送する。導波路２１０Ｂがスプリッタ２１５から格子カプラ２２０まで垂直に延在すると図示されているが、これは単に例示である。導波路２１０Ｂおよび格子カプラ２２０は、導波路２１０Ａおよび２１０Ｃ、スプリッタ２１５、エッジカプラ２０５、および光学素子２２５と同一の平面および層（すなわち、表面層２３５）に配置されてもよい。例えば、導波路２１０Ｂは、ページに垂直な方向に延在してもよい。したがって、導波路２１０Ｂおよび格子カプラ２２０は、表面層２３５に位置している。それにもかかわらず、格子カプラ２２０の少なくとも１つの側面は、フォトニックチップの上面２４０から露出される。すなわち、格子カプラ２２０は、絶縁層１１０から上面２４０まで延在することができる。

図示のように、エッジカプラ２０５の１つのインターフェイスは、導波路２１０Ａに結合され、別のインターフェイスは、フォトニックチップ２００の外側側面２４５に近接している。エッジカプラ２０５がチップ２００の側面から露出されていると図示されているが、他の実施形態において、エッジカプラ２０５は、側面２４５からわずかに凹んでもよい。一実施形態において、エッジカプラ２０５は、導波路２１０と同様の材料から作られる。例えば、エッジカプラ２０５および導波路２１０の両方は、シリコンから作られてもよい。一実施形態において、エッジカプラ２０５は、変換器の露出側面２４５に当たる光信号を導波路２１０Ａに集束させるように処理（例えば、エッチング）された複数の積層を含むことができる。

エッジカプラ２０５は、外部の光搬送媒体（例えば、レーザまたは光ファイバケーブル）に効率的に結合するように設計されてもよい。シリコン導波路２１０を外部の光搬送媒体に直接に接続する場合、シリコン導波路２１０の寸法は、高い光学損失をもたらす可能性がある。その代わりに、光搬送媒体は、エッジカプラ２０５に結合され、エッジカプラ２０５は、信号をシリコン導波路２１０Ａに転送する。このようにして、外部の光搬送媒体と導波路２１０Ａとの間に、光信号を導波路２１０Ａの寸法と同様の直径に集束させるためのレンズを使用する必要がなくなる。換言すれば、一実施形態において、エッジカプラ２０５は、レンズなどの外部集束素子を追加することなく、外部の光搬送媒体を側面２４５に結合することを可能にし、光をフォトニックチップ２００に直接転送することができる。

スプリッタ２１５は、第１入力で光信号を受信し、２つ以上の出力で減衰光信号を出力できる任意の光カプラを表す。一実施形態において、スプリッタ２１５は、導波路２１０Ａを介してエッジカプラ２０５から光を受信し、受信した光信号を分割して、分割した光信号を格子カプラ２２０および光学素子２２５に各々出力する。したがって、受信した光信号パワーの第１減衰部分は、格子カプラ２２０に転送され、受信した光信号パワーの第２減衰部分は、光学素子２２５に転送される。例えば、スプリッタ２１５は、２０ｄＢカプラであってもよい。この場合、受信した光信号パワーの１％は、格子カプラ２２０に転送され、受信した光信号パワーの９９％は、光学素子２２５に転送される。

一実施形態において、スプリッタ２１５は、多方向であってもよい。すなわち、出力ポートを入力ポートとして使用することができ、入力ポートを出力ポートとして使用することができる。例えば、上述した例を続けると、スプリッタ２１５は、導波路２１０Ｃを介して光学素子２２５から光信号を受信することができる。スプリッタ２１５は、受信した光パワーの第１割合をエッジカプラ２０５に転送し、光信号の第２割合を格子カプラ２２０に転送することができる。導波路２１０Ｂを介して格子カプラ２２０から受信した光信号に対して、スプリッタ２１５は、同様の光分割を実行することができる。

別の実施形態において、スプリッタ２１５は、単方向であってもよい。すなわち、スプリッタ２１５は、１つの入力ポートで受信した光のみを分割し、別のポートで受信した光を分割しない。別の実施形態において、スプリッタ２１５は、受信した光信号内のＴＭ光およびＴＥ光を分離し、その後、対応する光ポートを用いてＴＭ光およびＴＥ光を転送する。さらに別の実施形態において、スプリッタ２１５は、一方向に沿って光を少なくとも２つの出力ポートの間に分割するための光サーキュレータを含むことができる。

以下でより詳細に説明するように、格子カプラ２２０およびスプリッタ２１５は、フォトニックチップ２００を含むウエハを切断することによってエッジカプラ２０５を側面２４５から露出させる前（すなわち、エッジカプラ２０５にアクセスできる前）に、光学素子２２５を検査することを可能にする。光を格子カプラ２２０に転送した後、格子カプラ２２０は、スプリッタ２１５を用いて、この光を光学素子２２５に転送することができる。一方、検査装置は、スプリッタ２１５が光学素子２２５から光信号を受信することに応じて、格子カプラ２２０から光を受信することもできる。また、フォトニックチップ２００をウエハから切断した後（エッジカプラ２０５にアクセスできると）、格子カプラ２２０を用いて、チップ２００を検査することができ、エッジカプラ２０５を光搬送媒体に結合する必要がない。さらに、格子カプラ２２０を用いて、光搬送媒体をエッジカプラ２０５に位置合わせすることができる。

図３Ａ～３Ｃは、一例に従って、格子カプラ２２０およびエッジカプラ２０５を光学素子２２５に光学的に結合するためのスプリッタ２１５を示す。図３Ａ～３Ｃは、２０ｄＢカプラを備えたスプリッタ２１５を示しているが、任意の種類の分割比、例えば１０ｄＢまたは３０ｄＢカプラを使用することができる。

図３Ａでは、光信号は、導波管２１０Ｃを介して光学素子２２５からスプリッタ２１５に転送される。この例では、スプリッタ２１５は、光学素子２２５から受信した光信号のパワーの１％を格子カプラ２２０に転送し、受信した光信号のパワーの９９％をエッジカプラ２０５に転送する２０ｄＢカプラである。この分割は、検査中および動作中に実行されてもよい。フォトニックチップを検査するときに、検査プローブを格子カプラ２２０に光学的に結合することによって、スプリッタ２１５から提供された（２０ｄＢの減衰を伴う）光信号を受信することができる。検査装置は、受信した光信号を評価することによって、光学素子２２５が予期のように機能しているか否かを判断することができる。この例では、格子カプラ２２０は、光信号のパワーの１％のみを受信するが、検査装置は、光学素子２２５からスプリッタ２１５に転送された光信号のパワーと一致する（または超える）ように、格子カプラ２２０を介して受信した光信号のパワーを増加させるための光増幅器を含むことができる。

一実施形態において、動作中（例えば、フォトニックチップの機能を検証して、光ファイバケーブルをエッジカプラ２０５に結合した後）、光学素子２２５によって転送されたパワーの１％は、依然として格子カプラ２２０を介して転送される。一実施形態において、格子カプラ２２０は、フォトニックチップを検査するときまたはエッジカプラ２０５を位置合わせするときのみ使用される。したがって、動作中に格子カプラ２２０に転送された信号は、使用されない。換言すれば、動作中に、格子カプラ２２０は、外部の光搬送媒体に結合されなくてもよい。しかしながら、格子カプラ２２０を用いてフォトニックチップの適切な機能性を確保するおよび／またはエッジカプラ２０５を位置合わせすることは、動作中に光学素子２２５から転送された信号のパワーの１％をエッジカプラ２０５ではなく格子カプラ２２０に転送することよりも有利である。しかしながら、別の実施形態において、動作中に、格子カプラ２２０を光ファイバケーブルに結合することができる。例えば、格子カプラ２２０は、動作中に、フォトニックチップを較正するための光信号を転送することができる。

図３Ｂでは、光信号は、エッジカプラ２０５からスプリッタ２１５に転送され、スプリッタ２１５は、光信号のパワーの９９％を光学素子２２５に転送し、パワーの１％を格子カプラ２２０に転送する。例えば、図３Ｂは、エッジカプラ２０５が外部光ファイバケーブルに位置合わせされているときのフォトニックチップの状態を示している。格子カプラ２２０は、検査プローブに光学的に結合され、検査プローブは、格子カプラ２２０から転送された光信号を受信および監視する。格子カプラ２２０から受信した光が最大になり、素子間の最適な位置合わせを示すまで、光ファイバケーブルとエッジカプラ２０５との位置を変更することができる。位置合わせた後および動作中、格子カプラ２２０は、被覆されているため、アクセスできない。したがって、スプリッタ２１５から格子カプラ２２０に転送された１％のパワーが失う可能性があるまたは使用できない。しかしながら、格子カプラ２２０を使用することは、動作中にエッジカプラ２０５から転送された信号のパワーの１％を光学素子２２５ではなく格子カプラ２２０に転送することよりも有利である。

図３Ｃでは、格子カプラ２２０は、光信号をスプリッタ２１５に転送し、スプリッタ２１５は、光信号のパワーの１％をエッジカプラ２０５に転送し、光パワーの１％を光学素子２２５に転送する。スプリッタ２１５が格子カプラ２２０から受信した光パワーの１％のみをエッジカプラ２０５および光学素子２２５に転送するが、検査プローブから格子カプラ２２０に転送される光信号は、動作中フォトニックチップに使用された光信号よりも１００倍強い。したがって、エッジカプラ２０５および光学素子２２５に転送された光信号は、スプリッタ２１５によって減衰されても、動作中に使用された光信号と同様のパワーを有する。このようにして、格子カプラ２２０を用いて、通常の動作中に使用された光信号と同様または類似の光パワーを有する光信号を導入することによって、光学素子２２５の機能を検査することができる。

一実施形態において、フォトニックチップの機能を検査するときのみ、格子カプラ２２０を用いて、光信号をフォトニックチップに転送する。したがって、格子カプラ２２０は、被覆されてもよく、外部の光搬送媒体に接続されなくてもよい。しかしながら、別の実施形態において、通常の動作中に格子カプラ２２０を用いて光をフォトニックチップに転送できるように、格子カプラ２２０を光ファイバケーブルに永久に取り付けることができる。

図４Ａおよび４Ｂは、一例に従ったエッジカプラ２０５を示している。図４Ａは、エッジカプラ２０５を示す側面図であり、図４Ｂは、エッジカプラ２０５を示す上面図である。図４Ａに示すように、エッジカプラ２０５は、３つの部分、すなわち、フォトニックチップの側面２４５に位置する第１部分４０５と、第２部分４１０と、シリコン導波路２１０Ａに結合された第３部分４１５とを含む。第１部分４０５の高さは、第２部分４１０の高さよりも大きく、第２部分４１０の高さは、第３部分４１５の高さよりも大きい。高さの変化は、シリコン導波路２１０Ａから送受信された光信号のモードサイズを増加させることができる。例えば、側面２４５に位置するエッジカプラ２０５に位置合わせされた光ファイバは、約９μｍの寸法のコアを有してもよい。光ファイバがシングルモードファイバである場合、モードサイズは、約９μｍである。しかしながら、エッジカプラ２０５を介して光信号を転送する場合、３つの部分の高さの変化は、１μｍ未満の高さを有するシリコン導波路２１０Ａの寸法と一致するように、モードサイズを縮小する。逆に、シリコン導波路２１０Ａから側面２４５に配置された光ファイバに信号を転送する場合も同様である。この場合、第１部分４０５、第２部分４１０および第３部分４１５の高さの変化は、光ファイバのコアの寸法と一致するようにモードサイズを増加する。

図４Ｂの上面図に示すように、エッジカプラ２０５は、側面２４５からシリコン導波路２１０Ａに延在するにつれて、その幅が小さくになる。すなわち、第１部分４０５は、第２部分４１０よりも広い幅を有し、第２部分４１０は、第３部分４１５よりも広い幅を有する。高さと同様に、幅は、エッジカプラ２０５から転送された光信号のモードサイズを変更することができる。例えば、ファイバコアの幅は、８～１０μｍの間である一方、シリコン導波路２１０Ａの幅は、１μｍ未満である。

図４Ａおよび４Ｂに示されたエッジカプラ２０５は、単なるエッジカプラの一例である。本明細書に記載の実施形態は、外部の光搬送媒体（例えば、光ファイバケーブルまたはレーザ）が導波路（例えば、１μｍ未満の導波路）を用いて光を送受信することを可能にする任意のエッジカプラと共に使用することができる。

図５は、一例に従って、シリコンオンインシュレータ構造内の格子カプラ２２０を示している。具体的には、図５は、対応する検査プローブ５０５に光学的に結合された第１格子カプラ２２０Ａおよび第２格子カプラ２２０Ｂを示す。図示のように、各検査プローブ５０５は、角度θによって示されるように、表面層２３５の上面から８０度で傾斜される。この傾斜角θによって、検査プローブ５０５Ａ（例えば、光ファイバケーブル）から転送された光は、格子カプラ２２０Ａに進入し、シリコン導波路５１０に沿って伝播することができる。そのために、格子カプラ２２０Ａは、鋸歯状パターンを含み、検査プローブ５０５Ａから受信した光をシリコン導波路５１０に導く。格子カプラ２２０Ｂは、シリコン導波路５１０から受信した光を傾斜角θで検査プローブ５０５Ｂに導く。言うこともなく、このプロセスを逆にすることができる。この場合、検査プローブ５０５Ｂは、光を格子カプラ２２０Ｂに転送し、格子カプラ２２０Ｂは、受信した光をシリコンカプラ５１０に導く。その後、格子カプラ２２０Ａは、光を傾斜角θで検査プローブ５０５Ａに転送する。このようにして、各々の格子カプラ２２０を用いて、光信号を送受信することができる。

一実施形態において、検査プローブ５０５と格子カプラ２２０との間に透明な位置合わせ装置を配置することができる。例えば、検査プローブ５０５を位置合わせ装置に設けられた、表面層２３５に平行な溝（例えば、Ｖ字状溝またはＵ字状溝）に挿入することができる。位置合わせ装置は、検査プローブ５０５から出射された光を傾斜角θで格子カプラ２２０に導くまたは格子カプラ２２０から出射された光を検査プローブ５０５に導く反射面を含むことができる。

図５に示された格子カプラ２２０は、単なる格子カプラの一例である。本明細書に記載の実施形態は、フォトニックチップの上面または底面に設けられ、検査プローブが表面層２３５に平行に延在する導波路に光を転送するまたは導波路から光を受信することを可能にする任意の格子カプラと共に使用することができる。すなわち、格子カプラ２２０によって、検査プローブ（または位置合わせ装置）は、導波路と平行ではなくても（例えば、８０度の傾斜角を有しても）、光を導波路に転送することができ、導波路から光を受信することができる。このようにして、格子カプラ２２０は、光信号が導波路５１０と平行な表面を通過するように光信号の方向を変更する。

図６は、一例に従って、格子カプラを用いてフォトニックチップを検査する方法６００を示すフローチャートである。ブロック６０５において、検査装置は、格子カプラを介して光を送受信することによって、ウエハ内のフォトニックチップを検査する。一実施形態において、検査装置は、格子カプラを介して、フォトニックチップ内の光学素子によって生成または変更された光を受信するための検査プローブを含む。検査装置は、受信した光が所定のパワー、位相、周波数または強度を有しているか否かまたは光が（復調される場合）所定のデータを搬送しているか否かを判断することができる。例えば、検査装置は、受信した光が特定の周波数で閾値強度を有するか否かを判断してもよく、受信し光信号によって搬送されたデータが所定の変調データを含むか否かを判断してもよい。

一実施形態において、検査装置は、導電性パッドを介して、フォトニックチップ内の光学素子、例えば変調器を制御するための電気信号をフォトニックチップに転送する。検査装置は、電気信号を用いて光学素子を制御する場合、格子カプラを介して光学素子から受信した光信号が期待した信号と一致するように保証することができる。

別の実施形態において、検査装置は、検査装置が光信号をフォトニックチップに転送することに応答して生成された電気信号をフォトニックチップから受信することができる。例えば、格子カプラ（およびスプリッタ）は、検査装置から受信した光信号を光検出器に転送することができる。光検出器は、光信号を電気信号に変換する。電気信号を監視することによって、検査装置は、電気信号が検出器によって適切に生成されたか否かを判断することができる。適切に生成された場合、検査装置は、フォトニックチップ（またはフォトニックチップ内の光学素子）が機能していることを示す記しを保存する。そうでない場合、検査装置は、フォトニックチップが機能していないことを示す。

一実施形態において、フォトニックチップの機能を検査することは、フォトニックチップの光学素子を較正することを含む。例えば、格子カプラから受信した光の強度またはパワーに応じて、検査装置は、フォトニックチップ（またはフォトニックチップに結合された電気ＩＣ）のメモリ素子に格納された制御データを変更することによって、光学素子の光出力を所望の強度またはパワーに変更することができる。

図７は、一例に従って、複数のフォトニックチップ２００を含むウエハ７００を示している。一実施形態において、方法６００のブロック６０５は、フォトニックチップ２００がウエハ７００に配置されたときに実行される。したがって、フォトニックチップ２００内のエッジカプラは、隣接するフォトニックチップまたはウエハ７００の未使用部分７０５によって被覆される。この製造状態では、外部の光搬送媒体は、チップ２００内のエッジカプラにアクセスできない。ウエハ７００を切断することによって、フォトニックチップ２００を個々の素子に分離することができる。さらに、ウエハを切断することによって、フォトニックチップ２００の１つ以上の側面からエッジカプラを露出させることができる。切断を例として説明したが、ウエハ７００は、適切なプロセス、例えば切断、ダイシング、割断を用いて個々のフォトニックチップ２００にカットすることができる。

一実施形態において、フォトニックチップ２００は、同様の処理工程を用いて形成されたため、同様の構造および要素を有する。すなわち、フォトニックチップ２００は、互いのコピーである。しかしながら、本明細書に記載の実施形態は、これに限定されず、ウエハ７００内の一部のチップに対して１つ以上の製造工程を実行し、他のチップに対して製造工程を実行しないことによって、異なるチップを有するウエハ７００にも適用することができる。

図８は、一例に従って、フォトニックチップ２００を検査するためのシステム８００を示している。システム８００は、方法６００の様々なステップを実行するために使用できる検査装置８０５を含む。検査装置８０５は、光源８１０と、光増幅器８１５と、光検出器８２０とを含む。また、検査装置８０５は、検査プローブ５０５（例えば、光ファイバケーブル）に結合され、検査プローブ５０５は、フォトニックチップ２００内の格子カプラ２２０に光学的に結合される。検査プローブ５０５によって、検査装置は、格子カプラ２２０との間で光信号を送受信することができる。

光源８１０は、チップ２００の機能を検査するために格子カプラ２２０に転送できる光信号を生成するためのレーザであってもよい。図示されていないが、レーザ源８１０は、例えば、パルス振幅変調（ＰＡＭ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）、直交位相シフトキーイング（ＱＰＳＫ）を用いて、データを変調光信号に挿入するための変調器を含んでもよい。検査装置は、変調方式を用いてフォトニックチップに送信される光信号にデータを挿入することができ、この信号を用いてチップ２００内の光学素子を検査することができる。

光増幅器８１５は、格子カプラ２２０を介してフォトニックチップ２００から受信した光信号を増幅することができる。上述したように、格子カプラ２２０は、フォトニックチップ２００に伝播する光信号の減衰信号を受信することができる。光増幅器８１５は、受信した光信号を増幅することができ、光検出器８２０は、例えば、この信号を検出して信号のパワー、周波数または位相を測定することができ、または信号を復調して受信した光信号内のデータを識別することができる。

図７に示されたようにフォトニックチップ２００がまだウエハに含まれているときにまたはフォトニックチップ２００が分離された後、検査装置８０５を用いて、光学素子を検査することができる。また、格子カプラ２２０を用いて、光ファイバケーブルをエッジカプラ２０５に位置合わせするときに支援することができる。例えば、検査装置８０５は、格子カプラ２２０で測定された光信号の強度を位置合わせ装置に出力することができ、位置合わせ装置は、光ファイバケーブルとエッジカプラ２０５との相対位置を調整することができる。

方法６００に戻る。ブロック６１０において、検査装置は、ブロック６１０で実行された検査に基づいて、ウエハ上の機能的なフォトニックチップを特定する。例えば、検査装置は、検査に合格したフォトニックチップおよび合格しなかったフォトニックチップを示すウエハマップをメモリに記憶することができる。検査に合格しなかったチップを廃棄またはリサイクルするようにマークすることができる。

ブロック６１５において、ウエハを個々のフォトニックチップに切断する。これによって、チップの切断側からエッジカプラを露出させることができる。図示されていないが、フォトニックチップの側面を研磨する他の製造工程を実行してもよい。

ブロック６２０において、機能的なフォトニックチップを基板（例えば、半導体または誘電体基板）上に取り付ける。また、機能的なフォトニックチップは、他の半導体チップを含む電子システムに配置されてもよい。例えば、フォトニックチップは、他のフォトニックチップまたは電気ＩＣと共に、プリント回路基板（ＰＣＢ）に接続されてもよい。さらに、フォトニックチップは、電気ＩＣに接続されてもよい。したがって、電気信号をフォトニックチップに転送するまたはフォトニックチップから電気信号を受信することができる。

ブロック６２０において、検査装置は、格子カプラを用いて、取り付けられた機能的なフォトニックチップを検査する。一実施形態において、エッジカプラは、光ファイバケーブルに位置合わせされていないことがある。したがって、格子カプラのみを用いて、フォトニックチップ内の特定の光学素子にアクセスすることができる。このことは、チップがウエハの一部であるときと同様の方法で、取り付けられたチップを検査するときに、好ましい。

ブロック６３０において、格子カプラから受信した光を利用して、光ファイバを取り付けられたフォトニックチップ内のエッジカプラに位置合わせする。上述したように、光ファイバは、位置合わせされると、光を出射することができる。エッジカプラは、出射された光の一部を受信し、スプリッタを介して格子カプラに導く。検査装置は、格子カプラから光を受信し、光の強度を位置合わせ装置に通知することができる。位置合わせ装置は、光の強度に応じて、１つ以上のエッジカプラに対する光ファイバ（または複数のファイバ）の相対位置を変更することができる。

別の実施形態において、チップ内のエッジカプラを光ファイバケーブルに位置合わせた場合においても、格子カプラを用いてフォトニックチップを検査することができる。換言すれば、光をエッジカプラに進入することができるまたはエッジカプラから光を受信することができる場合でも、検査装置は、格子カプラを用いて、チップを検査することができる。このことは、チップがウエハの一部であるときと同様の方法で、取り付けられたチップを検査するときに、好ましい。

一実施形態において、格子カプラを用いてフォトニックチップの機能を検査した後および／またはエッジカプラを位置合わせた後、カプラを被覆することができる。例えば、光学装置に取り付けられたフォトニックチップの通常の動作時に格子カプラを使用できないように、格子カプラの上に不透明な材料を堆積してもよい。

図９は、一例に従って、フォトニックチップ２００を含むラインカード９００を示している。一実施形態において、ラインカード９００は、コンピューティングシステム、例えば、ネットワーク装置（例えば、ルータ）またはサーバに使用されてもよい。図示のように、フォトニックチップ２００は、電気ＩＣ９２５と共にＰＣＢ９０５に取り付けられる。電気ＩＣ９２５は、電気バス９４０を介してフォトニックチップ２００に接続される。電気バス９４０は、フォトニックチップ２００内の素子と電気ＩＣ９２５内のロジックとの間のデータ通信を容易にする。この例において、電気ＩＣ９２５は、異なる機能を実行するように構成または変更され得るプログラマブルロジック９３０を含む。例えば、電気ＩＣ９２５は、プログラマブルＩＣまたはＦＰＧＡであってもよい。別の実施形態において、電気バス９４０を使用せず、（例えば、フリップチップ技術を用いて）電気ＩＣ９２５をフォトニックチップ２００上の導電性パッドに直接に接続することができる。さらに別の実施形態において、プログラマブルロジック９３０をフォトニックチップ２００のＳＯＩ構造に配置することによって、単一の集積チップを形成することができる。この場合、電気バス９４０を設けなくてもよい。

フォトニックチップ２００は、複数の格子カプラ２２０と、複数のエッジカプラ２０５とを含む。複数の格子カプラ２２０を一直線または一列に配置することができる。これによって、検査装置は、１組の検査プローブを複数の格子カプラ２２０に同時に光学的に結合することができる。一実施形態において、格子カプラ２２０は、フォトニックチップ２００の上面から露出され、エッジカプラ２０５は、チップ２００の上面に垂直な側面に配置される。エッジカプラ２０５は、光インターフェイス９１０に接続され、光インターフェイス９１０は、光プラグ９１５および光ファイバ９２０に接続される。この実施形態において、光ファイバ９２０は、光ファイバ９２０を対応するファイバと位置合わせするように構成された光インターフェイス９１０に差し込むことができる。しかしながら、別の実施形態において、光ファイバ９２０は、エッジカプラ２０５に直接位置合わせされ、例えばエポキシまたは樹脂を用いて固定可能に接続されてもよい。

一実施形態において、光ファイバ９２０は、光信号のみをフォトニックチップ２００に転送するまたはフォトニックチップ２００から光信号のみを受信する。別の実施形態において、光ファイバ９２０は、フォトニックチップ２００と光信号を同時に送受信することができる。例えば、入力の光信号は、第１波長範囲を用いて転送され、出力の光信号は、重複しない第２波長範囲を用いて転送される。したがって、光ファイバ９２０は、フォトニックチップ２００に光信号を転送すると同時に、フォトニックチップ２００からの光信号を転送することができる。

図１０は、一例に従って、格子カプラ２２０を含むフォトニックチップ１０００を示している。図２のフォトニックチップ２００とは異なり、図１０のスプリッタ２１５は、エッジカプラに結合されていない。その代わりに、格子カプラ２２０を用いて、光学素子１００５および光学素子２２５を検査することができる。２つの光学素子１０００５および２２５は、例えば光変調器であってもよい。スプリッタ２１５を変調器の間に配置することによって、検査装置は、格子カプラ２２０を用いて、変調器の間に転送する光を受信することができ、受信した光を用いて、変調器の機能を検査することができる。別の実施形態において、検査装置は、格子カプラ２２０を用いて、光学素子１０００５および２２５の少なくとも一方に光信号を転送することができる。したがって、スプリッタ２１５および格子カプラ２２０は、フォトニックチップ１０００の任意の場所に設けられ、チップ１０００の光学素子または構造を検査することができる。

上記では特定の例を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、他の例および更なる例を考え出すことができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (14)

1. フォトニック半導体チップであって、
   第１導波路の第１端に結合されたエッジカプラを備え、前記エッジカプラは、前記フォトニック半導体チップの側面に沿って第１光信号を転送するように構成され、前記エッジカプラは、前記第１光信号が前記エッジカプラを通って伝播するときにモードサイズを変更するように構成され、
   （ｉ）前記第１導波路の第２端、（ｉｉ）第２導波路の第１端および（ｉｉｉ）第３導波路の第１端に結合されたスプリッタを備え、前記スプリッタは、前記第２導波路から第１光信号を受信し、前記第１光信号の第１減衰部分および第２減衰部分を前記第１導波路および前記第３導波路に転送するように構成され、
   前記第２導波路の第２端に結合された格子カプラを備え、前記格子カプラは、前記フォトニック半導体チップの前記側面に垂直な上面に沿って第２光信号を転送するように構成され、
   前記第３導波路の第２端に結合された光学素子を備える、フォトニック半導体チップ。
2. 前記エッジカプラは、前記フォトニック半導体チップの外側側面から露出され、
   前記格子カプラは、前記フォトニック半導体チップの外側上面から露出され、
   前記側面は、前記上面に垂直である、請求項１に記載のフォトニック半導体チップ。
3. 前記光学素子は、導電性トレースを介して、前記上面に配置された導電性パッドに接続される、請求項２に記載のフォトニック半導体チップ。
4. 前記第１導波路、前記第２導波路および前記第３導波路は、少なくとも１つのミクロン未満の幅または１ミクロン以下の高さを有し、
   前記第１導波路、前記第２導波路および前記第３導波路は、前記フォトニック半導体チップの共通面上に配置される、請求項１～３のいずれか１項に記載のフォトニック半導体チップ。
5. 前記共通面は、前記フォトニック半導体チップの上部半導体表面層と前記フォトニック半導体チップの絶縁層との間の界面であり、
   前記第１導波路、前記第２導波路、前記第３導波路、前記エッジカプラ、および前記格子カプラは、前記絶縁層上に配置される、請求項４に記載のフォトニック半導体チップ。
6. 前記光学素子は、光検出器および光変調器のいずれかである、請求項１～５のいずれか１項に記載のフォトニック半導体チップ。
7. シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造をさらに備え、
   前記第１導波路、前記第２導波路および前記第３導波路は、前記ＳＯＩ構造の絶縁層上に配置されたシリコン導波路である、請求項１～６のいずれか１項に記載のフォトニック半導体チップ。
8. 方法であって、
   エッジカプラ、格子カプラ、スプリッタおよび光学素子を含むフォトニック半導体チップを提供することを含み、前記エッジカプラは、第１導波路の第１端に結合され、前記スプリッタは、（ｉ）前記第１導波路の第２端、（ｉｉ）第２導波路の第１端および（ｉｉｉ）第３導波路の第１端に結合され、前記格子カプラは、前記第２導波路の第２端に結合され、前記光学素子は、前記第３導波路の第２端に結合され、
   検査プローブと前記格子カプラとの間に受信した光信号を転送することを含み、前記スプリッタは、前記受信した光信号の減衰した部分を前記第１導波路および前記第３導波路の両方に転送し、前記エッジカプラは、前記フォトニック半導体チップの側面に沿って第１光信号を転送するように構成され、前記格子カプラは、前記フォトニック半導体チップの前記側面に垂直な上面に沿って第２光信号を転送するように構成され、
   前記光信号を転送することに基づいて、前記光学素子の機能を検査することを含む、方法。
9. 前記方法は、前記フォトニック半導体チップを含むウエハを提供することをさらに含み、
   前記フォトニック半導体チップが前記ウエハの一部であるときに、前記光信号を転送し、
   前記ウエハは、複数のフォトニック半導体チップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ウエハを切断することによって、前記複数のフォトニック半導体チップから前記フォトニック半導体チップを分離し、前記エッジカプラを前記フォトニック半導体チップの外側側面から露出させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記エッジカプラを用いて、外部搬送媒体によって搬送された光を受信することと、
    前記検査プローブを用いて、前記格子カプラによって受信された光を測定することと、
    前記測定した光に基づいて、前記外部搬送媒体を前記エッジカプラに位置合わせすることとをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記格子カプラは、前記フォトニック半導体チップの外側上面から露出され、
    前記外側側面は、前記外側上面に垂直である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記光学素子は、導電性トレースを介して、前記上面に配置された導電性パッドに接続される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１導波路、前記第２導波路および前記第３導波路は、少なくとも１つのミクロン未満の寸法を有し、
    前記第１導波路、前記第２導波路および前記第３導波路は、前記フォトニック半導体チップの共通面上に配置される、請求項９に記載の方法。

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