JP7362716B2 - 環境保護されたフォトニック集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、限定的にではなく電気通信用途またはセンサ用途に使用され得る、環境保護されたフォトニック集積回路に関する。本発明はさらに、例えば、限定的にではなく電気通信用途またはセンサ用途に使用され得る、上記フォトニック集積回路を備えた光電子システムに関する。

例えば、光通信用途の分野に限定されないフォトニック集積回路（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ：ＰＩＣ）は、好ましくは可能な限り小さい実装面積を有する単一のダイに統合される光学的および電気的機能の数が増加しているため、ますます複雑になっている。光通信用途用のＰＩＣ向けの最も用途の広い技術プラットフォームは、リン化インジウムベース（ｉｎｄｉｕｍ ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ－ｂａｓｅｄ：ＩｎＰ）の半導体材料を含むウェーハを使用する。ＩｎＰベースの技術により、例えば光生成および／または光吸収光学デバイスなどの能動コンポーネントと、例えば光ガイドおよび／または光スイッチング光学デバイスなどの受動コンポーネントの両方を単一のダイの１つのＰＩＣにモノリシックに統合できる。

従来、ＰＩＣおよびそれらを含む光電子システム（例えば、光送受信機モジュールなど）の環境保護は、気密パッケージによって提供されていた。上記の複雑さの増大の結果として、組み立て、特に気密パッケージのコストは、ＰＩＣおよびそれらが使用される光電子システムの総コストのかなりの部分を占めている。

組み立てと包装のコストを削減できる気密パッケージの代替手段は、ＰＩＣに少なくとも１つの誘電体保護層を適用して、ほこり粒子や湿気などの環境汚染物質からＰＩＣを保護することにより提供される。

環境汚染物質に対する保護を提供することに加えて、少なくとも１つの誘電体保護層を構成して、ＰＩＣに追加の光学機能を提供することができることが、本発明の見識である。したがって、本発明の目的は、例えば、限定的にではなく電気通信用途またはセンサ用途に使用することができる、環境保護されたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を提供することである。ＰＩＣは、環境汚染物質からＰＩＣを保護するだけでなく、追加の光学機能も提供する、少なくとも１つの誘電体保護層を備えている。

また、本発明の目的は、例えば、限定的にではなく電気通信用途またはセンサ用途に使用することができる、本発明によるＰＩＣを含む光電子システムを提供することである。

本発明の態様は、添付の独立請求項および従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、請求項に明示的に記載されているだけでなく、必要に応じて独立請求項の特徴と組み合わせることができる。さらに、すべての特徴を他の技術的に同等の特徴に置き換えることができる。

上記の目的の少なくとも１つは、環境保護されたフォトニック集積回路であって、
－ 少なくとも部分的にＩｎＰベースの光導波路を含む第１の表面を有するリン化インジウム（ＩｎＰ）ベースの基板と、
－ 少なくともＩｎＰベースの基板の第１の表面およびＩｎＰベースの光導波路を覆うように配置された誘電体保護層であって、
・環境汚染物質からフォトニック集積回路を保護し、
・光放射の伝播方向を横切る少なくとも一方向において、誘電体保護層に光放射を閉じ込めることを可能にし、
・ＩｎＰベースの光導波路と誘電体保護層との間で光放射の交換を可能にする、
ように構成された誘電体保護層と、を備え、
ＩｎＰベースの光導波路および誘電体保護層は、フォトニック集積回路に多層光導波路アセンブリを提供する、
環境保護されたフォトニック集積回路、によって実現される。

このように、誘電体保護層は、例えばほこり粒子や湿気などの環境汚染物質に対するＰＩＣの環境保護と、例えば、監視および検査の目的の少なくとも１つに使用され得る、多層光導波路アセンブリの誘電体保護層によって運ばれる光放射としての追加の光機能との両方を提供する。さらに、誘電体保護層は、例えば、ＰＩＣと光ファイバとの間に低損失の光結合を提供するために、誘電体保護層内の光放射のモード拡張を可能にすることができる。さらに、誘電体保護層により、光ファイバとチップの結合を確立するための従来の解決策に従って必要とされる特殊な光ファイバまたはレンズ付き光ファイバの代わりに、標準の光ファイバを使用できるようになるので、本発明による標準的な光ファイバとＰＩＣとの間の光結合を確立することに伴う複雑さ、したがってコストは、上記従来の解決策に伴う複雑さおよびコストよりも低くすることができる。

本発明による環境保護されたＰＩＣの例示的な実施形態では、ＩｎＰベースの光導波路および誘電体保護層は、互いに直接接触することができる。しかしながら、当業者は、誘電体保護層が、ＩｎＰベースの基板およびＩｎＰベースの光導波路の少なくとも第１の表面を覆うように配置された非半導体層のスタックにも適用できることを理解するであろう。非半導体層のスタックは、金属層と、例えば窒化ケイ素ベースの層またはポリマーベースの層などの誘電体層とを含むことができる。非半導体層のスタックが金属層を含む場合、当業者は、誘電体保護層に、金属層への電気的接続の形成を可能にするために少なくとも１つの開口部を設けることができることを理解するであろう。

誘電体保護層は、ポリマーベースの層および非ポリマーベースの層、例えば、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素などの、例えば、シリコン含有層であり得る。

誘電体保護層は、０．５μｍから１００μｍの間、好ましくは０．５μｍから１０μｍの間の厚さを有し得る。このように、誘電体保護層の厚さは、環境汚染物質の拡散を制限し、それによってＰＩＣの環境保護を可能にするのに十分でなければならない。

本発明による環境保護されたＰＩＣの別の例示的な実施形態では、ＰＩＣはモノリシックＰＩＣである。

本発明による環境保護されたＰＩＣのさらなる例示的な実施形態では、多層光導波路アセンブリは、それぞれが、ＰＩＣの結合面以外の位置に補助光導波路と結合構造の少なくとも１つを提供する複数の誘電体層を含み得る。誘電体層は、好ましくは、異なる屈折率を有する。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、ＩｎＰベースの光導波路は、ＩｎＰベースの基板の第１の表面を横切る方向の寸法を有し、寸法は、導波路の第１の部分に第１の値を有し、導波路の第２の部分に第２の値を有し、第２の値は第１の値よりも小さく、導波路は、導波路の第１の部分と導波路の第２の部分とを相互接続するように構成および配置されたテーパ部分を備え、それにより、光放射の光モードフィールドを、テーパ部分を第１の部分から第２の部分に通過するときに、導波路に存在する第１の部分と、誘電体保護層に存在する第２の部分とに分割することを可能にする。ＩｎＰベースの光導波路の寸法は、一般に導波路の高さと呼ばれる。ＩｎＰベースの導波路のテーパ部分は、導波路の第１の部分の第１の高さが導波路の第２の部分の第２の高さに変更される遷移領域を提供し、第１の高さは第２の高さよりも大きい。光放射が導波路の第１の部分から第２の部分に移動するとき、光放射のモードフィールドは、少なくとも部分的に、ＩｎＰベースの光導波路から押し出され得る。光モードフィールドの第１の部分は、ＩｎＰベースの光導波路に残り、光モードフィールドの第２の部分は、ポリマーベースの保護層によって提供される多層光導波路アセンブリの導波路に存在する。本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の例示的な実施形態では、ポリマーベースの保護層に存在する光放射の光モードフィールドの第２の部分は、光放射の光モードフィールドの少なくとも０．５％である。このように、ポリマーベースの保護層によって提供される多層光導波路アセンブリの光導波路内の光放射は、例えば監視および検査目的などの上記の追加の光機能の少なくとも１つに対して十分である。

誘電体保護層が十分な厚さ、すなわち０．５μｍから１００μｍの間、好ましくは０．５μｍから１０μｍの間の厚さを有する場合、光ファイバとチップの結合を確立するための上記のモード拡張を達成することができる。当業者は、テーパ部分が、ＰＩＣの横方向での光学モード分割を可能にするように構成することもできることを理解するであろう。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、ＩｎＰベースの光導波路は、非平面光導波路である。非平面光導波路の例は、リッジ導波路、リブ導波路、埋め込みチャネル導波路、ストリップロード導波路、および拡散導波路である。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層は、多層光導波路アセンブリに、誘電体保護層における光放射の光モードの第２の部分を、いずれも光放射の伝播方向を横切る２つの直交する方向に閉じ込めることを可能にするように構成された非平面誘電体光導波路を提供する共形コーティングである。誘電体保護層を共形コーティングとして適用することにより、誘電体保護層は、ＩｎＰベースの非平面光導波路の輪郭に従い、それによって非平面誘電体光導波路を提供する。当業者は、平面光導波路とは反対に、非平面光導波路が、いずれも光放射の伝搬方向を横切る２つの直交する方向に光放射の閉じ込めを提供することを理解するであろう。さらに、非平面光導波路は、横電気（ＴＥ）モードと横磁気（ＴＭ）モードに加えてハイブリッドモードをサポートするが、平面光導波路はＴＥモードとＴＭモードのみをサポートする。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層は、多層光導波路アセンブリに平面誘電体光導波路を提供する平坦化コーティングである。ＩｎＰベースの非平面光導波路を覆うと、平坦化コーティングとして適用される誘電体保護層は、ＩｎＰベースの基板の第１の表面とは反対側を向くように配置された平面を有する層を提供する。上記に基づいて、多層光導波路アセンブリの平面誘電体光導波路は、光放射の伝搬方向を横切る直交する一方向にのみ光放射の閉じ込めを提供することは明らかである。本発明によるＰＩＣにおいて、光放射が平面誘電体光導波路に閉じ込められる方向は、ＩｎＰベースの基板の第１の表面を横切る方向であることが理解されよう。

屈折率が低下した誘電体保護層に適切な領域を提供することにより、光放射の伝搬方向を横切る他の方向、すなわち、ＩｎＰベースの基板の第１の表面に平行に向けられる横方向の平面誘電体保護層への光閉じ込めを達成できることに留意されたい。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層は、ＩｎＰベースの基板の第１の表面から離れる方向に突出するとともに誘電体保護層の少なくとも一部を横切って延在し、それにより、多層光導波路アセンブリに、誘電体保護層における光放射の光モードの第２の部分を、いずれも光放射の伝播方向を横切る２つの直交する方向に閉じ込めることを可能にするように構成された非平面誘電体光導波路を提供するように配置された細長い構造を含む。細長い構造は、例えば、リソグラフィーステップと、それに続くウェット現像ステップ、ウェットエッチングステップ、およびドライエッチングステップのうちの１つとを含むプロセスシーケンスによって、誘電体保護層内に形成することができる。細長い構造は、誘電体保護層に、リブ導波路と呼ばれ得る非平面光導波路を提供する。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、非平面誘電体光導波路は、ＩｎＰベースの基板の第１の表面とは反対側を向くように配置された第２の表面を含み、第２の表面は、非平面誘電体光導波路からの光放射の光モードの第２の部分を少なくとも部分的にＩｎＰベースの基板の第１の表面とは反対側を向く方向に結合するように構成および配置された凹部を備えている。このようにして、例えば、監視および検査の目的の少なくとも１つに使用することができる、いわゆる垂直または横方向の電源タップを提供することができる。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、上記フォトニック集積回路の少なくとも一部において、多層光導波路アセンブリのＩｎＰベースの非平面光導波路および非平面誘電体光導波路は、ＩｎＰベースの非平面光導波路に存在する光放射の光モードの第１の部分と、非平面誘電体光導波路に存在する光放射の光モードの第２の部分とを上記フォトニック集積回路を横切る異なる横方向に案内することを可能にするように、互いに対して配置されている。このようにして、いわゆる水平または横方向の電源タップを提供することができ、これにより、例えば、監視および試験の少なくとも１つを行うことができる、ＰＩＣの異なる部分に光放射を導くことができる。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、非平面誘電体光導波路の第２の表面は、少なくとも部分的に金属接触パッドを備えている。金属接触パッドをヒーターとして構成することにより、非平面誘電体光導波路に存在する光放射の光モードの第２の部分の熱光学的操作が、誘電体材料の熱光学係数によって達成され得る。当業者は、誘電体層の熱光学係数を使用して、光学機能の低速スイッチング、変調、および減衰のうちの少なくとも１つを可能にすることができることを理解するであろう。さらに、このようにして、可変の面内電力タップを確立することができる。金属接触パッドは、環境汚染物質から金属接触パッドを保護するために、さらなる誘電体保護層で覆うことができる。金属接触パッドとの電気的接続を確立するために、さらなる誘電体保護層に、金属接触パッドへのアクセスを可能にする少なくとも１つの開口部を設けることができる。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層は、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリキシリレン、ベンゾシクロブテン、ポリシロキサン、およびシリコンのうちの１つを含むポリマーベースの層である。前述のタイプのポリマーベースの保護層のいずれかは、スピンコーティング、ディップコーティング、スクリーン印刷、および蒸着のうちの１つによって、複数のＰＩＣを含む完全なウェーハに適用することができる。あるいは、ポリマーベースの保護層は、ディップコーティング、スクリーン印刷、ディスペンシング、および蒸着のうちの１つによって、ウェーハ全体をダイシングすることによって得られる単一のＰＩＣに適用することができる。当業者は、ポリマーベースの保護層が、その適用に続いて液相として適用される場合、ポリマーベースの保護層は、真空中、または、酸素（Ｏ_２）、アルゴン（Ａｒ）、および窒素（Ｎ_２）の少なくとも１つを含む特定の雰囲気内で熱処理および／または紫外線（ＵＶ）処理にさらすことにより、硬化または架橋されることを理解するであろう。硬化の結果、例えばほこり粒子や湿気などの環境汚染物質からＰＩＣを保護するのに適している強化または硬化したポリマーベースの保護層が得られる。

当業者は、ポリマーベースの保護層のハロゲン化を適用して、ポリマーベースの保護層の透明度のウィンドウを通信波長、すなわち１３００ｎｍから１６００ｎｍの範囲の波長に合わせることができることを理解するであろう。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層は、少なくとも２つの異なる屈折率を備えている。誘電体保護層がポリマーベースの層である場合、少なくとも２つの異なる屈折率は、例えば、ポリマーベースの保護層の適切な領域をＵＶ放射に選択的に曝露することによって提供することができる。ＵＶ放射の必要な波長は、ポリマーベースの保護層の特定の組成物の少なくとも１つおよび必要な屈折率に依存する。このようにして、そうでなければ平面ポリマーベースの保護層に非平面ポリマーベースの光導波路を確立することが可能であり、それにより、いずれも導波路に存在する光放射の伝搬方向を横切る２つの直交する方向への光閉じ込めを可能にする。

あるいは、ポリマーベースの保護層を異なるポリマーベースの層のスタックとして適用することによって、少なくとも２つの異なる屈折率を提供することができ、各ポリマーベースの層は、異なる屈折率を有する。このようにして、非平面ポリマーベースの光導波路は、リブ導波路の代わりにリッジ導波路として構成することができる。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層が、有機添加剤および無機添加剤のうちの少なくとも１つを含む。例えば充填剤、ゲッターまたは安定剤であり得る上記添加剤の少なくとも１つを含むことによって、誘電体保護層の環境保護、機械的安定性、化学的安定性、および光学的機能性の少なくとも１つを高めることができる。特に、誘電体保護層によって提供される環境保護は、化学反応を阻害するその能力を強化することによって、または湿気に対するその疎水性を強化することによって、さらに改善され得る。誘電体保護層がポリマーベースの層である場合、その疎水性は、原子層堆積または分子蒸着によってハロゲン化ポリマーまたはポリ（ｐ－キシリレン）の薄層を適用することによって強化することができる。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、誘電体保護層は、ＩｎＰベースの基板の第１の表面とは反対側を向くように配置された第３の表面を含み、誘電体保護層は、第３の表面に突起の規則的なパターンを提供するように配置されたくぼみを備えている。このようにして、誘電体保護層の疎水性は、ハロゲン化ポリマーまたはポリ（ｐ－キシリレン）の薄層を適用する上記の方法とは異なる方法で増強することができる。

突起の規則的なパターンの適用は、誘電体保護層の第３の表面に少なくとも５０°の接触角を提供することができる。当業者は、接触角が、液気界面が固体表面と出会う、従来は液体を通して測定される角度であることを理解するであろう。接触角は、ヤング方程式を介して液体による固体表面の濡れ性を定量化する。所与の温度と圧力における固体、液体、蒸気の所与のシステムは、独特の平衡接触角を有する。しかしながら、実際には、前進または最大接触角から後退または最小接触角に及ぶ接触角ヒステリシスの動的現象がしばしば観察される。平衡接触角の値は、前進接触角と後退接触角の値の間の範囲であり、それらから計算され得る。平衡接触角は、液体、固体、および蒸気の分子相互作用の相対的な強さを反映している。

さらに、当業者は、接触角が静的液滴法を含む様々な方法によって測定できることを理解するであろう。後者の測定方法を使用して、接触角は、固体基板上の純粋な液体のプロファイルをキャプチャするために、光学サブシステムを使用する接触角ゴニオメータによって測定される。液固界面と液気界面の間に形成される角度が接触角である。例えば、少なくとも５０°の接触角を持つポリマーベースの表面は疎水性であると見なされるが、親水性のポリマーベースの表面は５０°未満の接触角を有する。例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレンフィルムの場合、当業者は、接触角を決定するためのＡＳＴＭ Ｄ２５７８－１７標準試験方法に精通しているであろう。この試験方法はＩＳＯ８２９６と同等である。

本発明による環境保護されたフォトニック集積回路の実施形態では、フォトニック集積回路は、非気密パッケージおよび気密パッケージのうちの１つを備えている。ＰＩＣを非気密パッケージに含めることにより、環境保護とその結果としてのＰＩＣの寿命を向上させることができる。当業者は、ＰＩＣを気密パッケージに含めることによって、環境保護、したがってＰＩＣの寿命をさらに改善することができることを理解するであろう。

本発明の別の態様によれば、本発明による環境保護されたフォトニック集積回路を含む光電子システムが提供される。光電子システムは、例えば、限定的にではなく電気通信用途にのみ使用することができる。その場合、光電子システムは、送信機、受信機、送受信機、コヒーレント送信機、コヒーレント受信機、およびコヒーレント送受信機のうちの１つであり得る。上記に基づいて、本発明による環境保護されたＰＩＣの適用のために、光電子システムのコストを削減できることが明らかであろう。

本発明のさらなる特徴および利点は、本発明による環境保護されたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）およびそのようなＰＩＣを含む光電子システムの例示的かつ非限定的な実施形態の説明から明らかになるであろう。

当業者は、ＰＩＣおよび光電子システムの説明された実施形態は、本質的に例示的なものにすぎず、いかなる方法でも保護の範囲を制限すると解釈されるべきではないことを理解するであろう。当業者は、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、ＰＩＣおよび光電子システムの代替および同等の実施形態を考案し、実施することができることを理解するであろう。

添付の図面シートの図を参照されたい。これらの図は本質的に概略図であるため、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。さらに、等しい参照番号は、等しいまたは類似の部分を示す。

ＩｎＰベースの非平面光導波路が平面ポリマーベースの保護層で覆われている、本発明による環境保護されたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）の第１の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。 図１Ａに示される環境保護されたＰＩＣの第１の例示的な非限定的な実施形態のＩＢ－ＩＢに沿った概略断面を示す。 テーパ部分を含むＩｎＰベースの非平面光導波路が共形ポリマーベースの保護層で覆われている、本発明による環境保護されたＰＩＣの第２の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。 図２Ａに示される環境保護されたＰＩＣの第２の例示的な非限定的な実施形態のＩＩＢ－ＩＩＢに沿った概略断面を示す。 テーパ部分を含むＩｎＰベースの非平面光導波路が、細長い構造を備えたポリマーベースの保護層で覆われ、それによってポリマーベースのリブ導波路を確立する、本発明による環境保護されたＰＩＣの第３の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。 図３Ａに示される環境保護されたＰＩＣの第３の例示的な非限定的な実施形態のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢに沿った概略断面を示す。 テーパ部分を含むＩｎＰベースの非平面光導波路が、凹部を備えた細長い構造を備えたポリマーベースの保護層で覆われている、本発明による環境保護されたＰＩＣの第４の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。 図４Ａに示される環境保護されたＰＩＣの第４の例示的な非限定的な実施形態のＩＶＢ－ＩＶＢに沿った概略断面を示す。 テーパ部分を含むＩｎＰベースの非平面光導波路が、ＰＩＣを横切って異なる横方向に光放射を向けるように配置された細長い構造を備えたポリマーベースの保護層によって覆われている、本発明による環境保護されたＰＩＣの第５の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。 テーパ部分を含むＩｎＰベースの非平面光導波路が、金属接触パッドを備えた細長い構造を備えたポリマーベースの保護層によって覆われている、本発明による環境保護されたＰＩＣの第６の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。 ポリマーベースの保護層の領域が選択的にＵＶ放射に曝されて、より低い屈折率の領域を作成し、それによってポリマーベースのリブ導波路を提供する、本発明による環境保護されたＰＩＣの第７の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。 ２つのポリマーベースの層のスタックが提供され、それぞれのポリマーベースの層が、異なる屈折率を有し、最上部のポリマーベースの層が部分的に除去されており、それによってポリマーベースのリッジ導波路を提供している、本発明による環境保護されたＰＩＣの第８の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。 図６Ａおよび図６Ｂに示されているＰＩＣの実施形態をもたらした技術を組み合わせることによって得られるポリマーベースのリッジ導波路を含む、本発明による環境保護されたＰＩＣの第９の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。 ＩｎＰベースの基板とは反対側を向くように配置されたポリマーベースの保護層の表面には、規則的なパターンの突起を提供するように配置されたくぼみが設けられている、本発明による環境保護されたＰＩＣの第１０の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。 図７Ａに示される環境保護されたＰＩＣの第１０の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略上面図を示す。 ＰＩＣが気密パッケージを備えている、環境保護されたＰＩＣの第１１の例示的な非限定的な実施形態の概略断面を示す。 本発明による環境保護されたＰＩＣを含む電気通信用途のための光電子システムの第１の例示的な非限定的な実施形態の概略図を示す。

本発明による環境保護されたＰＩＣ１の提示された例示的で非限定的な実施形態は、１つのポリマーベースの保護層を含むが、当業者は、本発明の範囲内に入る、複数のポリマーベースの保護層を含む実施形態、および、例えば、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素層などのケイ素含有層など、１つまたは複数の非ポリマーベースの保護層を含む実施形態を、過度の負担なしに想定することができるであろうことに留意されたい。

図１Ａは、本発明による環境保護されたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）１の第１の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。ＰＩＣ１は、例えば１３００ｎｍから１６００ｎｍの範囲の波長を有する光放射を案内するように構成されたＩｎＰベースの非平面光導波路４を備えた第１の表面３を有するＩｎＰベースの基板２を備えている。ＰＩＣ１はまた、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３およびＩｎＰベースの非平面光導波路４を覆うポリマーベースの保護層５を含む。ポリマーベースの保護層５は、０．５μｍから１００μｍの間、好ましくは０．５μｍから１０μｍの間の厚さｔを有し得る。そのような厚さは、例えば、ほこり粒子および湿気などの環境汚染物質の拡散を制限するのに十分であり得、それにより、ＰＩＣ１の非気密パッケージを可能にする。

図１Ａに示されるポリマーベースの保護層５は、多層光導波路アセンブリ６に平面ポリマーベースの光導波路９を提供する、いわゆる平坦化コーティングである。上記の範囲の厚さｔを有する平面ポリマーベースの光導波路９は、光放射の伝播方向を横切る直交する一方向にのみ光放射の閉じ込めを提供する。図１Ａに示されるＰＩＣ１において、光放射が平面ポリマーベースの光導波路９に閉じ込められる方向は、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３を横切る方向であることが理解されよう。

図１Ｂは、図１Ａに示されているＰＩＣ１の第１の例示的な非限定的な実施形態のＩＢ－ＩＢに沿った概略断面を示している。ＩｎＰベースの非平面光導波路４およびポリマーベースの保護層５は、ＰＩＣ１に多層光導波路アセンブリ６を提供する。多層光導波路アセンブリ６のポリマーベースの保護層５は、例えば、ＩｎＰベースの非平面光導波路４に存在する光放射の光モードフィールドの一部を運ぶことができる。ＩｎＰベースの非平面光導波路に存在する放射の光モードフィールドは、図１Ｂに示す楕円形で概略的に示されている。ポリマーベースの保護層５への光放射の光学モードフィールドの拡大は、４つの太い矢印によって概略的に示されている。光放射の光モードフィールドをポリマーベースの保護層５に拡張することにより、ＰＩＣ１と標準光ファイバ（図示せず）との間の低損失光結合を可能にすることができる。

図２Ａは、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第２の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。ＩｎＰベースの非平面光導波路４は、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３を横切る方向の寸法を有する。この寸法は、一般に、導波路４の高さと呼ばれる。導波路４は、導波路４の第１の部分４ａに第１の高さを有し、導波路４の第２の部分４ｂに第２の高さを有する。図２Ａに示されるＰＩＣ１の例示的な非限定的な実施形態では、第１の部分４ａおよび第２の部分４ｂは一定の高さを有する。当業者は、第１の部分４ａおよび第２の部分４ｂが、ＰＩＣの機能に必要な任意の適切な高さプロファイルを有することができる、すなわち、高さが単調または段階的に変化できることを理解するであろう。図２Ａに示すＰＩＣ１では、第１の高さが第２の高さよりも大きくなっている。導波路４は、光放射の光モードフィールドが、第１の部分４ａから第２の部分４ｂに通過するときに、ＩｎＰベースの非平面光導波路４からポリマーベースの保護層５内に部分的に押し出されるように、第１の部分４ａおよび第２の部分４ｂを相互接続するテーパ部分７を備えている。このようにして、ＩｎＰベースの非平面光導波路４に存在する光放射の光モードフィールドは、導波路４に残る第１の部分と、ポリマーベースの保護層５によって提供される多層光導波路アセンブリ６の導波路に押し込まれる光モードフィールドの第２の部分とに分割される。

図２Ｂは、図２Ａに示されているＰＩＣ１の第２の例示的な非限定的な実施形態のＩＩＢ－ＩＩＢに沿った概略断面を示している。ＩｎＰベースの非平面光導波路４に残る光モードフィールドの第１の部分は、図２Ｂに小さい楕円形として概略的に示されており、一方、ポリマーベースの保護層５に存在する光モードフィールドの第２の部分は、より大きな楕円形として概略的に示されている。ポリマーベースの保護層５に存在する光放射の光モードフィールドの第２の部分は、光放射の光モードフィールドの少なくとも０．５％である。このように、ポリマーベースの保護層５内の光放射は、例えば、監視および検査目的などの上記の追加の光学機能のうちの少なくとも１つに対して十分である。

図２Ａおよび図２Ｂは、ＰＩＣ１の第２の例示的な非限定的な実施形態によれば、ポリマーベースの保護層５は、多層光導波路アセンブリ６に、光放射の伝搬方向を横切る２つの直交する方向で、ポリマーベースの保護層５内の光放射の光学モードの第２の部分の閉じ込めを可能にするように構成される非平面ポリマーベースの光導波路８を提供する共形コーティングであることを示している。

図３Ａは、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第３の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。テーパ部分７を含むＩｎＰベースの非平面光導波路４は、平坦化コーティングとして適用されるポリマーベースの保護層５によって覆われている。ポリマーベースの保護層５は、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３から離れる方向に突出するとともにポリマーベースの保護層５を横切って延在し、それにより、多層光導波路アセンブリ６に、ポリマーベースの光リブ導波路とも呼ばれることができる非平面ポリマーベースの光導波路８を提供する細長い構造１０を備えている。非平面ポリマーベースの光導波路８を提供することにより、ポリマーベースの保護層５における光放射の光モードの第２の部分は、光放射の伝搬方向を横切る２つの直交する方向に限定される。細長い構造１０は、例えば、リソグラフィーステップと、それに続くウェット現像ステップ、ウェットエッチングステップ、およびドライエッチングステップのうちの１つとを含むプロセスシーケンスによって、ポリマーベースの保護層５内に形成することができる。

図３Ｂは、図３Ａに示されている環境保護されたＰＩＣの第３の例示的な非限定的な実施形態のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢに沿った概略断面を示している。ＩｎＰベースの非平面光導波路４に残る光モードフィールドの第１の部分は、小さい楕円形として概略的に示されており、一方、ポリマーベースの保護層５に存在する光モードフィールドの第２の部分は、より大きな楕円形として概略的に示されている。

図４Ａは、非平面ポリマーベースの光導波路８は、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３とは反対側を向くように配置された第２の表面１１を含む、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第４の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。第２の表面１１は、非平面ポリマーベースの光導波路８からの光放射の光モードの第２の部分を少なくとも部分的にＩｎＰベースの基板２の第１の表面３とは反対側を向く方向に結合するように構成および配置された凹部１２を備えている。このようにして、例えば、監視および検査の目的の少なくとも１つに使用することができる、いわゆる垂直または横方向の電源タップを提供することができる。

図４Ｂは、図４Ａに示されるＰＩＣ１の第４の例示的な非限定的な実施形態のＩＶＢ－ＩＶＢに沿った概略断面を示す。凹部１２は、細長い構造１０の高さよりも大きく、ポリマーベースの保護層５内に下向きに延在する。凹部１２は、光放射の光学モードの第２の部分が、非平面ポリマーベースの光導波路８から、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３とは反対側を向く方向に結合されることを可能にする傾斜した側壁を有する。

図５Ａは、多層光導波路アセンブリのＩｎＰベースの非平面光導波路４および非平面ポリマーベースの光導波路８が、ＩｎＰベースの非平面光導波路４に存在する光放射の光モードの第１の部分と、非平面ポリマーベースの光導波路８に存在する光放射の光モードの第２の部分とを、ＰＩＣ１を横切る異なる横方向に誘導することを可能にするために互いに対して配置されている、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第５の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。このようにして、いわゆる水平または横方向の電源タップを提供することができ、これにより、例えば、監視および検査の少なくとも１つを行うことができる、ＰＩＣ１の異なる部分に光放射を案内することができる。

図５Ｂは、非平面ポリマーベースの光導波路８の第２の表面１１は、金属接触パッド１３を備えている、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第６の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略等角図を示す。金属接触パッド１３をヒーターとして構成することにより、非平面ポリマーベースの光導波路８に存在する光放射の光学モードの第２の部分の熱光学操作は、ポリマーベースの材料の熱光学係数によって達成することができる。当業者は、ポリマーベースの層の熱光学係数を使用して、光学機能の低速スイッチング、変調、および減衰のうちの少なくとも１つを可能にすることができることを理解するであろう。さらに、このようにして、可変の面内電源タップを確立することができる。

図６Ａは、ポリマーベースの保護層５が、ｎ_１＞ｎ_２である２つの異なる屈折率ｎ_１、ｎ_２を備えている、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第７の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。屈折率ｎ_２は、ポリマーベースの保護層５の第３の表面１４をＵＶ放射に選択的に曝露することによって確立される。ＵＶ放射の必要な波長は、ポリマーベースの保護層５の特定の組成物の少なくとも１つおよび必要な屈折率に依存する。上で論じたように、このようにして、そうでなければ平面ポリマーベースの保護層５内に非平面ポリマーベースの光導波路８を確立することができ、これにより、いずれも導波路に存在する光放射の伝搬方向を横切る２つの直交する方向への光学的閉じ込めが可能になる。

図６Ｂは、ｎ_３＞ｎ_１である２つの異なる屈折率ｎ_１、ｎ_３が、２つの異なるポリマーベースの保護層のスタックを適用することによって提供される、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第８の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３と接触している第１の層は屈折率ｎ_１を有し、第１の層を覆っている第２の層は屈折率ｎ_３を有する。第２のポリマーベースの層を部分的に除去することにより、細長い構造１０が提供される。このようにして、第１のポリマーベースの層と第２のポリマーベースの層とが異なる屈折率を有するため、リブ導波路の代わりにリッジ導波路と呼ぶことができる非平面ポリマーベースの光導波路８が提供され、第２のポリマーベースの層の屈折率は、第１のポリマーベースの層の屈折率よりも高い、すなわち、ｎ_３＞ｎ_１である。第２のポリマーベースの層の部分は、リソグラフィーステップと、それに続くウェット現像ステップ、ウェットエッチングステップ、およびドライエッチングステップのうちの１つとを含む上記のプロセスシーケンスによって除去することができる。

図６Ｃは、図６Ａおよび図６Ｂに示されている非平面ポリマーベースの光導波路を確立するために使用された技術を組み合わせることによって得られる非平面ポリマーベースの導波路を含む、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第９の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。図６Ｃに示されるＰＩＣ１は、２つの異なるポリマーベースの保護層のスタックを含み、その第１の層は、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３と接触している。第１の層は屈折率ｎ_１を有する。第２の層は第１の層を覆い、ｎ_３＞ｎ_１である屈折率ｎ_３を有する。第２の層は、ポリマーベースの保護層５の第３の表面１４をＵＶ放射に選択的に曝露することによって、屈折率ｎ_２（ここで、ｎ_３＞ｎ_１＞ｎ_２）を備えている。上記のように、ＵＶ放射の必要な波長は、第２のポリマーベースの保護層の特定の組成物の少なくとも１つおよび必要な屈折率に依存する。結果として、ポリマーベースの保護層のそうでなければ平面スタック内の非平面ポリマーベースの光導波路８が確立され、これにより、導波路に存在する光放射の伝搬方向を横切る２つの直交する方向への光閉じ込めが可能になる。

図７Ａは、ポリマーベースの保護層５の第３の表面１４が、ＩｎＰベースの基板２の第１の表面３から離れる方向に延びる突起１６の規則的なパターン１７を提供するように配置されたくぼみ１５を備えている、本発明による環境保護されたＰＩＣ１の第１０の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略断面を示す。突起１６の規則的なパターン１７の結果として、ポリマーベースの保護層５の第３の表面１４は、改善された疎水性を有する。図７Ａに示されるように、第３の表面１４の接触角βは９０°よりも大きい。当業者は、例えば、少なくとも５０°の接触角を有するポリマーベースの表面が疎水性であると見なされる一方、接触角が５０°未満のポリマーベースの表面は親水性であると見なされることを理解するであろう。

図７Ｂは、図７Ａに示されるＰＩＣ１の第１０の例示的な非限定的な実施形態の一部の概略上面図を示す。非平面ポリマーベースの光導波路８の細長い構造１０に沿って配置された突起１６の規則的なパターン１７をはっきりと見ることができる。示されていないが、当業者は、ＰＩＣ１の特定の機能および性能要件の少なくとも１つに応じて、非平面ポリマーベースの光導波路８の第２の表面１１にも、規則的なパターンの突起を設けることができることを理解するであろう。

図８は、ＰＩＣ１が気密パッケージ１９を備えている、環境保護されたＰＩＣの第１１の例示的な非限定的な実施形態の概略断面図を示している。上記のように、気密パッケージ１９は、環境保護を改善し、したがって、ＰＩＣ１の寿命を改善することができる。当業者は、ＰＩＣが非気密パッケージ（図示せず）を提供することもできることを理解するであろう。後者の場合、環境保護とその結果としてのＰＩＣの寿命も改善できるが、程度は低くなる。

図９は、本発明による環境保護されたＰＩＣ１を含む電気通信用途のための光電子システム１８の第１の例示的な非限定的な実施形態の概略図を示す。光電子システム１８は、例えば、送信機、受信機、送受信機、コヒーレント送信機、コヒーレント受信機、およびコヒーレント送受信機のうちの１つであり得る。

本発明は、ＩｎＰベースの光導波路４を少なくとも部分的に備えた第１の表面３を有するＩｎＰベースの基板２と、ＩｎＰベースの基板２およびＩｎＰベースの光導波路４の少なくとも第１の表面３を覆うように配置された誘電体保護層５とを備えた、環境保護されたＰＩＣ１に関連するものとして要約することができる。誘電体保護層５は、上記ＰＩＣ１を環境汚染物質から保護し、光放射の伝播方向を横切る少なくとも１つの方向で誘電体保護層５に光放射を閉じ込めることを可能にし、ＩｎＰベースの光導波路４と誘電体保護層５との間の光放射の交換を可能にするように構成されている。

本発明はまた、上記ＰＩＣ１を含む光電子システム１８に関する。

当業者には、本発明の範囲が、前述の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、そのいくつかの修正および修正が可能であることが明らかであろう。特に、本発明の様々な態様の特定の特徴の組み合わせを行うことができる。本発明の一態様は、本発明の別の態様に関連して説明された特徴を追加することによってさらに有利に強化され得る。本発明は、図および説明において詳細に例示および説明されてきたが、そのような例示および説明は、例示的または例示的なものにすぎず、限定的ではないと見なされるべきである。

本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態の変形は、図、説明、および添付の特許請求の範囲の研究から、特許請求の範囲の発明を実施する当業者によって理解および実施することができる。請求項において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、他のステップまたは要素を除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外しない。特定の措置が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの措置の組み合わせを有利に使用できないことを示すものではない。請求項中の参照番号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１ 環境保護されたフォトニック集積回路（ＰＩＣ）
２ リン化インジウムベース（ＩｎＰベース）の基板
３ ＩｎＰベースの基板の第１の表面
４ ＩｎＰベースの光導波路
４ａ ＩｎＰベースの光導波路の第１の部分
４ｂ ＩｎＰベースの光導波路の第２の部分
５ 誘電体保護層
６ 多層光導波路アセンブリ
７ ＩｎＰベースの光導波路のテーパ部分
８ 非平面誘電体光導波路
９ 平面誘電体光導波路
１０ 細長い構造
１１ 非平面誘電体光導波路の第２の表面
１２ 凹部
１３ 金属接触パッド
１４ 誘電体保護層の第３の表面
β 誘電体保護層の第３の表面の接触角
ｔ 誘電体保護層の厚さ
ｎ_１ 第１の屈折率
ｎ_２ 第２の屈折率、ｎ_１＞ｎ_２
ｎ_３ 第３の屈折率、ｎ_３＞ｎ_１＞ｎ_２
１５ くぼみ
１６ 突起
１７ 突起の規則的なパターン
１８ 電気通信用途の光電子システム
１９ 気密パッケージ

Claims (11)

1. 環境保護されたフォトニック集積回路であって、
   － 少なくとも部分的にＩｎＰベースの光導波路（４）を含む第１の表面（３）を有するリン化インジウム（ＩｎＰ）ベースの基板（２）と、
   － 少なくとも前記ＩｎＰベースの基板（２）の前記第１の表面（３）および前記ＩｎＰベースの光導波路（４）を覆うように配置された誘電体保護層（５）であって、
   ・環境汚染物質から前記フォトニック集積回路（１）を保護し、
   ・光放射の伝播方向を横切る少なくとも一方向において、前記誘電体保護層（５）に前記光放射を閉じ込めることを可能にし、
   ・前記ＩｎＰベースの光導波路（４）と前記誘電体保護層（５）との間で前記光放射の交換を可能にする、
   ように構成された誘電体保護層（５）と、を備え、
   前記ＩｎＰベースの光導波路（４）および前記誘電体保護層（５）は、前記フォトニック集積回路（１）に多層光導波路アセンブリ（６）を提供し、
   前記ＩｎＰベースの光導波路（４）は、前記ＩｎＰベースの基板（２）の前記第１の表面（３）を横切る方向の寸法を有し、前記寸法は、前記光導波路（４）の第１の部分（４ａ）に第１の値を有し、前記光導波路（４）の第２の部分（４ｂ）に第２の値を有し、前記第２の値は前記第１の値よりも小さく、前記光導波路（４）は、前記光導波路（４）の前記第１の部分（４ａ）と前記光導波路（４）の前記第２の部分（４ｂ）とを相互接続するように構成および配置されたテーパ部分（７）を備え、それにより、前記光放射の光モードフィールドを、前記テーパ部分（７）を前記第１の部分（４ａ）から前記第２の部分（４ｂ）に通過するときに、前記光導波路（４）に存在する第１の部分と、前記誘電体保護層（５）に存在する第２の部分とに分割することを可能にし、
   前記ＩｎＰベースの光導波路（４）は非平面光導波路であり、前記誘電体保護層（５）は、前記多層光導波路アセンブリ（６）に、前記誘電体保護層（５）における前記光放射の前記光モードフィールドの前記第２の部分を、いずれも前記光放射の伝播方向を横切る２つの直交する方向に閉じ込めることを可能にするように構成された非平面誘電体光導波路（８）を提供する共形コーティングである、
   環境保護されたフォトニック集積回路。
2. 前記誘電体保護層（５）は、前記ＩｎＰベースの基板（２）の前記第１の表面（３）から離れる方向に突出するとともに前記誘電体保護層（５）の少なくとも一部を横切って延在し、それにより、前記多層光導波路アセンブリ（６）に、前記誘電体保護層（５）における前記光放射の前記光モードフィールドの前記第２の部分を、いずれも前記光放射の伝播方向を横切る２つの直交する方向に閉じ込めることを可能にするように構成された非平面誘電体光導波路（８）を提供するように配置された細長い構造（１０）を含む、請求項１に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
3. 前記非平面誘電体光導波路（８）は、前記ＩｎＰベースの基板（２）の前記第１の表面（３）とは反対側を向くように配置された第２の表面（１１）を含み、前記第２の表面（１１）は、前記非平面誘電体光導波路（８）からの前記光放射の前記光モードフィールドの前記第２の部分を少なくとも部分的に前記ＩｎＰベースの基板（２）の前記第１の表面（３）とは反対側を向く方向に結合するように構成および配置された凹部（１２）を備えている、請求項１または請求項２に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
4. 前記フォトニック集積回路（１）の少なくとも一部において、前記多層光導波路アセンブリ（６）の前記ＩｎＰベースの非平面光導波路（４）および前記非平面誘電体光導波路（８）は、前記ＩｎＰベースの非平面光導波路（４）に存在する前記光放射の前記光モードフィールドの前記第１の部分と、前記非平面誘電体光導波路（８）に存在する前記光放射の前記光モードフィールドの前記第２の部分とを前記フォトニック集積回路（１）を横切る異なる横方向に案内することを可能にするように、互いに対して配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
5. 前記非平面誘電体光導波路（８）の前記第２の表面（１１）は、少なくとも部分的に金属接触パッド（１３）を備えている、請求項３、または請求項３に従属する限りにおいて請求項４に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
6. 前記誘電体保護層（５）は、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリキシリレン、ベンゾシクロブテン、ポリシロキサン、およびシリコンのうちの１つを含むポリマーベースの層である、請求項１～５のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
7. 前記誘電体保護層（５）が少なくとも２つの異なる屈折率を備えている、請求項１～６のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
8. 前記誘電体保護層（５）が、有機添加剤および無機添加剤のうちの少なくとも１つを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
9. 前記誘電体保護層（５）は、前記ＩｎＰベースの基板（２）の前記第１の表面（３）とは反対側を向くように配置された第３の表面（１４）を含み、前記誘電体保護層（５）は、前記第３の表面（１４）に突起（１６）の規則的なパターン（１７）を提供するように配置されたくぼみ（１５）を備えている、請求項１～８のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
10. 前記フォトニック集積回路（１）は、非気密パッケージおよび気密パッケージ（１９）のうちの１つを備えている、請求項１～９のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の環境保護されたフォトニック集積回路を含む光電子システム（１８）であって、
    前記光電子システムは、送信機、受信機、送受信機、コヒーレント送信機、コヒーレント受信機、およびコヒーレント送受信機のうちの１つである。