KR102480774B1 - 광자 입력/출력 커플러 정렬 - Google Patents

광자 입력/출력 커플러 정렬 Download PDF

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Abstract

광자 집적 회로의 입력/출력 커플러들에 대한 광학 커넥터의 광학적 정렬은 먼저, PIC에 광학적으로 접속되지 않는, PIC의 광자 칩 내에 형성되는 2개의 루프백 정렬 피처에 대해 연속적으로 광학 커넥터를 능동적으로 정렬시키고, 이후 광학 커넥터를, PIC의 입력/출력 커플러들에 대한 루프백 정렬 피처들의 위치들의 정확한 지식에 기초하여, PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬되는 위치로 이동시키고 그것을 제 위치에 고정함으로써, 달성될 수 있다.

Description

광자 입력/출력 커플러 정렬{PHOTONIC INPUT/OUTPUT COUPLER ALIGNMENT}
이 개시내용은 광자 집적 회로의 입력/출력 커플러들에 맞춰 광학 커넥터들을 정렬하는 것에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 바와 같이, 예를 들어, 광학 라우터들 및 스위치들 내에서의 광학 집적 회로(PIC)들은, PIC들을 광섬유들 또는 다른 오프-칩 광학 커넥터들에 광학적으로 접속시키기 위한 입력/출력 커플러들을 일반적으로 포함한다. 예를 들어, PIC 내의 평면 도파관들은 광을 (광자 칩의 최상부 표면을 통해) 면-외 광섬유들 내로 표면-커플링시킬 수 있는 격자 커플러들에서 끝날 수 있다. 대안적으로, 도파관들은 광자 칩의 측면들에 있는 섬유들에 에지-커플링될 수 있다. 광학 커넥터(예컨대, 광섬유 또는 섬유 리본)와 PIC 사이의 광의 효율적인 커플링을 보장하기 위해, 광학 커넥터의 통신 채널(들)(예컨대, 섬유 리본의 개별 섬유들)은 PIC의 입력/출력 커플러(들)에 맞춰 정확하게 정렬될 필요가 있다. 2 ㎛ 내의 정렬 정확도들이면 충분한 멀티-모드 광학 신호들에 대해, 정렬은, 예를 들어 입력/출력 커플러들에 대한 정확하게 알려진 위치들에 있는 광자 칩 상에 배치되는 기점 마커(fiducial marker)들에 기초하여 시각적으로 달성될 수 있다. 그러나, 효율적인 단일-모드 커플링은 1 ㎛ 이하 내의 정확도들에 의존하는데, 이는 시각적 정렬의 성능을 초과한다. 따라서, 단일-모드 섬유들 또는 다른 광학 커넥터들은 일반적으로 PIC에 대해 능동적으로 정렬된다.
능동 정렬 동안, 광은 광학 커넥터로부터 PIC의 입력 커플러 내로 커플링되고 PIC의 검출기에 의해 측정될 수 있거나, 또는 대안적으로, 온-칩 광원에 의해 생성되는 광이 PIC의 출력 커플러로부터 광학 커플러 내로 커플링되고 오프-칩 검출기에 의해 측정될 수 있다. 어느 방식이든, 광학 커넥터가 PIC의 입력/출력 커플러의 대략적인 위치 주위에서 움직임에 따라 검출된 신호의 강도를 최대화시킴으로써, 정렬이 최적화될 수 있다. 그러나, 능동 정렬은 그것이 (온-칩 광원 또는 검출기의 사용을 가능하게 하기 위해) PIC에 전력 인가하는 것(power up)을 수반하기 때문에 시간-소모적이며, 이는 필수적인 전기 접속들을 설정할 시간 및 PIC가 열적 및 광학적 안정성에 도달하는데 기다리는 시간을 수반한다. 따라서, 단일-모드 정렬을 위한 대안적인 방법이 바람직하다.
다양한 예시적인 실시예들이 첨부 도면들과 함께 본원에 기술된다.
도 1a는 다양한 실시예들에 따른, PIC의 격자 커플러들의 쌍의 개략적인 최상부 도이다.
도 1b는 다양한 실시예들에 따른, 폭이 격자 커플러들의 쌍에 매칭하는 2개의 통신 채널을 가지는 광학 커넥터의 개략적인 최하부 도이다.
도 1c는 다양한 실시예들에 따른, 도 1a의 격자 커플러들의 쌍에 광학적으로 커플링하기 위한 위치에서의 도 1b의 광학 커넥터의 개략적인 측면도이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른, PIC의 격자 커플러들의 쌍 및 연관된 루프백 정렬 피처를 포함하는 광자 칩의 개략적인 최상부 도이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 루프백 정렬 피처를 사용하는 예시적인 정렬시스템의 개념도이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, PIC들의 격자 커플러들의 쌍 및 2개의 연관된 루프백 정렬 피처를 포함하는 광자 칩의 개략적인 최상부 도이다.
도 5a-5c는 다양한 실시예들에 따른 격자 커플러들의 쌍에 맞춰 광학 커넥터를 정렬하는 단계들을 예시하는, 다양한 위치들에서의 광학 커넥터와 오버레이되는 도 4의 광자 칩의 개략적인 최상부 도들이다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, PIC의 격자 커플러들의 쌍 및 2개의 루프백 정렬 피처를 가지는 연관된 루프백 구조체를 포함하는 광자 칩의 개략적인 최상부 도이다.
도 7a-7c는 다양한 실시예들에 따른 격자 커플러들의 쌍에 맞춰 광학 커넥터를 정렬하는 단계들을 예시하는, 다양한 위치들에서의 광학 커넥터와 오버레이되는 도 6의 광자 칩의 개략적인 최상부 도들이다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른, PIC들의 4개의 격자 커플러의 어레이 및 2개의 연관된 루프백 정렬 피처를 포함하는 광자 칩의 개략적인 최상부 도이다.
도 9a-9c는 다양한 실시예들에 따른 격자 커플러들의 어레이에 맞춰 광학 커넥터를 정렬하는 단계들을 예시하는, 다양한 위치들에서의 광학 커넥터와 오버레이되는 도 8의 광자 칩의 개략적인 최상부 도들이다.
도 10은 다양한 실시예들에 따른, 도파관 에지 커플러들의 쌍에 광학적 커플링시키기 위한 위치에서의 광학 커넥터의 사시도이다.
도 11은 다양한 실시예들에 따른, 6개의 도파관 에지 커플러의 어레이에 광학적 커플링시키기 위한 위치에서의 광학 커넥터의 사시도이다.
도 12는 다양한 실시예들에 따른, PIC의 도파관 에지 커플러들의 쌍 및 2개의 연관된 루프백 정렬 피처를 포함하는 광자 칩의 개략적인 최상부 도이다.
도 13a-13c는 다양한 실시예들에 따른, 도파관 에지 커플러들에 맞춰 광학 커넥터를 정렬하는 단계들을 예시하는, 도 12의 광자 칩 및 다양한 위치들에서의 광학 커넥터의 개략적인 최상부 도들이다.
도 14는 다양한 실시예들에 따른, 루프백 정렬 피처들을 사용하여 PIC의 입력/출력 커플러들에 대해 광학 커넥터를 정렬하는 방법들을 예시하는 플로우차트이다.
도 15는 다양한 실시예들에 따른, PIC의 입력/출력 커플러들 및 연관된 루프백 정렬 피처들을 가지는 광자 칩을 제조하는 예시적인 방법을 예시하는 플로우차트이다.
PIC에 광학적으로 접속되지 않는 광자 칩 내에 형성되는 루프백 정렬 피처들을 사용하는 광자 칩 내에 형성되는 PIC의 입력/출력 커플러들에 대해 광학 커넥터들을 정렬시키기 위한 접근법이 본원에 개시된다. "PIC"는 단일 광학 회로를 형성하기 위해 서로에 대해 모두 광학적으로 커플링되는 광자 칩 내에 집적되는 광학(및/또는 전자-광학) 컴포넌트들의 세트로서 본원에서 이해된다. 반면, 용어 "광자 칩"은, 광자-칩 기판(예를 들어, 실리콘, 실리콘-온-절연체(SOI), III-V 또는 II-IV 화합물, 또는 그 위에 퇴적되는 추가적인 재료 층들을 가지는 다른 웨이퍼로부터 절단되는 다이)에 의해 형성되는 물리적 유닛 및 PIC의 컴포넌트들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 기판 내에 또는 기판 상에 형성되는 임의의 컴포넌트들에 관련하여 본원에서 사용된다. 본원에 기술되는 바와 같은 루프백 정렬 피처는 그것이 그 정렬을 제공하는 PIC와 동일한 광자 칩 내에 형성되지만, 그 자체가 그 PIC의 일부는 아니며; 오히려, 루프백 정렬 피처는 PIC에 광학적으로 접속되지 않는 별도의 컴포넌트를 형성한다.
본원에서 사용되는 바와 같은 광학 커넥터는 PIC의 적어도 2개의 각자의 입력/출력 커플러에 커플링시키기 위한 적어도 2개의 광 통신 채널을 일반적으로 포함한다. 광학 커넥터의 개별 통신 채널들의 종점들은 광학 커넥터가 커플링하도록 설계된 PIC의 입력/출력 커플러들 상의 커플링 포인트들의 고정된 상대적 거리들 및 위치들에 매칭하는, 고정된 상대적 거리들 및 위치들을 일반적으로 가진다. 다양한 실시예들에서, 광학 커넥터의 통신 채널들의 종점들 및 PIC의 입력/출력 커플러들의 커플링 포인트들은 어레이들 내에 배열된다. 광학 커넥터는, 예를 들어, 섬유 리본 내의, 패키지화될 수 있는, 둘 이상의 광섬유의 형태를 취할 수 있다. 광학 커넥터의 다른 가능한 실시예들은 섬유-커플링 렌즈 어레이, 렌즈 매트릭스, 실리콘 도파관들의 어레이, 또 다른 PIC 등을 포함한다. PIC의 입력/출력 커플러들은, 예를 들어, 격자 커플러들, 터닝 미러들, 또는 PIC의 면 내의 도파관으로부터의 광을 광자 칩의 최상부 표면을 통해 광학 커넥터의 면-외 섬유 또는 다른 통신 채널 내로 재-지향시키는 다른 표면 커플러들로서, 또는 광을 광자 칩의 측면을 통해 PIC와 면내(in-plane) 광학 커넥터의 광통신 채널 내로 커플링시키는 도파관 에지 커플러들로서 구현될 수 있다.
일반적으로, 본원에 따른 루프백 정렬 피처는 예를 들어, 도파관을 통해, 칩 내에서 광학적으로 접속되는 입력/출력 커플러들의 쌍에 의해 형성된다. 이러한 루프백 정렬 피처는 적어도 2개의 통신 채널(예를 들어, 2개의 광섬유)을 가지는 광학 커넥터에 맞춰 능동적으로 정렬될 수 있는데, 즉, 광자 칩 외부의 광원으로부터의 광은, 그 채널들 중 하나를 통해, 루프백 정렬 피처의 (입력 커플러로서 작용하는) 커플러들 중 하나 내로 커플링될 수 있고, 광이 루프백 정렬 피처의 (출력 커플러로서 작용하는) 다른 커플러에 대한 "루프 백(loop back)"을 횡단한 이후, 광은 출력 커플러로부터 광학-커넥터 채널들 중 또 다른 하나 내로 커플링되어 광자 칩 외부의 검출기에 의해 측정될 수 있다. 일단 광학 커넥터가 루프백 정렬 피처에 대해 능동적으로 정렬되면, 그것은 PIC의 입력/출력 커플러들에 대한 루프백 정렬 피처의 위치의 지식에 기초하여 PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춘 정렬 내로 단순히 이동될 수 있다. 그 상대적 위치에 대한 정확한 지식은, 예를 들어, 단일 마스크를 사용하는, 예를 들어, PIC의 입력/출력 커플러들의 정의와 동시에 광자 칩의 루프백 정렬 피처의 포토리소그래픽 정의의 결과, 이용가능할 수 있다. 일단 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬된, 광학 커넥터는 그것의 통신 채널들이 PIC의 입력/출력 커플러들에 대해 고정적으로 커플링되도록 제 위치에 고정될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 정렬 프로세스는 PIC 및 루프백 정렬 피처들이 광학 커넥터의 움직임에 대해 정의되는 좌표계의 캘리브레이팅을 용이하게 하도록 2개의 루프백 정렬 피처를 이용한다. 광학 커넥터는 먼저 하나의 루프백 정렬 피처에 그리고 이후 다른 루프백 정렬 피처에 대해 순차적으로 정렬되고, 광학 커넥터가 하나의 루프백 정렬 피처로부터 다른 루프백 정렬 피처로 이동되는 방향은 좌표계의 배향을 결정하기 위해 사용된다. 2개의 루프백 정렬 피처는 PIC 내에 별도의 구조체들을 형성할 수 있거나, 또는, 대안적으로 단일 구조체를 공동으로 형성할 수 있다.
유리하게는, 본원에 기술된 바와 같은 루프백 정렬 피처들을 사용하여 광학 커넥터를 궁극적으로 PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬함으로써, 단일-모드 커플링에 적합한 정렬 정확도들은 PIC에 전력 인가할 필요 없이 달성될 수 있다. 그 결과, 제조 라인의 정렬 스테이지에서의 광자 칩들의 스루풋은, 실질적으로, 예를 들어, 일부 실시예들에서 4배로 증가할 수 있다. 비용을 추가로 감소시키도록, (일반적으로 자동) 정렬을 위해 사용되는 장비는, 디바이스에 전력 인가하고 전기 접속들을 설치하기 위한 전자장치들 및 공구설비(tooling)가 더 이상 필요하지 않음에 따라, 크게 간략화될 수 있다. 추가로, 본원에 기술되는 정렬 프로세스는 다양한 온도에 걸쳐 수행되어, 열 팽창, 및 채널들 간의 광학 디바이스 변경들로부터 초래되는 프로세스에서의 변경들을 보상하도록 할 수 있다. 예를 들어, PIC가 0 내지 100°C 사이에서 동작하도록 의도되는 경우, 정렬은 0 내지 100°C의 범위에 걸친 PIC와 커넥터 사이의 열 팽창/수축 부정합으로부터의 에러를 최소화시키기 위해 50°C에서 이루어질 수 있다.
다양한 예시적인 실시예들이 이제 첨부 도면들을 참고하여 기술될 것이다.
도 1a-1c는 예시적인 광자 칩 내의 PIC의 2개의 격자 커플러들에 대한 2개의 통신 채널을 가지는 예시적인 광학 커넥터의 커플링을 예시한다. 2개의 격자 커플러는 모두 입력 커플러들 또는 모두 출력 커플러들일 수 있거나, 또는 입력 커플러 및 출력 커플러 모두를 포함할 수 있다. 도 1a는 PIC의 연관된 도파관들(106)에 접속되는 2개의 격자 커플러(102, 104)를 도시하는, 예시적인 광자 칩(100)의 개략적인 최상부 도를 제공한다. 간략함 및 명료함을 위해, PIC의 다른 컴포넌트들은 도시되지 않는다. 그러나, 도시되지 않았지만, 격자 커플러들(102, 104)이 일반적으로 PIC를 통하는 경로를 경유하여 광학적으로 접속된다는 것에 유의한다(광자 칩(100)이, 일부 실시예들에서, 격자 커플러들의 다수의 각자의 세트를 가지는 다수의 PIC를 포함하고; 이 경우, PIC들 중 상이한 것들의 격자 커플러들 사이에는 광학 접속들이 존재할 필요가 없다는 것에 유의한다). 2개의 격자 커플러 사이의 거리 - 또는, 더 정확하게는, 본원에서 격자 커플러들(102, 104)의 기하학적 중심인 것으로 취해지는, 이들의 각자의 커플링 포인트들 사이의 거리 - 는 도 1a에 거리(x)로서 표시되는, 설계에 의해(예를 들어, 광자 칩 상에 격자 커플러들(102, 104)을 생성하기 위해 사용되는 포토마스크 내에) 특정된 값을 가진다. 도시된 예에서, 격자 커플러들(102, 104) 각각은 도파관들의 쌍(106)에 접속되는 분극 분할 커플러(polarization splitting coupler)이다. 각각의 격자 커플러(102 또는 104)의 도파관들(106)은, 격자 커플러(102 또는 104)가 입력 커플러로서 동작할 때 광학 커넥터로부터 수신된 광을 분리시키는 또는 출력 커플러로서 동작할 때 그것이 결합되는, 2개의 각자의 직교 분극들의 광을 도파시킨다. 대안적인 실시예들에서, 각각이 PIC의 단 하나의 도파관에 접속되는 단일-분극 격자 커플러들이 사용될 수 있다. 격자 커플러들(102, 104)은 복수의 길게 늘인 산란 엘리먼트(elongate scattering element)를 포함하는 격자들에 의해 형성될 수 있다. 격자 커플러들(102, 104)은, 임의적으로 쌍곡선으로 성형되는 측벽들을 가지고, 나팔 모양일 수 있다. 길게 늘인 산란 엘리먼트들은 곡선의(예를 들어, 일부 실시예들에서, 타원의) 형상들을 가질 수 있고, 격자 폭들은 바람직한 광학 강도 분포를 수용하도록 선택될 수 있다.
도 1b는 예를 들어, (도 1c에 도시된 바와 같은) 광섬유들일 수 있는, 2개의 통신 채널(112, 114)을 가지는 예시적인 광학 커넥터(110)의 개략적인 최하부 도이다. 통신 채널들(112, 114)의 종점들 사이의 거리는 x이며, 이는 PIC의 격자 커플러들(102, 104)의 쌍 사이의 거리에 매칭한다. 도 1c는, 광학 커넥터(110) 및 광자 칩(100)의 개략적 측면도에서, 커플링 바로 전에 광자 칩(100) 상에 입력/출력 커플러들(102, 104)을 가지는 광학 커넥터(110)의 통신 채널들(112, 114)의 측방 정렬을 예시한다.
이제 도 2를 참조하면, 다양한 실시예들에 따라, 도 1c에 예시된 정렬을 용이하게 하기 위해 사용되는 바와 같은, PIC의 격자 커플러들의 쌍(102, 104) 및 연관된 루프백 정렬 피처(206)를 포함하는 예시적인 광자 칩(200)의 레이아웃이 개략적인 최상부 도에 도시되어 있다. 루프백 정렬 피처(206)는 2개의 도파관(212, 214)을 통해, 폐루프 내로 광학적으로 접속되는 2개의 (분극-분할) 격자 커플러(208, 210)를 포함한다. 루프백 정렬 피처(206)의 격자 커플러들(208, 210)의 커플링 포인트들 사이의 거리는 PIC의 입력/출력 격자 커플러들(102, 104)의 커플링 포인트들 사이의 거리(x)와 동일하고, 그에 따라, PIC의 입력/출력 격자 커플러들(102, 104)과 짝을 이루도록 설계되는 광학 커넥터(110)의 2개의 통신 채널 사이의 거리와도 동일하다. 또한, 본원에 따르면, PIC의 격자 커플러들(102, 104)에 대한 루프백 정렬 피처(206)의 위치는, 루프백 정렬 피처(206)의 격자 커플러들(208, 210) 사이의 중간점(216)로부터 PIC의 격자 커플러들(102, 104) 사이의 중간점(218)까지의 벡터
Figure 112019030786783-pat00001
에 반영되는 바와 같이, 정확하게 그리고 정밀하게 알려져 있다. 정렬 프로세스 동안, 광학 커넥터(110)는 루프백 정렬 피처(206)의 격자 커플러들(208, 210)에 대한 광학 커넥터(110)의 통신 채널들(112, 114)의 광학적 커플링을 최적화함으로써 루프백 정렬 피처(206)에 대해 먼저 능동적으로 정렬된다. 루프백 정렬 피처(206)에 대한 그것의 정렬에 후속하여, 광학 커넥터(110)는 벡터
Figure 112019030786783-pat00002
에 의해 PIC의 격자 커플러들(102, 104)에 맞춘 정렬 내로 이동된다.
도 3은 루프백 정렬 피처(206)를 사용하여 광학-커넥터 정렬을 용이하게 하는 예시적인 정렬 시스템(300)을 개념적으로 예시한다. 시스템(300)은 광자 칩(200)을 고정적으로 유지하기 위한 마운트(302) 및 광자 칩(200)에 대한 광학 커넥터(110)를 정확하게 평행변환(translating) 및/또는 회전시키기 위한 높은-정확도의 스테이지들을 가지는 로봇(304)(예를 들어, 3-축 또는 6-축 로봇)을 포함한다. 또한, 시스템(300)은 광원(306) 및 검출기(308)를 포함한다. 유리하게는, 시스템(300)은 전기 접속들을 설정하고 전력을 광자 칩(200) 상의 PIC(305)의 디바이스들에 공급하기 위한 전자장치들 및 공구설비를 포함할 필요가 없다.
광학 커넥터(110)를 루프백 정렬 피처(206)에 대해 능동적으로 정렬하기 위해, 광학 커넥터의 통신 채널들 중 하나, 말하자면, 채널(112)은 루프백 정렬 피처(206)의 격자 커플러들 중 하나, 말하자면, 커플러(208)에 대한 입력으로서 광원(306)으로부터의 광학 신호를 제공하기 위해 사용된다. (입력) 커플러(208)로부터, 광학 신호는 루프백 도파관들(212, 214)(도 3에 도시되지 않음)을 통해 출력 커플러로서의 역할을 하는 다른 격자 커플러(210)로 이동한다. 광학 커넥터(110)의 제2 통신 채널(114)을 통해, 격자 커플러(210)에 출력되는 광학 신호는 측정을 위해 검출기(308)에 전달된다. 측정된 신호는 피드백으로서 로봇(304)에 (예를 들어, 로봇(304)의 동작을 제어하는 제어기를 통해) 제공되어 통신 채널들(112, 114)과 루프백 정렬 피처(206)의 격자 커플러들(208, 210) 사이의 커플링을 최적화시키는 광학 커넥터(110)의 포지셔닝의 조정들을 야기하여, 이에 의해 신호를 최대화시킬 수 있다. 이 정렬 프로세스의 목적으로, 2개의 접속 도파관(212, 214) 중 하나가 충분할 수 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 광학 접속을 설정하는 것은 그것이 루프백 정렬 피처(206)에 대한 광학 커넥터의 능동 정렬 동안 광의 2개의 분극을 유지하는 것을 가능하게 한다는 점에서 유리하다. 분극화되지 않은 광원을 이용하면, 2개의 격자 커플러(208, 210) 사이의 단 하나의 접속을 가지고 광의 절반이 유실될 것이며, 분극화된 광원을 이용하면, (분극화 상태에 따라) 광의 전부가 유실될 수 있다는 위험이 존재한다.
루프백 정렬 피처(206)에 대한 정렬이 완료될 때, 로봇(304)은 이후 광자 칩(200) 상의 PIC(305)의 격자 커플러들(102, 104)에 맞춰 정렬되는 위치로 광학 커넥터(110)를 이동시키도록 동작된다. 추가적인 장치(도 3에 도시되지 않음)는, 에폭시, 땜납, 레이저 용접을 이용하여, 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 다른 수단에 의해 광학 커넥터(110)를 제 위치에 고정시키는 것을 보조할 수 있다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, PIC의 격자 커플러들의 쌍(102, 104) 및 2개의 연관된 루프백 정렬 피처(406, 408)를 포함하는 예시적인 광자 칩(400)의 레이아웃을 도시한다. 2개의 루프백 정렬 피처(406, 408)는 서로 (그리고 도 2의 광자 칩(200)의 루프백 정렬 피처(206)와) 구조적으로 유사하거나 또는 동일할 수 있다(그러나, 반드시 필요하지는 않다). 특히, 루프백 정렬 피처들(406 408) 각각은 그것의 상호 거리가 PIC의 격자 커플러들(102, 104) 사이의 상호 거리(x)와 동일한 격자 커플러들의 쌍(410, 412 및 414, 416)을 가질 수 있다. 루프백 정렬 피처들(406, 408)의 위치들은 서로 그리고 PIC의 격자 커플러들(102, 104)에 대해 정확하게 알려져 있고, 예를 들어, 루프백 정렬 피처들(406, 408)(의 격자 커플러들(410, 412 및 414, 416) 사이의 중간점들) 사이의 벡터
Figure 112019030786783-pat00003
, 루프백 정렬 피처(408)(의 격자 커플러들(414, 416) 사이의 중간점들)와 PIC의 격자 커플러들의 쌍(102, 104) 사이의 벡터
Figure 112019030786783-pat00004
, 및 루프백 정렬 피처(406)(의 격자 커플러들(410, 412) 사이의 중간점들)과 PIC의 격자 커플러들의 쌍(102, 104) 사이의 벡터
Figure 112019030786783-pat00005
중 임의의 2개의 벡터에 의해 특정될 수 있다. 제2 피드백 정렬 피처(408)의 사용은 PIC 및 루프백 피처들(406, 408)이 정의되는 좌표계를 캘리브레이트하여, 특히, (예를 들어, 로봇(304)에 의해) 광학 커넥터(110)의 움직임이 특정되는 좌표계에 대한 그 좌표계의 배향을 결정하는 역할을 할 수 있다.
도 5a-5c는 다양한 실시예들에 따른 PIC의 격자 커플러들의 쌍(102, 104)에 맞춰 광학 커넥터(110)를 정렬하는 단계들을 예시하는, 다양한 위치들에서의 광학 커넥터(110)와 오버레이되는 도 4의 광자 칩(400)의 개략적인 최상부 도들이다. 도 5a는 제1 루프백 정렬 피처(406)의 격자 커플러들(410, 412)에 맞춰 정렬되는 광학 커넥터(110)의 2개의 통신 채널(112, 114)을 도시한다. 도 5b는 제2 루프백 정렬 피처(408)의 격자 커플러들(414, 416)에 맞춘 2개의 통신 채널(112, 114)의 후속적인 정렬을 도시한다. 벡터
Figure 112019030786783-pat00006
에 의한, 도 5a에 도시된 제1 정렬 상태로부터 도 5b에 도시된 제2 정렬 상태로의 광학 커넥터(110)의 평행변환은 광학 커넥터를 이동시키는 장치(예를 들어, 로봇(304))의 좌표계 내에서의 광자 칩 레이아웃의 배향(및 그것의 연관된 좌표계)을 결정한다. 따라서 일단 칩 레이아웃과 연관된 좌표계가 캘리브레이트되면, 광학 커넥터는 알려진 벡터
Figure 112019030786783-pat00007
에 의해 제2 루프백 정렬 피처(408)로부터 PIC의 격자 커플러들(102, 104)로 단순히 이동되어, 도 5c에 도시된 광학 커넥터(110)의 최종 위치를 초래할 수 있다. 이 최종 위치에서, 광학 커넥터(110)는 제 위치에 고정된다.
제2 루프백 정렬 피처의 부재 시, 칩 레이아웃과 연관된 좌표계와, 각자 로봇(304) 및 광학 커넥터(110)의 움직임과 연관된 좌표계 사이의 상대적 배향은, 적어도 원리상으로는, 예를 들어, 광학 커넥터(110)의 통신 채널들(112, 114)의 종점들 사이의 벡터를 이용하여 특정된 바와 같이, 그것이 움직이는 좌표계에 대한 광학 커넥터(110)의 배향으로부터 추론가능할 수 있다. 광학 커넥터(110)가 루프백 정렬 피처(206)에 맞춰 정렬될 때, 광학 커넥터(110)의 종점들 사이의 벡터는 루프백 정렬 피처(206)의 격자 커플러들 사이의 벡터와 일치하는데, 이는 차례로, 칩 레이아웃 내에 알려진 방향 및 길이를 가진다. 따라서, 루프백 정렬 피처(206)에 맞춘 광학 커넥터(110)의 정렬은 PIC 및 루프백 정렬 피처가 정의되는 좌표계를 캘리브레이트하는 역할을 할 수 있다. 그러나, 실제로, 예를 들어, 로봇(304)의 그래버(grabber) 내의 광학 커넥터의 배향은 일반적으로 충분한 정확도를 가지고 알려지지는 않는다. 이 배향은 PIC 및 커넥터에 상의 정렬 피처들을 인지하도록 시각 시스템을 사용하여 근사화될 수 있지만, 이것이 반드시 정확하지는 않다. 2개의 루프백 정렬 피처의 사용은, 이 경우, 배향 불확실성을 해소하고 정렬 에러들을 회피하는데 유리하다. 이것은, 시각 시스템이 인지할 수 있는 PIC의 가시적 표면들 상에 반복가능한, 정확한 피처들이 존재하지 않는 경우에, 또는 정확한 시각 시스템이 이용가능하지 않은 경우에, 특히 중요하다. 예를 들어, 로봇의 좌표계를 이용한 PIC 좌표계의 캘리브레이션을 위해 2개의 루프백 정렬 피처를 사용함으로써, 시각 시스템의 정확도 및 PIC에 대한 로봇의 초기 위치 및 배향의 정확도는 약 5 미크론보다 더 작을 필요가 있는 것 대신, 수십 미크론으로 완화될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 루프백 정렬 피처는 별도의, 광학적으로 접속되지 않는 구조체들로서 구현될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 도 6은 단일 루프백 구조체(602)에 의해 2개의 루프백 정렬 피처가 대신 제공되는 예시적인 광자 칩(600)의 레이아웃을 예시한다. 구조체(602)는, 도시된 예에서, 선형 배열 내에 균일하게 이격된 3개의 격자 커플러(604, 606, 608)를 포함하고, 도파관들(610, 612)은 이웃 도파관들의 쌍들을 접속시키고, 제3 도파관(614)(일부 실시예들에서 생략될 수 있음)은 선형 배열의 외곽 격자 커플러들(604, 608)을 서로 직접 접속시켜 폐루프를 형성한다. 격자 커플러들 중 임의의 하나에 대해 입력되는 광은 다른 2개의 격자 커플러에 전파될 것이다. 인접한 격자 커플러들의 쌍(604, 606)은, 이들을 접속시키는 도파관(610)과 함께, 하나의 루프백 정렬 피처(616)를 형성하고, 인접한 격자 커플러들의 쌍(606, 608)은, 이들을 접속시키는 도파관(612)과 함께, 또 다른 루프백 정렬 피처(618)를 형성한다. 2개의 루프백 정렬 피처(616, 618)는, 설계에 의해 광자 칩(600) 상의 PIC의 입력/출력 커플러들(102, 104) 사이의 거리(x)와 동일할 수 있는, 공통 폭(즉, 격자 커플러들의 각자의 쌍 사이의 거리)을 공유한다.
도 7a-7c는 루프백 구조체(602)를 사용하여 광학 커넥터(110)를 정렬하는 단계들을 예시하는, 다양한 위치들에서 광학 커넥터(110)와 오버레이되는 도 6의 광자 칩(600)의 개략적인 최상부 도들이다. 알 수 있는 바와 같이, 단일 루프백 구조체의 2개의 루프백 정렬 피처들에 기초하는 정렬이 2개의 별도의 정렬 피처(도 5a-5c에 도시된 바와 같은)와 동일한 일반적인 방식으로 달성된다. 도 7a에서, 광학 커넥터(110)는 중간 격자 커플러(606) 및 그것의 우측으로의 이웃인, 격자 커플러(608)에 의해 형성되는 제1 루프백 정렬 피처(618)에 맞춘 정렬 내에 도시된다. 광학 커넥터(110)를 도 7b에 도시된 바와 같은 제2 루프백 정렬 피처(616)에 맞춘 정렬 내로 이동시키기 위해, 광학 커넥터(110)는 벡터
Figure 112019030786783-pat00008
에 대응하는, 인접한 커플러들의 쌍의 폭(x)만큼 (3개의 격자 커플러(604, 606, 608)를 접속시키는 라인을 따라) 왼쪽으로 단순히 시프트된다. 이들 2개의 정렬 단계는 광자-칩 레이아웃과 연관된 좌표계를 캘리브레이팅하는 것 및 그 좌표계 내에서 광학 커넥터(110)의 위치를 알아내는 것을 달성한다. 광학 커넥터(110)는 이후 그것을 제2 루프백 정렬 피처(616)로부터 입력/출력 커플러들의 쌍(102, 104)까지 벡터
Figure 112019030786783-pat00009
만큼 이동시킴으로써 PIC의 입력/출력 커플러들(102, 104)에 맞춘 정렬내로 이동될 수 있다.
전술된 예들 모두는 PIC의 입력/출력 커플러들의 단일 쌍에 대한 광학 커넥터(110)의 2개의 통신 채널(112, 114)의 정렬을 예시한다. 그러나, 프로세스는 둘 이상의 각자의 입력/출력 커플러들에 대한 둘 이상의 통신 채널을 가지는 광학 커넥터의 정렬로 단도직입적으로 일반화될 수 있으며, 이는 1차원 또는 2차원 어레이로 배열될 수 있다. PIC의 입력/출력 커플러들은 광학 신호들을 수신하도록 동작하는 하나 이상의 입력 커플러 및/또는 광학 신호들을 전송하도록 동작하는 하나 이상의 커플러의 임의의 조합을 포함할 수 있는데, 즉, 이들은 모두 입력 커플러들이거나, 모두 출력 커플러들이거나, 또는 이 둘의 조합일 수 있다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른, PIC의 8개의 격자 커플러의 어레이(802) 및 2개의 연관된 루프백 정렬 피처(804, 806)를 포함하는 예시적인 광자 칩(800)의 개략적인 최상부 도이다. 격자 커플러들의 어레이(802)는 4개의 격자 커플러들 각각 중 2개의 평행한, 수평으로 정렬되는 행들을 포함한다. 각각의 행 내에서, 격자 커플러들은 균일하게 이격되고, 간극은 두 행 모두에 대해 동일하다. 다시 말해, 격자들은 일정한 피치를 가지는 어레이로 배열된다. 피치, 즉, 행 내의 임의의 2개의 인접한 격자 커플러 사이의 거리를 x로 표기하면, 2개의 행 내의 외곽 격자 커플러들(808, 810 및 812, 814)은 3x의 거리를 가진다. 루프백 정렬 피처들(804, 806) 각각은 2개의 도파관을 통해 폐루프 내로 접속되는 2개의 격자 커플러(820, 822 및 824, 826)를 포함한다. 정렬 피처들(804, 806)의 각각 내의 2개의 격자 커플러들 내의 거리는, 도시된 예에서 3x와 동일하고, 따라서 루프백 정렬 피처(804, 806)에 대한 광학 커넥터의 능동 정렬을 위해, PIC의 외곽 격자 커플러들(808, 810 또는 812, 814)과 짝을 이루도록 구성되는 통신 채널들의 쌍이 사용된다.
도 9a-9c는 다양한 위치들에서 광학 커넥터(900)와 오버레이하는 도 8의 광자 칩(800)의 개략적인 최상부 도들 내에 격자 커플러들의 어레이(802)에 대한 정렬 프로세스를 예시한다. 광학 커넥터(900)는 각각이 광자 칩(800) 상의 어레이(802)의 입력/출력 격자 커플러들과 동일한 방식으로 이격되고 배열되는 4개의 통신 채널의 2개 행을 포함한다. 행들 중 하나의 외곽 통신 채널들(902, 904)의 쌍들만이 도 9a 및 9b에 각자 예시된 바와 같은 루프백 정렬 피처(804, 806)에 맞춘 순차적 정렬을 위해 사용된다. 2개의 루프백 정렬 피처들(806, 804) 사이의(예를 들어, 이들의 각자의 격자 쌍들(824, 826 및 820, 822) 사이의 중간점들을 접속시키는 벡터
Figure 112019030786783-pat00010
에서 반영되는 바와 같은) 그리고 루프백 정렬 피처들(804, 806) 중 적어도 하나와 PIC 격자 커플러들의 어레이(800) 사이의(예를 들어, 루프백 정렬 피처(804)의 격자들(820, 822) 사이의 중간점으로부터 어레이(800)의 외곽 격자 커플러들(808, 810) 사이의 중간점까지의 벡터
Figure 112019030786783-pat00011
에서 반영되는 바와 같은) 알려진 상대적 위치들에 기초하여, 광학 커넥터(900)는 PIC의 격자 커플러들의 어레이(802)에 맞춰 정렬될 수 있다. 광학 커넥터(900)의 8개의 통신 채널이 PIC의 어레이(802)의 입력/출력 격자 커플러들과 같이 정확하게 배열되는 경우, 외곽 격자 커플러들의 쌍(808, 810)에 맞춘 외곽 통신 채널들의 쌍(902, 904)의 정확한 정렬은 내재적으로 각자의 격자 커플러들에 대한 모든 다른 통신 채널들의 적절한 정렬을 또한 보장한다.
본 개시내용의 이점이 주어지는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 바와 같이, 루프백 정렬 피처 내의 2개의 격자 커플러 사이의 거리는 PIC의 입력/출력 커플러들의 어레이 내의 행의 폭(이는, 도 8-9c에서 3x)에 반드시 매칭할 필요는 없다. 예를 들어, 루프백 정렬 피처는 PIC의 2개의 인접한 입력/출력 커플러 사이의 거리에, 즉, 입력/출력 커플러들의 어레이의 피치에 대응하는 거리(x)로 이격되는 격자 커플러들을 가질 수 있다. 일반적으로, 주어진 피치의 입력/출력 커플러들의 임의의 어레이에 대해, 루프백 정렬 피처의 2개의 격자 커플러 사이의 거리는 그 일정한 피치의 임의의 정수배, 어레이의 폭에 대응하는 최댓값까지일 수 있다. 훨씬 더 일반적으로, 서로에 대한 루프백 정렬 피처의 커플러들의 위치들은 PIC의 임의의 2개의 입력/출력 커플러(심지어 상이한 행들의 2개의 커플러)의 상대적 상호 위치들을 매칭시킬 수 있다. 또한, PIC의 입력/출력 커플러들의 단일 쌍에 대한 2개의 통신 채널을 가지는 광학 커넥터의 정렬과 같이, 입력/출력 커플러들의 대응하는 어레이들에 대한 통신 채널들의 더 큰 어레이들의 정렬은 2개의 별도의 구조체에 의해서 보다는 단일 구조체 내에 제공되는 루프백 정렬 피처를 또한 이용할 수 있다.
또한, 도 1a-9c가 모두 격자 커플러들에 대한 정렬을 예시하지만, 기술된 정렬 프로세스들, 구조체들 및 구성들은 예를 들어, 터닝 미러들과 같은 다른 타입들의 커플러들에 용이하게 적용될 수 있다. 실제로, 동일한 타입의 커플러는 루프백 정렬 피처(들)의 커플러들 뿐만 아니라 PIC의 모든 입력/출력 커플러들에 대해 일반적으로 사용될 것이다. 그러나, 원리상으로, 루프백 정렬 피처(들)에 대해 PIC에 사용되는 것과는 상이한 타입들의 커플러들을 사용하고, 그리고/또는 심지어 PIC 내의 또는 루프백 정렬 피처 내의 커플러 타입들을 혼합하는 것 역시 가능하다.
위에서 논의된 원리들은, 또한, 표면 커플링에 제한되는 것이 아니라, 에지 커플링에도 또한 적용될 수 있다. 예시를 위해, 도 10은, 광자 칩(1000)의 최상부 표면(1002)의 평면 내에, 칩(1000)의 측면(1008)에서 끝나는 2개의 도파관(1004, 1006)을 포함하는 광자 칩(1000)을 사시도에 도시한다. 이들 도파관(1004, 1006)은 PIC의 평면 내의 그것의 통신 채널들(112, 114)을 가지고 기인되는 광학 커넥터(110)에 대한 도파관 에지 커플러들로서의 역할을 한다. 도 10은 측면(1008) 내의 도파관 에지 커플러들(1004, 1006)에 의해 제공되는 커플링 포인트들(1016, 1018)을 가지는(그러나 이와 아직 커플링되지는 않는) 정렬 내의 광학 커넥터(110)를 도시한다.
도 11은 (2개 층의 각각 내에 3개의 도파관(1102)을 가지는) 최상부 표면(1104)에 대해 평행한 광자 칩(1100)의 2개 층 내에 내장되는 6개의 도파관(1102)을 포함하는 광자 칩(1100)을 도시하는, 이러한 에지-커플링 구조체들의 변형을 예시한다. 측면(1106)에서, 6개의 도파관(1102)은 커플링 포인트들(1108)의 2x3 어레이를 형성한다. 6개의 통신 채널(1112)의 대응하는 어레이를 가지는 광학 커넥터(1110)가 커플링 포인트들(1108)에 맞춰 정렬되는 것이 도시되어 있다.
도파관 에지 커플러들에 대한 광학 커넥터의 정렬을 위한 루프백 정렬 피처들의 사용은 도파관 에지 커플러들의 단일 쌍의 예에 대해 도 12-13c에 예시된다. 다양한 실시예들에 따르면, 도 12는 PIC의 도파관 에지 커플러들의 쌍(1202, 1204) 및 2개의 연관된 루프백 정렬 피처(1206, 1208)를 포함하는 광자 칩(1200)의 개략적인 최상부 도를 제공한다. 루프백 정렬 피처들(1206, 1208)의 각각은 도파관 에지 커플러들(1202, 1204)과 동일한 광자 칩(1200)의 측면(1210)에 있는 양 단부들 모두에서 끝나는 U-턴 도파관을 형성한다. 각각의 루프백 정렬 피처(1206 또는 1208)에서, 그것의 2개의 커플링 포인트(1212, 1214 또는 1216, 1218) 사이의 거리는 도파관 에지 커플러들의 쌍(1202, 1204)의 커플링 포인트들(1220, 1222) 사이의 거리(x)와 동일하다. 도파관 에지 커플러들(1202, 1204) 및 루프백 정렬 피처들(1206, 1208)의 상대적 위치들은 알려져 있다.
도 13a-13c는 제1 루프백 정렬 피처(1206), 제2 루프백 정렬 피처(1208), 및 PIC의 도파관 에지 커플러들(1202, 1204)에 맞춰 연속적으로 정렬되는 2개의 통신 채널(112, 114)을 가지는 광학 커넥터(110) 및 도 12의 광자 칩(1200)의 개략적인 최상부 도들이다. 격자 커플러들에 대한 정렬 프로세스와 꼭 같이, 광학 커넥터(110)가 제1 U-턴 도파관 루프백 정렬 피처(1206)에 맞춘 정렬로부터 제2 U-턴 도파관 정렬 피처(1208)에 맞춘 정렬로 이동되는 벡터
Figure 112019030786783-pat00012
는 도파관 에지 커플러들(1202, 1204) 및 루프백 정렬 피처들(1206, 1208)이 정의되는 좌표계를 캘리브레이트하는 역할을 한다. 제2 루프백 정렬 피처(1208)의 커플링 포인트들(1216, 1218) 사이의 중간점과 도파관 에지 커플러들(1202, 1204)의 커플링 포인트들(1220, 1222) 사이의 중간점 사이의 알려진 벡터
Figure 112019030786783-pat00013
에 기초하여, 광학 커넥터(110)는 이후 그것의 최종 위치 내로 이동될 수 있고, 여기서 광학 통신 채널들(112, 114)은 도파관 에지 커플러들(1202, 1204)의 커플링 포인트들(1220, 1222)에 접속된다.
전술된 도면들의 실시예들에서, 루프백 정렬 피처(들)는 각자의 PIC들의 입력/출력 커플러들의 쌍(또는 이들의 어레이 내의 행)에 대해 평행하게 배향되고, 따라서, 루프백 정렬 피처(들)에 맞춘 정렬에 따르는 광학 커넥터는 단순히 1 또는 2차원으로 PIC 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬되는 위치 내로 평행변환될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 루프백 정렬 피처(들)는 입력/출력 커플러들 및 루프백 정렬 피처(들)가 정의되는 평면(예를 들어, 표면-커플링 실시예들에서의 광자 칩의 최상부 표면 및 에지-커플링 실시예들에서의 측면)에 대해 직교하는 축 주위로 PIC 입력/출력 커플러들에 대해 회전될 수 있다. 다시 말해, 광학 커넥터가 커플링될 PIC의 입력/출력 커플러들을 접속시키는 라인은 루프백-정렬 피처의 커플링 포인트들을 접속시키는 라인과의 임의의 제로 또는 넌-제로 각을 일반적으로 둘러쌀 수 있다. 본원에 따르면, 이 각은 설계에 의해 알려져 있다. 넌-제로 각들에 대해, 루프백 정렬 피처에 맞춰 정렬된 위치로부터 PIC 입력/출력 커플러들에 맞춘 위치로의 광학 커넥터의 움직임은 일반적으로 2개의 평행변환 자유도 뿐만 아니라 제3의, 회전 자유도를 요구한다.
도 14는 다양한 실시예들에 따른 PIC의 입력/출력 커플러들에 대해 광학 커넥터를 정렬하는 방법들(1400)을, 플로우차트의 형태로 요약한다. 방법들(1400)은 광자 칩의 기판 내에 형성되는 루프백 정렬 피처에 맞춘 광학 커넥터의 능동 정렬로 시작한다(동작(1402)). 이 능동 정렬은 광자 칩 외부의 광원 및 검출기를 사용하여 수행된다. 광원으로부터의 광은 광학 커넥터의 제1 통신 채널 내에 커플링되고, 검출기는 제2 통신 채널을 통해 수신되는 광을 측정하도록 배치된다. 제1 및 제2 통신 채널들은 루프백 정렬 피처의 2개의 커플링 포인트에 맞춰 초기에 대략적으로(roughly) 정렬되고, 이에 의해 루프백 정렬 피처의 2개의 커플링 포인트에 광학적으로 커플링되어 광원으로부터 검출기까지의 광학 경로를 제공한다. 정렬은 이후 미세-조정되어 광학적 커플링을 최적화시키고 이에 의해 검출기에 의해 측정된 광의 강도를 최대화시킨다. 일부 실시예들에서, 광학 커넥터는 제2 루프백 정렬 피처로 이동되고, 능동 정렬 프로세스가 제2 루프백 정렬 피처에 대해 반복된다(동작(1404)). 루프백 정렬 피처(들)의 능동 정렬에 후속하여, 광학 커넥터는 PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬되는 위치로 이동된다(더 구체적으로, 1 또는 2차원으로 평행변환되고, 적용가능한 경우, 회전된다)(동작(1406)). 그 위치에서, 광학 커넥터는 예를 들어, 입력/출력 커플러들에 대해 광학 커넥터를 에폭시를 이용한 접착(gluing), 땜납, 또는 레이저 용접시킴으로써, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 다수의 방법 중 임의의 방식으로 제 위치에 고정된다(동작(1408)). 방법들(1400)은 다수의 각자의 PIC들에 대해 광학 커넥터들을 직렬로 정렬하도록 제조 라인에서 사용될 수 있다. 능동 정렬이, 방법들(1400)에 따라, PIC에 접속되지 않는 정렬 피처들로 제한되어, PIC에 전력 인가할 필요성을 제거하기 때문에, 스루풋은, PIC의 입력/출력 커플러들에 대해 직접 광학 커넥터들을 능동적으로 정렬하기 위한 방법들에 비해, 실질적으로 증가될 수 있다.
도 15는 본원에 기술된 바와 같은 루프백 정렬 피처들을 가지는 광자 칩을 제조하기 위한 방법(1500)을 예시한다. 방법은 PIC 및 루프백 정렬 피처(들)를 공동으로 정의하는 광자 칩에 대한 레이아웃을 생성하는 것을 수반한다(동작(1502)). 광자 칩은 이 레이아웃에 따라 포토리소그래픽 방식으로 패터닝되고(동작(1504)), 패터닝된 칩은, 예를 들어, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같은 습식 에칭 또는 건식 에칭을 사용하여 프로세싱되어, 포토리소그래픽 방식으로 정의된 피처들을 생성한다(동작(1506)). 일부 실시예들에서, 패터닝 및 프로세싱 단계들, 및/또는 추가적인 층들의 간헐적 퇴적이 반복되어 보다 복잡하게 층을 이루는 구조체들을 형성한다. PIC의 입력/출력 커플러들 및 루프백 정렬 피처들은, 다양한 실시예들에서, 단일 포토마스크를 사용하여 단일 포토리소그래픽 단계에서 칩 상에 패터닝되는데, 이는 이들의 정확한 상대적인 포지셔닝을 보장한다. 그러나, PIC 입력/출력 커플러들 및 루프백 정렬 피처들이 상이한 포토마스크들을 이용하여 생성되더라도, 칩에 대한 이들 마스크들의 정렬 정확도들, 및 패터닝된 PIC 입력/출력 커플러들 및 루프백 정렬 피처(들)의 결과적인 위치 정확도들은 일반적으로 300nm보다 더 양호하여, 단일-모드 커플링에 대해 요구되는 광학-커넥터 정렬 정확도들을 가능하게 한다.
PIC의 입력/출력 커플러들 및 루프백 정렬 피처들의 커플러들은 모두 실리콘 격자 커플러들에 의해 형성될 수 있거나, 또는 이들은 모두 실리콘-질화물-(SiN)-기반 또는 인듐-인화물-(InP)-기반 격자 커플러들에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, PIC의 입력/출력 커플러들은 SiN으로 형성될 수 있는 반면, 루프백 정렬 피처들의 커플러들은 실리콘 또는 InP로 형성될 수 있거나, 또는 그 역이 성립한다. 유사하게, 에지-커플링 PIC들은 입력/출력 커플러들, 및 모두가 SiN 도파관들 및 면(facet)들에 의해 형성되는, 또는 모두가 실리콘 도파관들 및 면들 또는 InP 도파관들 및 면들에 의해 형성되는, 루프백 정렬 피처들의 커플러들을 가질 수 있다. 대안적으로, 입력/출력 커플러들은 SiN 도파관들 및 면들에 의해 형성될 수 있는 반면, 루프백 정렬 피처들의 커플러들은 실리콘 또는 InP 도파관들 및 면들에 의해 형성될 수 있거나, 또는 그 역이 성립한다. 이들 예들 중 임의의 것에서, 비-제한적인 예들로서, PIC 및 루프백 정렬 피처들은 매립 산화물들을 가지는 실리콘 기판들 상에, 또는 InP 기판들 상에 형성될 수 있다.
루프백 정렬 피처들 및 연관된 정렬 및 제조 방법들의 상이한 양태들 및 피처들을 기술할 때, 후속하는 넘버링된 예들이 예시적인 실시예들로서 제공된다.
1. 방법은: 광자 칩 외부의 광원으로부터의 광을 광학 커넥터의 제1 채널을 통해 제1 루프백 정렬 피처 내로 광을 커플링시키고 제1 루프백 정렬 피처로부터 광학 커넥터의 제2 채널을 통해 수신되는 광을 광자 칩 외부의 검출기를 이용하여 측정함으로써, 광자 칩의 기판 내에 형성되는 제1 루프백 정렬 피처에 맞춰 광학 커넥터를 능동적으로 정렬하는 단계 - 제1 루프백 정렬 피처는 광자 칩의 기판 내에 형성되는 광자 집적 회로(PIC)에 광학적으로 접속되지 않음 -; 광원으로부터의 광을 광학 커넥터의 제1 채널을 통해 제2 루프백 정렬 피처 내로 커플링시키고 제2 루프백 정렬 피처로부터 광학 커넥터의 제2 채널을 통해 수신되는 광을 검출기를 이용하여 측정함으로써, 광자 칩의 기판 내에 형성된, PIC에는 접속되지 않는, 제2 루프백 정렬 피처에 맞춰 광학 커넥터를 능동적으로 정렬하는 단계; 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들에 맞춘 광학 커넥터의 능동 정렬에 후속하여, 광학 커넥터를, PIC의 입력/출력 커플러들에 대한 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들의 알려진 위치들에 기초하여, PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬된 위치로 이동시키는 단계; 및 PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬된 위치에서 광학 커넥터를 제 위치에 고정시키는 단계를 포함한다.
2. 예 1의 방법에서, 제1 루프백 정렬 피처 및 제2 루프백 정렬 피처는 별도의, 광학적으로 접속되지 않는 구조체들을 형성한다.
3. 예 1의 방법에서, 제1 루프백 정렬 피처 및 제2 루프백 정렬 피처는 단일 구조체를 형성한다.
4. 예 3의 방법에서, 단일 구조체는 서로 광학적으로 접속되는 3개의 격자 커플러를 포함하고, 3개의 격자 커플러 중 제1 커플러와 3개의 격자 커플러 중 제2 커플러 사이의 거리는 3개의 격자 커플러 중 제2 커플러와 3개의 격자 커플러 중 제3 커플러 사이의 거리와 동일하다.
5. 예들 1-4 중 임의의 하나의 방법에서, 광학 커넥터를 제1 루프백 정렬 피처에 맞춰 정렬하는 단계는 광학 커넥터의 제1 및 제2 채널들을 제1 루프백 정렬 피처의 각자의 제1 및 제2 커플러에 맞춰 정렬하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 커플러들 사이의 거리는 PIC의 입력/출력 커플러들 중 2개 사이의 거리와 동일하다.
6. 예들 1-5 중 임의의 하나의 방법에서, PIC의 입력/출력 커플러들은 격자 커플러들 또는 터닝 미러들 중 적어도 하나를 포함한다.
7. 예 6의 방법에서, 제1 루프백 정렬 피처는 서로 광학적으로 접속되는 2개의 커플러를 포함하고, 2개의 커플러는 격자 커플러들 또는 터닝 미러들을 포함한다.
8. 예 6의 방법에서, 제1 루프백 정렬 피처는 서로 광학적으로 접속되어 폐루프를 형성하는 2개의 격자 커플러를 포함한다.
9. 예들 1-5 중 임의의 하나의 방법에서, PIC의 입력/출력 커플러들은 도파관 에지 커플러들을 포함한다.
10. 예 9의 방법에서, 제1 루프백 정렬 피처는 도파관 에지 커플러들과 동일한 PIC의 표면에서 끝나는 도파관 U-턴을 포함한다.
11. 예들 1-9 중 임의의 하나의 방법으로서, 광학 커넥터의 채널들은 제2 광자 칩 내에 형성되는 제2 광자 집적 회로(PIC)의 입력/출력 커플러들이다.
12. 예들 1-11 중 임의의 하나의 방법에서, 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들에 맞춘 광학 커넥터의 능동 정렬은 PIC에 전력을 공급하지 않고 수행된다.
13. 광자 칩은: 기판; 기판 내에 형성되는 복수의 광자 디바이스를 포함하는 광자 집적 회로(PIC) - 복수의 광자 디바이스는 일정한 피치를 가지는 어레이 내에 배열되는 제1 복수의 입력/출력 커플러를 포함함 -; 및 기판 내에 형성되는 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들을 포함하고, 제1 및 제2 루프백 피처들은 PIC에 광학적으로 접속되지 않고 각각이 2개의 커플러를 포함하며, 2개의 커플러 사이의 거리는 PIC의 입력/출력 커플러들의 어레이의 일정한 피치의 정수배와 동일하다.
14. 예 13의 광자 칩에서, 제1 루프백 정렬 피처 및 제2 루프백 정렬 피처는 별도의, 광학적으로 접속되지 않는 구조체들을 형성한다.
15. 예 13의 광자 칩에서, 제1 루프백 정렬 피처 및 제2 루프백 정렬 피처는 단일 구조체의 부분들을 형성한다.
16. 예들 13-15 중 임의의 하나의 광자 칩에서, PIC의 입력/출력 커플러들은 2개의 격자 커플러를 포함하고, 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들 각각은 서로 광학적으로 접속되는 2개의 격자 커플러를 포함한다.
17. 예들 13 및 14 중 임의의 하나의 광자 칩에서, PIC의 입력/출력 커플러들은 도파관 에지 커플러들을 포함하고, 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들 각각은 도파관 에지 커플러들과 동일한 PIC의 표면에서 끝나는 도파관 U-턴을 포함한다.
18. 2개의 루프백 정렬 피처를 포함하는 광자 칩을 제조하는 방법은: 포토리소그래픽 방식으로 기판을 패터닝하여, 단일 포토마스크를 이용하여, 광자 집적 회로(PIC)의 복수의 입력/출력 커플러 및 2개의 루프백 정렬 피처를 동시에 정의하는 단계 - 복수의 입력/출력 커플러는 일정한 피치를 가지는 어레이 내에 배열되고, 2개의 루프백 정렬 피처는 PIC에 광학적으로 접속되지 않고 복수의 입력/출력 커플러에 대해 특정된 로케이션들에 위치하고, 2개의 루프백 정렬 피처 각각은 2개의 커플러를 포함하고, 2개의 커플러 사이의 거리는 입력/출력 커플러들의 어레이의 일정한 피치의 정수배와 동일함 -; 및 패터닝된 기판을 프로세싱하여 광자 집적 회로 및 2개의 루프백 정렬 피처를 기판 내에 생성하는 단계를 포함한다.
19. 청구항 18의 방법에서, 적어도 2개의 루프백 정렬 피처는 격자 커플러들을 포함한다.
20. 청구항 18의 방법에서, 적어도 2개의 루프백 정렬 피처는 단일 구조체를 형성한다.
발명의 대상이 특정 예시적인 실시예들에 대해 기술되었지만, 발명의 대상의 더 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이들 실시예들에 대해 다양한 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    광자 칩 외부의 광원으로부터의 광을 광학 커넥터의 제1 채널을 통해 제1 루프백 정렬 피처(loopback alignment feature) 내로 커플링시키고 상기 제1 루프백 정렬 피처로부터 상기 광학 커넥터의 제2 채널을 통해 수신되는 광을 상기 광자 칩 외부의 검출기를 이용하여 측정함으로써, 상기 광자 칩의 기판 내에 형성되는 상기 제1 루프백 정렬 피처에 맞춰 상기 광학 커넥터를 능동적으로 정렬하는 단계 - 상기 루프백 정렬 피처는 상기 광자 칩의 기판 내에 형성되는 광자 집적 회로(PIC)에 광학적으로 접속되지 않음 -;
    상기 광원으로부터의 광을 상기 광학 커넥터의 제1 채널을 통해 제2 루프백 정렬 피처 내로 커플링시키고 상기 제2 루프백 정렬 피처로부터 상기 광학 커넥터의 제2 채널을 통해 수신되는 광을 상기 검출기를 이용하여 측정함으로써, 상기 광자 칩의 기판 내에 형성되는, 상기 PIC에는 접속되지 않는, 상기 제2 루프백 정렬 피처에 맞춰 상기 광학 커넥터를 능동적으로 정렬하는 단계;
    상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들에 맞춘 상기 광학 커넥터의 능동 정렬에 후속하여, 상기 광학 커넥터를, 상기 PIC의 입력/출력 커플러들에 대한 상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들의 알려진 위치들에 기초하여, 상기 PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬된 위치로 이동시키는 단계; 및
    상기 PIC의 입력/출력 커플러들에 맞춰 정렬된 상기 위치에서 상기 광학 커넥터를 제 위치에 고정시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 루프백 정렬 피처 및 상기 제2 루프백 정렬 피처는 별도의, 광학적으로 접속되지 않는 구조체들을 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 루프백 정렬 피처 및 상기 제2 루프백 정렬 피처는 단일 구조체를 형성하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단일 구조체는 서로 광학적으로 접속되는 3개의 격자 커플러를 포함하고, 상기 3개의 격자 커플러 중 제1 커플러와 상기 3개의 격자 커플러 중 제2 커플러 사이의 거리는 상기 3개의 격자 커플러 중 상기 제2 커플러와 상기 3개의 격자 커플러 중 제3 커플러 사이의 거리와 동일한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광학 커넥터를 상기 제1 루프백 정렬 피처에 맞춰 정렬하는 단계는 상기 광학 커넥터의 제1 및 제2 채널들을 상기 제1 루프백 정렬 피처의 제1 및 제2 커플러들 각각에 맞춰 정렬하는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 커플러들 사이의 거리는 상기 PIC의 입력/출력 커플러들 중 2개 사이의 거리와 동일한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PIC의 입력/출력 커플러들은 격자 커플러들 또는 터닝 미러(turning mirror)들 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 루프백 정렬 피처는 서로 광학적으로 접속되는 2개의 커플러를 포함하고, 상기 2개의 커플러는 격자 커플러들 또는 터닝 미러들을 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 루프백 정렬 피처는 서로 광학적으로 접속되어 폐루프를 형성하는 2개의 격자 커플러를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PIC의 입력/출력 커플러들은 도파관 에지 커플러들을 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 루프백 정렬 피처는 상기 도파관 에지 커플러들과 동일한 PIC의 표면에서 끝나는(terminating) 도파관 U-턴을 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광학 커넥터의 채널들은 제2 광자 칩 내에 형성되는 제2 광자 집적 회로(PIC)의 입력/출력 커플러들인 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들에 맞춘 상기 광학 커넥터의 능동 정렬은 상기 PIC에 전력을 공급하지 않고 수행되는 방법.
  13. 광자 칩으로서,
    기판;
    상기 기판 내에 형성되는 복수의 광자 디바이스를 포함하는 광자 집적 회로(PIC) - 상기 복수의 광자 디바이스는 일정한 피치로 일렬로 배열되는 복수의 입력/출력 커플러를 포함함 -; 및
    상기 기판 내에 형성되는 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들
    을 포함하고, 상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들은 상기 PIC에 광학적으로 접속되지 않고 각각이 2개의 커플러를 포함하며, 상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들 각각의 루프백 정렬 피처의 2개의 커플러 사이의 거리는 상기 PIC의 입력/출력 커플러들의 일정한 피치의 정수배와 동일한 광자 칩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 루프백 정렬 피처 및 상기 제2 루프백 정렬 피처는 별도의, 광학적으로 접속되지 않는 구조체들을 형성하는 광자 칩.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 루프백 정렬 피처 및 상기 제2 루프백 정렬 피처는 단일 구조체의 부분들을 형성하는 광자 칩.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 PIC의 입력/출력 커플러들은 2개의 격자 커플러를 포함하고, 상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들 각각은 서로 광학적으로 접속되는 2개의 격자 커플러를 포함하는 광자 칩.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 PIC의 입력/출력 커플러들은 도파관 에지 커플러들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 루프백 정렬 피처들 각각은 상기 도파관 에지 커플러들과 동일한 PIC의 표면에서 끝나는 도파관 U-턴을 포함하는 광자 칩.
  18. 2개의 루프백 정렬 피처를 포함하는 광자 칩을 제조하는 방법으로서,
    포토리소그래픽 방식으로 기판을 패터닝하여, 광자 집적 회로(PIC)의 복수의 입력/출력 커플러 및 상기 2개의 루프백 정렬 피처를 단일 포토마스크를 이용하여 동시에 정의하는 단계 - 상기 복수의 입력/출력 커플러는 일정한 피치로 일렬로 배열되고, 상기 2개의 루프백 정렬 피처는 상기 PIC에 광학적으로 접속되지 않고 상기 복수의 입력/출력 커플러에 대해 특정된 로케이션들에 위치하고, 상기 2개의 루프백 정렬 피처 각각은 2개의 커플러를 포함하고, 상기 2개의 커플러 사이의 거리는 상기 입력/출력 커플러들의 상기 일정한 피치의 정수배와 동일함 -; 및
    상기 패터닝된 기판을 프로세싱하여 상기 광자 집적 회로 및 상기 2개의 루프백 정렬 피처를 상기 기판 내에 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 2개의 루프백 정렬 피처는 격자 커플러들을 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 2개의 루프백 정렬 피처는 단일 구조체를 형성하는 방법.
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