(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１のコア層、第１のクラッド層、第２のクラッド層、第２のコア層、および第３のクラッド層を順次有する多層構造からなる装置であって、
前記第１のクラッド層は、第１の材料からなり、
前記第２のクラッド層は、くさび形状部分を有し、前記第１の材料と異なる第２の材料からなり、
該装置は、
第１のコアと第１のクラッドからなり、前記第１のコアが前記第１のコア層の一部を含み、前記第１のクラッドが前記基板の一部と前記第１のクラッド層の一部を含む第１の光導波路と、
第２のコアと第２のクラッドからなり、前記第２のコアが前記第２のコア層の一部を含み、前記第２のクラッドが前記第２のクラッド層の少なくとも前記くさび形状部分と前記第３のクラッド層の一部を含む第２の光導波路と、
前記第１のクラッド層の一部を含み、前記第１および第２の導波路に光学的に結合された光結合器と、
前記第２のコア層の一部を含む導波路格子とを備え、
前記導波路格子が、前記第２の導波路の１つまたは複数の導波路モードと、前記導波路格子によって形成されるか、または前記導波路格子に入射される光ビームとの間で、光パワーを伝達するように構成された装置。
【請求項２】
前記第２の光導波路の屈折率のコントラストが、前記第１の光導波路の屈折率のコントラストよりも大きく、
前記第１の光導波路の前記第１のコアが、３成分、４成分、または５成分のＩＩＩ−Ｖ族の合金を含み、
前記第１の光導波路の前記第１のクラッドが、２成分のＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、
前記第２の光導波路の前記第２のコアが、ケイ素を含み、
前記第２の光導波路の前記第２のクラッドが、酸化ケイ素を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光結合器が、エバネッセント場を介して、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を結合する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光結合器は、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間で、１回または複数回、光エネルギーが空間的に振動するような長さを有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の光導波路の前記第２のコアが、
前記基板の主平面に実質的に平行な第１の部分と、
前記第２のクラッド層のくさび形状部分に沿った第２の部分と、
前記基板の主平面に実質的に平行で、基板との距離が前記第１の部分より大きい第３の部分とを備え、
前記第２の部分が、前記第１の部分と前記第３の部分との間を接続し、前記導波路格子が前記第３の部分に画定される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２のコアの前記第３の部分と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層の界面との距離が、（ｉ）前記導波路格子によって回折されて前記界面に向かい、次いで前記界面から反射して戻る光と、（ｉｉ）前記反射して戻る光の伝搬方向と同一方向に前記導波路格子によって回折される光との間で、干渉を強め合うような距離である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の光導波路の前記第１のコアが、前記光結合器に接続され横方向にテーパ付けされた部分を備え、
前記装置がさらに、前記基板上に支持された光信号処理（ＯＳＰ）回路を備え、前記第１の光導波路が、前記ＯＳＰ回路に光学的に結合し、
前記ＯＳＰ回路が、少なくとも１つのアクティブ光素子を備え、
前記第１および第２の光導波路、前記導波路格子、および前記ＯＳＰ回路が、前記基板上に形成された光集積回路（ＰＩＣ）の部品である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置と、
前記基板上に支持され、少なくとも１つのアクティブ光素子を有する光信号処理（ＯＳＰ）回路とを備え、
前記アクティブ光素子に前記第１の光導波路が光学的に結合された、光集積回路（ＰＩＣ）。
【請求項９】
請求項１に記載の装置を製造する方法であって、
前記第１の光導波路を設けた前記基板を用意するステップと、
前記第１の光導波路の上に前記くさび形状部分を有する前記第２のクラッド層を形成するステップと、
前記くさび状部分を有する前記第２のクラッド層の上に前記第２のコア層を形成するステップと、
前記第２のコア層内に一連の空洞を形成して、前記導波路格子を画定するステップと、を含み、前記第２のクラッド層を形成するステップが、
前記第１の光導波路の上に前記第２のクラッド層の材料の層を形成するステップ、および
前記第２のクラッド層の材料の層にウェット・エッチング処理を施して、前記くさび状部分を形成するステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、光通信機器に関し、より詳細には、それだけに限定されるものではないが、光集積回路との間で光を結合する光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
このセクションでは、（１つまたは複数の）発明物をよりよく理解できる手助けとなる態様を紹介する。したがって、このセクションで述べることは、この観点から読むべきであって、何が従来技術にあって、何が従来技術にないのかについて認めるものと理解すべきではない。
【０００３】
遠隔通信、計測、および信号処理の分野の様々な用途に光集積回路（ＰＩＣ）が使用される。ＰＩＣは通常、光導波路を使用して、光スイッチ、結合器、ルータ、スプリッタ、マルチプレクサ／デマルチプレクサ、変調器、増幅器、波長変換器、光電気（Ｏ／Ｅ）および電気光（Ｅ／Ｏ）信号変換器など、様々なオンチップ構成部品を実装および／または相互接続する。ＰＩＣ内の導波路は通常、導波路のコアとクラッドの間の屈折率のコントラストによって光を導くオンチップの固体光導体である。
【０００４】
適切な動作のため、ＰＩＣは通常、外部の光ファイバとオンチップ導波路のうちの１つまたは複数の導波路との間で光を効率的に結合することが必要になる。この目的に使用することができる例示的な格子結合器が、たとえば米国特許第７，０６５，２７２号に開示してあり、その全体を参照により本明細書に組み込む。しかし、ある種の格子結合器での１つの問題は、これらの格子結合器が、コアと上部クラッド層および下部クラッド層の両方との間の屈折率のコントラストが相対的に高い材料を使用して実装されるときにのみ良好に働くことであるが、ＰＩＣのある種のアクティブ光素子では、屈折率のコントラストが相対的に低い材料だけを使用する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，０６５，２７２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
有利には、本明細書において開示される導波路格子結合器の実施形態によっては、従来技術の導波路格子結合器の光結合効率は低くなく、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのアクティブ光素子を有する光集積回路（ＰＩＣ）に集積化するのに好都合である。具体的には、２つのエバネッセント結合導波路を有する導波路格子結合器を実現することによって、従来技術の問題に取り組む。第１の導波路は、アクティブ光素子を製造するのに適した材料を使用して製造され、第２の導波路は、構成要素である導波路格子について相対的に高い屈折率のコントラストを実現することができる材料を使用して製造される。
【０００７】
一実施形態では、（ｉ）基板の表面上に支持された第１の光導波路と、（ｉｉ）表面の上方に支持された第２の光導波路と、（ｉｉｉ）表面の上方に支持され、第１および第２の導波路を光学的に結合する光結合器と、（ｉＶ）表面の上方に支持され、第２の導波路の１つまたは複数の導波路モード間での光パワー、および導波路格子によって形成され、導波路格子に加えられる光ビームを伝達するように構成された導波路格子とを有する装置が提供される。第２の導波路は、第２の導波路のコアが、結合器に対応する第１の距離から、互いに異なる第２の距離へとオフセット距離を徐々に変化させるオフセット移行領域を有する。
【０００８】
さらなる様々な実施形態では、この装置は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有してもよい。すなわち（ａ）第２の導波路のコアおよびクラッドのうちの少なくとも１つが、第１の導波路のコアおよびクラッドでの材料とは異なる材料を含み、（ｂ）基板が第１の導波路のクラッドを形成する。
【０００９】
別の実施形態によれば、（ｉ）基板と、（ｉｉ）基板上に支持されており、少なくとも１つのアクティブ光素子を有する光信号処理（ＯＳＰ）回路と、（ｉｉｉ）アクティブ光素子に光学的に結合された第１の光導波路と、（ｉｖ）第２の光導波路の１つまたは複数の導波路モード間での光パワー、および導波路格子によって形成され、導波路格子に加えられる光ビームを伝達するように構成された導波路格子を有する第２の光導波路と、（ｖ）エバネッセント場を介してのみ第１の導波路と第２の導波路を結合する光結合器とを有する、光集積回路（ＰＩＣ）が提供される。第２の光導波路は、第２の光導波路のコアが、第１の距離から、互いに異なる第２の距離へと、基板に対するオフセット距離を徐々に変化させるオフセット移行領域を有する。
【００１０】
さらに別の実施形態では、（Ａ）くさび状部分をもつクラッド層を有する第１の光導波路を上部に有する基板を設けるステップと、（Ｂ）くさび状部分および第１の導波路のクラッドの露出部分に、第２の光導波路のコアを形成するステップと、（Ｃ）第２の光導波路のコアに一連の空洞を形成して、その内部に導波路格子を画定するステップとを有する、光デバイスを製造する方法が提供される。
【００１１】
さらなる様々な実施形態では、この方法は、基板上にＯＳＰ回路を形成する追加のステップを含んでもよく、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。すなわち、（ａ）第１の光導波路は、ＯＳＰ回路に光学的に結合されている。（ｂ）ＯＳＰ回路は、少なくとも１つのアクティブ光素子を備える。（ｃ）第１および第２の光導波路、導波路格子、ならびにＯＳＰ回路は、基板上に形成された光集積回路（ＰＩＣ）の部品である。（ｄ）第１の光導波路のコアは、３成分、４成分、または５成分のＩＩＩ−Ｖ族の合金を含む。（ｅ）第１の導波路のクラッドは、２成分のＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む。（ｆ）第２の導波路のコアはケイ素を含む。（ｇ）くさび状部分は酸化ケイ素を含む。また（ｈ）指定された動作波長において、導波路格子と、第１の光導波路のクラッドと第２の導波路のクラッドの界面との間のオフセット距離は、（ｉ）導波路格子によって回折されて界面に向かい、次いでこの界面で反射されて戻る前記波長の光と、（ｉｉ）反射された光の伝搬方向と同一線上の方向で導波路格子によって回折された前記波長の光との間の干渉を強め合うように選択される。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の他の態様、特徴、および利点は、一例として以下の詳細な説明および添付の図面から、より完全に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による光集積回路（ＰＩＣ）上面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による、図１のＰＩＣで使用することができる光結合器の側断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による、図１のＰＩＣで使用することができる光結合器の側断面図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による、図１のＰＩＣで使用することができる光結合器の側断面図である。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、図２に示した光結合器の導波路格子で使用することができる代表的な２つのパターンの上面図である。
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、図２に示した光結合器の導波路格子で使用することができる代表的な２つのパターンの上面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図２の光結合器を製造するのに使用することができる製造方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態による光集積回路（ＰＩＣ）１００の上面図を示す。ＰＩＣ１００は、実質的に平坦なモノリシック・デバイスであり、その横方向の寸法（たとえば、図１の平面内の寸法）は、横断寸法（たとえば、図１の平面に垂直な軸に沿った高さまたは厚さ）よりも著しく大きい。ＰＩＣ１００は、２つの光結合器１１０ａ〜ｂ、および、光信号処理（ＯＳＰ）部分または回路１２０を有するとして例示的に示してあるが、互いに異なる数の光結合器および／またはＯＳＰ部分を有するＰＩＣも実現可能である。典型的な実施形態では、結合器１１０ａ〜ｂおよびＯＳＰ部分１２０は、共通の基板１２０上に実装され、この基板によって支持される。
【００１５】
ＰＩＣ１００の代表的な構成では、図１の平面に対してほぼ垂直に配向された第１の外部光ファイバ（明示せず）が、光の無誘導（ｕｎｇｕｉｄｅｄ）入力ビームを結合器１１０ａに加える。本明細書では、用語「無誘導」は、オンチップ導波路または光ファイバなどの光誘導構造体によって横方向に閉じ込められていない光ビームを指す。外部光ファイバの先端と結合器１１０ａの間の有限の空間分離により、結合器に当たる光ビームは無誘導の光ビームである。結合器１１０ａは、導波路のテーパ１１２ａを介して、受光した光ビームの光を平面導波路１１８ａに結合する。次いで、導波路１１８ａは、結合された光をＯＳＰ部分１２０に供給する。ＯＳＰ部分１２０は、内部に配置された１つまたは複数の光素子を使用して光を処理し、結果として生じる光を平面導波路１１８ｂに加え、次いで、この導波路が、導波路のテーパ１１２ｂを介して、この光を結合器１１０ｂに送る。結合器１１０ｂが無誘導出力光ビームを形成し、このビームが、図１の平面に対してほぼ垂直に配向された第２の外部光ファイバ（明示せず）に結合される。
【００１６】
機構的に、結合器１１０は、エバネッセント結合器１３０、オフセット移行領域１２６、および導波路格子１４０を備える。エバネッセント結合器１３０は、導波路のテーパ１１２と結合器１１０の内部要素である第２の導波路（図１では明示せず）との間で光を結合する。オフセット移行領域１２６は、エバネッセント結合器１３０の各縁部のうちの１つでエバネッセント結合を徐々に減少させる働きをする。導波路格子１４０は、第２の導波路の１つまたは複数の導波路モード間での光パワー、および導波路格子によって形成され、または導波路格子に加えられる無誘導光ビームを伝達する働きをする。エバネッセント結合器１３０、オフセット移行領域１２６、および導波路格子１４０の代表的な実施形態を、図２および図３を参照しながら以下でより詳細に説明する。
【００１７】
代表的な一実施形態では、ＯＳＰ部分１２０は、半導体光増幅器、レーザ・ダイオード、および／または光変調器など、１つまたは複数のアクティブ光構成部品を備える。従来技術で知られているように、２成分のＩＩＩ−Ｖ族成分、および／または３成分、４成分、もしくは５成分のＩＩＩ−Ｖ族の合金など、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料を使用して、これら１つまたは複数のアクティブ光構成部品が実装される。ＩＩＩ−Ｖ族の半導体化合物および合金により、アクティブ光構成部品実装において、よく知られた利点がもたらされるが、コア材料とクラッド材料の間の適度な屈折率のコントラストを実現できるだけである。たとえば、ＩｎＰプラットフォーム技術では、コア材料およびクラッド材料の屈折率は、それぞれ約３．５および３．１７であり、約０．０９の屈折率のコントラストが生じる。従来技術の光結合器の設計を使用して、光結合器１１０ａ〜ｂを実装する場合、不利なことに、光結合効率が相対的に低くなり、または、製造プロセスが複雑および／もしくは高価になりすぎ、またはその両方になるはずである。対照的に、有利には、光結合器１１０は相対的光結合効率が高いが（たとえば、約３５％を超える）、工業規模で製造することが相対的に容易である。
【００１８】
図２Ａ〜Ｃは、本発明の一実施形態による光結合器１１０として使用することができる光結合器２００の側断面図を示す。より具体的には、図２Ａは、結合器２００の完全な側断面図を示す。図２Ｂは、結合器２００内の導波路２１０と２２０の間で光をエバネッセント結合するための構造体２３０の拡大された側断面図を示す。図２Ｃは、結合器２００で使用される導波路格子２４０の拡大された側断面図を示す。以下に続く説明では、対応するＰＩＣからの光を結合する処理に関して、結合器２００の動作が例示的に説明してある。この説明から、ＰＩＣに光を結合する処理における結合器２００の動作を、当業者は容易に理解しよう。
【００１９】
光結合器２００は、構造体２３０を介して互いにエバネッセント結合された２つの導波路２１０および２２０を有する（図２Ａおよび２Ｂ参照）。導波路２１０は、たとえば図１に示すように、対応するＰＩＣのＯＳＰ部分に光学的に結合し、そこからの光を受光するように構成されている。機構的に、導波路２１０は、（ｉ）高屈折率材料のコア層２０４と、（ｉｉ）コア層に隣接する低屈折率材料の２つのクラッド層２０２および２０６とを備える。一実施形態では、クラッド層２０２は基板層であり、この基板層はまた、ＰＩＣのＯＳＰ部分用の基板として働き、ＰＩＣ１００の基板１０２（図１）に類似している。基板２０２およびクラッド層２０６用の例示的な材料は、ＩｎＰ、ＧａＰ、サファイヤ、ＩｎＡｓ、およびＧａＡｓである。基板２０２およびクラッド層２０６は、同じ材料または異なる材料から作製できることに留意されたい。コア層２０４用の例示的な材料は、３成分のＧａＩｎＡｓ、４成分のＧａＩｎＡｓＰ、および４成分のＡｌＧａＩｎＡｓである。
【００２０】
導波路２２０は、（ｉ）高屈折率材料のコア層２１４と、（ｉｉ）低屈折率材料の２つのクラッド層２１２および２１６とを有する。コア層２１４用の例示的な材料は、アモルファス・シリコンおよび多結晶シリコンである。クラッド層２１２／２１６用の例示的な材料は、酸化ケイ素および酸窒化ケイ素である。基板２０２およびクラッド層２０６と同様に、クラッド層２１２／２１６は、同じ材料または異なる材料から作製できることに留意されたい。
【００２１】
導波路２２０は、オフセット移行領域２２６を有し、導波路２１０のコア層２０４と導波路２２０のコア層２１４との間の垂直分離が一定ではない。本明細書において、用語「垂直」はＺ座標軸を指し、基板、たとえば基板１０２（図１）または基板２０２（図２）の主平面によって画定されたＰＩＣの主（ＸＹ）平面に直交している。コア層２１４の第１の部分２１４１は、クラッド層２０６に直接隣接しており、ＸＹ平面にほぼ平行である（図２Ｂ参照）。コア層２１４の第２の部分２１４２は、ＸＹ平面に対してある角度で配向されており、これにより、コア層２０４と２１４の間の垂直分離が、部分２１４２の左側から右側に徐々に増大することになる（図２Ａ参照）。典型的な実施形態では、部分２１４２とＸＹ平面の間の角度は、約３度よりも大きい。コア層２１４の第３の部分２１４３は、ＸＹ平面にほぼ平行であり、コア層２１４内に画定された導波路格子２４０に接続されている（図２Ａおよび図２Ｃ参照）。
【００２２】
図２Ｂを参照すると、コア層部分２１４１、ならびにクラッド層２０６およびコア層２０４の下側部分が構造体２３０を形成する。様々な成分層の厚さや屈折率など、導波路２１０および２２０の様々なパラメータを選択して、伝搬定数に関して構造体２３０内で２つの導波路をマッチングさせることができる。導波路２１０および２２０が実質的に等しい伝搬定数を有する場合、構造体２３０内のコア層２０４と２１４の間のエバネッセント光結合により、ある導波路内に初めに閉じ込められた光エネルギーが、式（１）で表される距離（Ａ）にわたって、もう一方の導波路へと実質的に完全に伝達されることになる。
【００２３】
【数１】
0005559358.tif 000002
ここで、βｅおよびβｏは、マッチした導波路の、それぞれ偶数および奇数の伝搬定数である。
【００２４】
次に、（たとえば、図１のＯＳＰ部分１２０から受信された）光信号が、初めに導波路２１０内に閉じ込められており、図２Ａの左側から構造体２３０に向けて伝搬するものと仮定する。構造体２３０のＸ寸法（図２ＢにＬで示す）が（２ｍ＋１）Λになるように選択され、ｍがゼロまたは正の整数である場合、図２Ａおよび２Ｂでの構造体２３０の右側では、光信号が導波路２２０内に主に閉じ込められる。光信号がコア層部分２１４２に入るとき、コア層２０４と２１４の間の分離が増大することにより、導波路２１０と２２０の間のエバネッセント結合が乱れ、その後、光信号が導波路２２０内に閉じ込められたままになる。
【００２５】
ｍ値が正の場合、光信号のエネルギーが、構造体２３０の導波路２１０と２２０の間で空間的にｍ回振動した後に、導波路２２０が、導波路２１０から十分に分離されて、構造体の右側での導波路間のエバネッセント結合を乱すことに留意されたい。本明細書では、用語「１つの空間振動」は、たとえば、導波路２１０に主に閉じ込められている状態から、導波路２２０に主に閉じ込められている状態へと移り、次いで導波路２１０に戻る、光パワー分配を変化させる空間処理を指す。パワー再配分処理を区切るのに使用できる代表的な閾値は、たとえば、構造体２３０の横断面（ＹＺ）内に含まれる光パワー全体の８０％である。この閾値を使用して、導波路のうちの１つに対応する（１つまたは複数の）導波路モードが、横断面内の光パワー全体の約８０％を含むとき、光パワーは、主にその導波路に閉じ込められると言える。
【００２６】
導波路２２０のコア層部分２１４２および２１４３が、構造体２３０から導波路格子２４０に光信号を送る。代表的な実施形態では、１次元または２次元のパターンを形成するために、導波路格子２４０が、複数の空洞、柱、および／または、コア層２１４の上面にエッチングされ、もしくはそれに形成される孔を備える（図２Ａおよび図２Ｃを参照）。このパターンにより、光信号のパワーが、正負両方のＺ方向に、導波路格子２４０から垂直に回析するようになる。導波路格子２４０として使用できる代表的な格子が、たとえば、上記で引用した米国特許第７，０６５，２７２号に開示されている。
【００２７】
例示的な一実施形態では、コア層２１４はケイ素で作製され、クラッド層２１２／２１６は酸化ケイ素で作製される。この材料の組合せにより、導波路格子２４０は、コアと、上部および下部のクラッド層の両方との間の屈折率のコントラストを相対的に高くすることができ、たとえば、コアの屈折率およびクラッドの屈折率がそれぞれ約３．５および１．５において約０．５７である。すでに前述の通り、屈折率のコントラストが高いと、導波路格子２４０が、導波路２２０の導波路モード間での効率的なエネルギー伝達をもたらし、導波路格子によって形成され、またはそれが受光する無誘導の垂直光信号をもたらすことができるという点で有利である。すなわち、相対的に「強い」格子を利用して、相対的に短い距離、たとえばファイバ・モード幅に等しい距離で光の多くを回析させ、これは、たとえば上部クラッドの屈折率をコアの屈折率に対して非常に低くすることによって実現する。このような「強い」格子により、コアの実効屈折率が低下し、したがって、依然として格子領域内のコアによって誘導される光に対しては、コアの屈折率に対して屈折率が非常に低い下部クラッドが実装される。
【００２８】
導波路格子２４０によって負のＺ方向に回析された光は、クラッド層２０６と２１２の間の界面２１１に当たり、この界面で部分的に反射される（図２Ａおよび図２Ｃ参照）。次いで、この反射光は、導波路格子２４０によって正のＺ方向に回析された光に干渉する。一実施形態では、導波路格子２４０の下のクラッド層２１２の厚さは、界面２１１から反射される光が、導波路格子によって正のＺ方向に回折された光と強め合うように干渉するよう選択される。強め合うように干渉することは、光結合器２００を有するＰＩＣと、導波路格子２４０の近くの結合器の（図２Ａの投影図では）上側の隣に配置された外部光ファイバとの間の結合効率が改善するという点で有利である。
【００２９】
式（２）は、（ｉ）導波路格子２４０の下のクラッド層２１２の厚さ、および（ｉｉ）導波路格子のある種のパラメータを選択するための指針を示している。
【００３０】
【数２】
0005559358.tif 000003
ここで、Ｌｓおよびｎｓは、それぞれクラッド層２１２の厚さおよび屈折率であり、Ｌｅｆｆは、界面２１１と導波路格子２４０の間の実効距離であり、ｎｇは、導波路格子２４０内のコア層２１４の屈折率であり、λは光の波長であり、ｐは正の整数である。ＬｓおよびＬｅｆｆに対応する寸法が図２Ｃに示してある。
【００３１】
空洞、溝、または孔の対応する適切なパターンを使用することにより、選択された任意の波長または範囲または波長に対して、格子２４０のエネルギー伝達効率を最適化することができる。たとえば、上記引用した米国特許第７，０６５，２７２号では、波長が約１５００ｎｍから約１６００ｎｍの間の光を効率的に結合するために使用することができるパターンが開示されている。他の波長を効率的に結合するのに適した導波路格子を得るために、たとえば、格子内の空洞の周期性を適切に変更することにより、開示されたパターンを修正できることが当業者には理解されよう。
【００３２】
図３Ａ〜図３Ｂには、本発明のいくつかの実施形態による導波路格子２４０で使用することができる、パターン３４０および３５０の上面図が示してある。パターン３４０（図３Ａ）は、長方形の構成で列をなして配置された複数の孔３４４を含む。パターン３５０（図３Ｂ）は、複数の平行溝３５４を含む。Ｘ方向に沿った各パターンのピッチはほぼλ／ｎであり、ここで、ｎは格子材料の屈折率である。一実施形態では、孔３４４および溝３５４の深さは、約１００ｎｍから約２００ｎｍの間である。孔３４４の直径および溝３５４の幅は、ピッチの約４０％から６０％の間である。
【００３３】
導波路格子パターン３５０（図３Ｂ）を有する光結合器２００（図２Ａ）の数値シミュレーションにより、光結合器は、導波路２１０と外部光ファイバの間の結合効率を約３５％で実現できることが示してある。数値シミュレーションで使用される光結合器の様々な構成部品の代表的な特性は以下の通りである、すなわち（ｉ）屈折率が約３．３８８で厚さが約２００ｎｍのＧａＩｎＡｓＰコア層２０４、（ｉｉ）屈折率が約３．１７のＩｎＰクラッド層２０２／２０６、（ｉｉｉ）屈折率が約３．４８で厚さが約４００ｎｍのアモルファス・シリコンコア層２１４、および（ｉｖ）屈折率が約１．５８の酸化ケイ素クラッド層２１２／２１６である。構造体２３０内のコア層２０４と２１４の間の垂直分離は２００ｎｍであり、この結果としてハーフビート距離Λが約１０．５μｍになる（やはり式（１）参照）。導波路格子２４０の下のクラッド層２１２の厚さは約７００ｎｍである。
【００３４】
図４は、本発明の一実施形態による、光結合器２００を製造するのに使用することができる製造方法４００の流れ図を示す。以下の説明から分かるように、方法４００は、大量工業生産に容易に適用可能である。対照的に、光結合器２００の結合効率に相当する結合効率を有する光結合器を製造するための通常の従来技術の方法は多少複雑であり、大量工業生産には適していないが、それというのも、たとえば、一方がＰＩＣのアクティブ部分に対応し、もう一方が導波路格子に対応する、別々の前処理された２枚のウェーハをフリップチップ・ボンディングするステップを必要とするからである。
【００３５】
方法４００のステップ４０２において、導波路２１０は、（ｉ）基板２０２上にコア層２０４を析出すなわち成長させるステップと、（ｉｉ）リソグラフィ法を使用してコア層２０４をパターン付けおよびエッチングして、導波路２１０用の所望のフットプリント・レイアウトを形成するステップと、（ｉｉｉ）コア層２０４および基板２０２上にクラッド層２０６を析出すなわち成長させるステップとによって形成される（図２Ａ参照）。サブステップ（ｉｉ）の処理は、少なくとも部分的にはステップ４１０と同時に実行できることに留意されたい。
【００３６】
ステップ４０４において、くさび状のクラッド層２１２がクラッド層２０６上に形成される（図２Ａ参照）。ステップ４０４の第１のサブステップにおいて、最初のクラッド層２１２がクラッド層２０６上に析出すなわち成長し、その結果、この層は、初期の結合器の幅全体、たとえば図２Ａの左側から右側にわたって延在する。ステップ４０４の第２のサブステップにおいて、コア層部分２１４３および導波路格子２４０に対応するクラッド層２１２の一部分のマスキングがとられ、結果として生じる構造体にウェット・エッチング・プロセスが施される。酸化ケイ素（クラッド層２１２を実装するための典型的な材料）はアモルファス材料なので、実質的に等方にエッチングされ、それにより、マスクの縁部近くで自然に傾斜した壁を形成する。この傾斜した壁が、図２Ａのコア層部分２１４２の下に配置されたクラッド層２１２のくさび状の部分になる。くさびの角度は、垂直のエッチング速度および横方向のエッチング速度の関数であり、その両方が、エッチング液の化学組成およびウェット・エッチングを実行する温度によって制御される。クラッド層２０６は、構造体のマスクされていない部分でのエッチング・ストップの役割を果たす。ウェット・エッチングが完了した後、マスクを取り除く。
【００３７】
ステップ４０６において、コア層２１４が、くさび状のクラッド層２１２およびクラッド層２０６の露出部分全体に析出する。ステップ４０６における適切な析出法は、プラズマ促進化学気相成長法または電子ビーム蒸着である。コア層２１４の垂直プロファイルは、一般に、そのベース層すなわちクラッド層２１２および２０６のトポロジに一致する。次いで、析出したコア層２１４は、パターン付けされ、リソグラフィ法を使用してエッチングされて、導波路２２０およびエバネッセント結合器２３０用の所望のフットプリント・レイアウトを形成する。
【００３８】
ステップ４０８において、ステップ４０６で生成されるコア層２１４が、パターン付けされ、導波路格子２４０に対応する部分でエッチングされて、空洞、孔、および／または格子を画定する溝を形成する。
【００３９】
ステップ４１０において、クラッド層２１６は、ステップ４０８で生成される構造体全体に析出する。クラッド層２１６の外面が研磨され、場合によっては反射防止コーティングで覆われて、図２Ａに示す光結合器２００の最終構造体を作製する。
【００４０】
本明細書で使用される場合、用語「屈折率のコントラスト」は、コアの屈折率とクラッドの屈折率の間の差をコアの屈折率で除算することによって得られる値を指す。
【００４１】
本発明は、他の具体的な装置および／または方法で実施してもよい。上記実施形態は、その全ての態様において例示的なものに過ぎず、限定的なものではないと考えるべきである。具体的には、本発明の範囲は、本明細書における説明および図によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示してある。特許請求の範囲の均等性の意味および範囲内にある全ての変更は、その範囲内に含まれるものとする。たとえば、実質的に平面の受信機カードまたは回路として実施することを含め、対応するモノリシックＰＩＣとして様々な光デバイスを実施することができる。
【００４２】
説明および図面は、本発明の原理を単に例示するに過ぎない。したがって、本明細書では、明瞭に説明したり図示したりしないが、本発明の原理を実施し、本発明の趣旨およびその範囲内に含まれる様々な構成を、当業者であれば考案することができることが理解されよう。さらに、本明細書に記載した全ての例は、主に、本発明の原理、および技術の進歩に対して（１人または複数人の）発明者が貢献する概念を読者が理解する助けとなるための教育的目的となることのみが明確に意図されており、具体的に記載したそれらの例および条件に限定されることなく解釈されるべきである。さらに、本発明の原理、態様および実施形態、ならびにその具体的な例を説明する、本明細書における全ての記述は、その均等物を含むものである。
【００４３】
明瞭に別段の記載がない限り、用語「約」または「ほぼ」が、値または範囲に前置された場合と同様に、各数値および各範囲は概算値であると解釈すべきである。
【００４４】
本発明の本質を説明するために説明し図示してきた各部品の詳細、材料、および構成には、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な変更を加えてもよいことがさらに理解されよう。
【００４５】
以下の方法クレームの各要素は、もしあれば、対応するラベリングとともに特定の順序で記載されているが、特許請求の範囲の記載がそれらの要素の一部または全てを実施するための特定の順序を示唆していない場合、それらの要素は、必ずしもその特定の順序において実施されるように限定されるものではない。
【００４６】
本明細書において「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「ある実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という場合、その実施形態に関して記述された具体的な特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを意味する。本明細書の様々な場所で「一実施形態では（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という語句が現れるが、必ずしも全てが同じ実施形態を指すものではなく、または他の実施形態を必然的に相互に排除する別個または代替の実施形態でもない。同じことが「実装形態」という用語にも当てはまる。
【００４７】
詳細な説明全体を通して、各図面は、縮尺通りではなく、例示的なものに過ぎず、本発明を限定するためではなく、説明するために使用される。高さ、長さ、幅、上部、下部などの用語の使用は、もっぱら本発明の説明を容易にするためのものであり、本発明を特定の方向付けに限定するものではない。たとえば、高さは、垂直方向の立上がりに限定することだけを意味するのではなく、各図に示した３次元構造体の３つの次元のうち１つの次元を識別するのに使用される。このような「高さ」は、各電極が水平の場合には垂直であるが、各電極が垂直である場合などには水平である。同様に、全ての図には、様々な層が水平の層として示してあるが、このような向きは説明する目的のためであり、限定するものと解釈すべきではない。
【００４８】
またこの説明の目的にために。用語「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」、「結合している（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ）」、「接続している（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、当技術分野で知られている、または後に開発される任意の方式を指し、ここでは、２つ以上の要素間でエネルギーを伝達することができ、１つまたは複数の追加要素の挿入が企図されているが、それが必要とされるわけではない。逆に言えば、用語「直接結合された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直接接続された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」などは、このような追加要素がないことを意味している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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