(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバとチップを結合する方法であって、
前記光ファイバの端面を、前記光ファイバの前記端面上にダングリングボンドを作るためにプラズマで活性化することと、
前記光ファイバの端面と前記チップの表面を前記ダングリングボンドの助けによって結合すること、
を備える、光ファイバとチップを結合する方法。
【請求項２】
前記プラズマが酸素、水素、窒素、アンモニアまたはアルゴンを含む気体種から生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記活性化することが、反応性イオンエッチングのプラズマまたは前記気体種から生成されるマイクロ波ラジカルを用いて行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記活性化することの前に、前記光ファイバの前記端面の一部分を面取りすることをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記結合することの前に、前記光ファイバの前記端面の前記面取り部分を前記プラズマで活性化することをさらに備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記結合することが、前記光ファイバの端面の原子と前記チップの表面の原子を共有結合させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記接続することの前に、前記チップの前記表面を、前記チップの前記表面にダングリングボンドを作るためにプラズマで活性化すること、をさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記共有結合される前記光ファイバの端面の原子と前記チップの表面の原子はそれぞれシリコン原子を含む、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記チップを少なくとも摂氏２００度の温度で焼なましすることをさらに備え、前記焼なましすることが前記結合することの後に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記面取りされた前記光ファイバの端面と整合するように、前記チップの前記表面の一部を面取りすることをさらに備える、請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記結合することの前に、前記チップの前記面取りされた表面を、前記プラズマで予め活性化する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記接続することが、前記活性化することから２時間以内に開始する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
光ファイバとフォトニック集積チップを結合する方法であって、
前記光ファイバの端面を、プラズマで活性化することと、
前記光ファイバの端面が前記プラズマにより活性化された状態のまま、前記光ファイバの前記端面と前記フォトニック集積チップが備える光導波路の表面とを結合すること、
を備える、光ファイバとフォトニック集積チップを結合する方法。
【請求項１４】
前記光ファイバが、逆テーパを用いて前記光導波路に結合される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
光ファイバとフォトニック集積チップを結合する方法であって、
前記光ファイバの端面の一部分を面取りすることと、
その後に、前記光ファイバの前記面取りされた端面を、プラズマで活性化することと、
その後に、前記光ファイバの前記面取りされた端面と前記フォトニック集積チップが備える光導波路の表面とを結合することと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記プラズマで活性化することの前に、前記光導波路の前記表面の近傍の前記フォトニック集積チップの表面の一部を面取りすることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
光ファイバとフォトニック集積チップを結合する方法であって、
前記光ファイバの端面を、プラズマで活性化することと、
プラズマで活性化した前記光ファイバの前記端面と前記フォトニック集積チップが備える光導波路の表面とを結合すること、
を備え、
前記結合することが、前記光ファイバの端面の原子と前記光導波路の表面の原子を共有結合させることを含む、方法。
【請求項１８】
前記共有結合される前記光ファイバの端面の原子と前記光導波路の表面の原子はそれぞれシリコン原子を含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記焼なましすることは、前記光ファイバの端面と前記チップの表面の結合部分の気密封止を改善することを含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、チップ間通信およびチップ内通信のための光インターコネクトに関し、具体的には、光ファイバとシリコンベースのフォトニック集積チップとの間において気密封止された接続を形成する方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
光伝送は、別個の集積回路チップの間（チップ間接続）および同じチップ上の部品の範囲内（チップ内接続）における通信手段として用いられる場合がある。光インターコネクトを介するチップ間通信では、回路基板上の各チップは、インターフェースとして送受信用光電子チップを用い、２つの光電子チップは、平面誘電体導波路または光ファイバを介して接続される。同様に、光導波路は、光集積源と検出器との間など、チップ内の部品を接続するために用いられ得る。光集積導波路は、誘電体基板、例えば、酸化物被覆シリコン基板の上または内部にリソグラフィー処理を用いて形成される光学経路である。導波路は、光信号を導波路に沿って案内するためにチップ基板よりも高い屈折率を有する無機結晶または半導体材料から作られ得る。
【０００３】
シングルモードファイバを光集積導波路に結合すること（そして逆も同じ）は、半導体フォトニックのパッケージングにおいて最も費用と時間がかかる製造プロセスのうちの１つである。この結合の問題に対しては、横方向の逆テーパ構造または垂直方向の回折格子構造を用いることを含めて、様々なソリューションが提案されている。
【０００４】
別の課題は、フォトニック集積チップに接続されるファイバまたはワイヤを気密封止することである。なぜなら、フォトニック素子の性能は、湿気や汚染物質などの環境条件により悪影響を受ける場合があるためである。したがって、チップにあるフォトニック素子を環境から分離することが、設計上の課題である。図１Ａは、光ファイバ１１０にフィードスルー１２０を介して接続された従来型のフォトニック集積チップパッケージ１００を示している。フィードスルー１２０は、ファイバ１１０とチップパッケージ１００との間に気密封止を提供する。図１Ｂは、気密ファイバフィードスルー１２０の断面図を示している。フィードスルー１２０は、光ファイバ１１０の端の被覆除去部分１３０を収容している。光ファイバ１１０の端の被覆除去部分１３０は、ホウ酸鉛ガラスなどのガラスはんだ１４０材料に取り囲まれている。ガラスはんだ１４０は、ガラススリーブ１５０とファイバ１１０との間に積層され、それによって、ファイバ１１０とガラススリーブ１５０との間にポロシティのほとんどない結合を形成する。ガラススリーブ１５０は、ホウ酸鉛ガラスなどのガラスはんだ１６０材料によって包まれ、さらにこれは外側スリーブ１７０によって取り囲まれる。外側スリーブ１７０は、金属、金属合金、セラミック、またはガラスから作られる。気密封止されたファイバ１１０の端面１８０は、フォトニック集積チップパッケージ１００に結合される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来型の方法は、費用がかかり、大量生産に対応していない。光ファイバをフォトニック集積チップに気密封止するための改良された方法が必要とされている。この方法は、廉価であり、かつ過酷な周囲条件下における高い信頼性を備える気密封止された接続を提供する必要がある。加えて、この方法は、大量生産プロセスおよび低いプロセス温度に対応する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】従来型の気密封止されたファイバ‐チップ間接続を示す図である。
【図１Ｂ】従来型の気密封止されたファイバ‐チップ間接続を示す図である。
【図２】開示された実施形態による光デバイスを示す上面図である。
【図３Ａ】開示された実施形態による光ファイバを示す上面図である。
【図３Ｂ】開示された実施形態による光ファイバを示す断面図である。
【図３Ｃ】開示された実施形態による光デバイスを示す別の断面図である。
【図４Ａ】開示された実施形態によるフォトニック集積チップを示す上面図である。
【図４Ｂ】開示された実施形態によるフォトニック集積チップを示す断面図である。
【図５】開示された実施形態による光集積デバイス製造プロセスを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照する。この図面には、例として、実施され得る具体的な実施形態が示されている。図面全体を通じて、類似の参照番号は類似の要素を表すことを理解されたい。これらの実施形態は、当業者がこれらを製作したり使用したりし得るように十分に詳しく説明され、開示された具体的な実施形態に関しては、これらの一部のみが以下に詳述されるに過ぎず、構造的な変更、材料の変更、電気的変更、および手順に関する変更がなされ得ることを理解されたい。
【０００８】
本明細書では、光ファイバを、例えば、フォトニック集積チップと結合するために準備する方法が説明される。方法は、光ファイバの端面をプラズマで活性化して、光ファイバの端面上にダングリングボンドを作るステップを含み、これによって、ダングリングボンドは、フォトニック集積チップの表面との結合を助ける。さらに光デバイス製造プロセスが説明され、これは、少なくとも１つの光ファイバの端面を、酸素、窒素、アルゴン、水素またはアンモニアを含む気体種から作られるプラズマで予め活性化するステップと、少なくとも１つの光ファイバの予め活性化された端面を、例えば、フォトニック集積チップに接続するステップとを含む。開示される方法は、気密封止されたファイバ‐チップ間接続を有する光集積デバイスを製造するために用いられ得る。
【０００９】
図２は、開示された実施形態による光デバイス２６０の上面図である。光デバイス２６０は、光ファイバアセンブリ３００に結合されたフォトニック集積チップ２００を有する。光デバイス２６０は、導波路、光増幅器、変調器、フィルタ、光源および検出器などのフォトニック素子２７０を用いて、複数のフォトニック機能をフォトニック集積チップ２００上に統合している。チップ２００は、光集積源と検出器との間などの複数のフォトニック素子２７０を互いに接続するために用いられ得る、光導波路２３０を有する。光導波路２３０はまた、図２に示されるように、フォトニック素子２７０を光ファイバアセンブリ３００に接続するために用いられ得る。
【００１０】
光デバイス２６０は、チップ２００の側面２４０上に配置される気密封止されたファイバ‐チップ間接続２５０を有する。自己整合機械的インターフェース２８０が用いられて、逆テーパ結合を用いるファイバ３００‐チップ間接続２５０の案内を助けるが、その他の既知の結合機構が用いられてもよい。図２に示されるように、例えば、チップ２００の側面２４０上に配置される自己整合機械的インターフェース２８０は、４２０ａおよび４２０ｂで面取りされて、ファイバアセンブリ３００の面取り端面３１０と機械的に整合される。図２は、面取り面を有するファイバ‐チップ間接続２５０を示しているが、光ファイバアセンブリ３００が光通信のためにチップ２００上の光導波路２３０に整合され、かつこれに結合する限り、ファイバ‐チップ間接続２５０は、任意の好適な形状および構成に基づき得ることを理解されたい。
【００１１】
図３Ａは、光ファイバアセンブリ３００の上面図である。光ファイバアセンブリ３００は、コア２２０よりも低い屈折率を有するクラッド２１０材料に取り囲まれたコア２２０を有するシングルモードファイバであり得る。この実施形態では、コア２２０は、シリカとゲルマニウムとから作られ、クラッド２１０は、二酸化シリコンから作られている。図３Ｂは、光ファイバアセンブリ３００のＡ‐Ａ’における断面図を示している。光ファイバアセンブリ３００の一方の端部は、面取り面３２０ａ、３２０ｂを有する。面取り面３２０ａ、３２０ｂは、図３Ａに示されるように、ファイバコア２２０の中心軸３３０に対して測定される任意の角度α、例えば、４５度を有し得る。面取り面３２０ａ、３２０ｂは、図３Ｃに示されるように、環状であり得る。一般に、あらゆるバッファおよび被覆は、チップ２００との接続前に、端面３１０および面取り面３２０ａ、３２０ｂから除去される。
【００１２】
ファイバアセンブリ３００とチップ２００との間を確実に良好に封止および接着するために、ファイバアセンブリ３００の端面３１０は、酸素または水素を含む気体種から作られるプラズマで予め活性化される。二酸化シリコンのクラッド２１０（図２）とシリコンのコア２２０（図２）がプラズマで活性化されると、ダングリングボンドがファイバアセンブリ３００の端面３１０上に作られる。シリコン原子は、その原子価殻を完全に満たすのに４つの結合を必要とする。結晶シリコンでは、各シリコン原子は、４つの他のシリコン原子に結合されている。しかしながら、シリコンコア２２０の表面では、シリコン原子には、その原子価殻を満たす結合が不足している場合がある。表面２２０のシリコン原子は、３つのシリコン原子にのみ結合されて、ダングリングボンドとしても知られる未結合の原子価結合を１つ残す。二酸化シリコンのクラッド２１０の表面もまた、未結合の原子価結合、すなわち、ダングリングボンドを有するシリコン原子を有する。それらの原子価を満たす十分な電子を獲得するために、端面３１０上にダングリングボンドを有するシリコン原子は、フォトニック集積チップ２００の光導波路２３０の側面２４０（図２）を形成するシリコン原子と共有結合を形成するのに都合がよい。二酸化シリコンおよびシリコンの端面３１０をプラズマで予め活性化して、ダングリングボンドを生成することは、したがって、ファイバアセンブリ３００とフォトニック集積チップ２００との間の非常に堅固な結合を助ける。ファイバアセンブリ３００の端面３１０の全体または一部分が、プラズマで予め活性化され得る。ファイバアセンブリ３００の端面３１０を予め活性化するために用いたプラズマで面取り面３２０ａ、３２０ｂもまた予め活性化され得る。
【００１３】
例えば、窒素、アルゴンおよびアンモニアを含むその他の好適な気体種が、プラズマを作るのに用いられ得る。プラズマは、限定するものではないが、反応性イオンエッチングのプラズマおよび気体種から生成されるマイクロ波ラジカルを含む、任意の好適なプロセス用いて生成され得る。端面３１０をフォトニック集積チップ２００に結合する前に、ファイバアセンブリ３００の端面３１０の表面を活性化することは、接着剤などの中間層も工程も必要とせずに、ファイバアセンブリ３００とチップ２００との間に良好な封止および接着を形成するという利点を有する。
【００１４】
図４Ａは、フォトニック集積チップ２００の上面図である。図４Ｂは、フォトニック集積チップ２００のＢ‐Ｂ’における断面図を示している。チップ２００は、誘電体基板、例えば、酸化物被覆シリコン基板４００上に形成される光導波路２３０を含む。導波路２３０は、フォトニック素子２７０（例えば、光源、検出器など）を別のフォトニック素子に接続する、あるいは、光ファイバ３００と整合されて、光信号を入力光ファイバ３００からチップ上のフォトニック素子に案内する。チップ２００の一方の側２４０は、面取り面４２０ａ、４２０ｂを有する。面取り面４２０ａ、４２０ｂは、ファイバアセンブリ３００上の面取り面３２０ａ、３２０ｂ（図３Ａ）の角度αに対応する角度を有して、予め活性化されたファイバアセンブリ３００の端面３１０が、チップ２００の２つの面取り面４２０ａ、４２０ｂを接続する表面４１０に整合かつ結合するようにする。面取り面４２０ａ、４２０ｂは、図４Ａに示されるように、表面４１０からチップの側面２４０まで測定される高さｄを有する。
【００１５】
図４Ｂは、ファイバ３００がチップ２００に接続する表面４１０の下に延在するシリコン基板４００を示している。しかしながら、例えば、約５０μｍの厚さｈを有し、ＳＭＦ‐２８などのシングルモードファイバの直径が１２５μｍであるシリコン基板４００が複合構造である場合には、ファイバ３００がシリコン基板４００の下に延在し得ることを理解されたい。
【００１６】
予め活性化されたファイバ３００の端面３１０は、ファイバ３００をチップ２００に組み合わせて整合させる任意の従来型の方法の後、気密封止された接続２５０を形成する。図４Ａおよび図４Ｂは、逆テーパ結合を用いてチップに整合された光ファイバアセンブリ３００を示しているが、実施形態は、垂直テーパ結合あるいは任意のその他の好適なファイバのチップへの結合を用いるように修正され得ることを理解されたい。気密封止された接続２５０は、優れた撥水性を呈する。例えば、少なくとも摂氏２００度の温度で少なくとも２時間進められるチップパッケージングに用いられる低温焼なましは、ファイバアセンブリ３００のチップ２００への気密封止をさらに改善し得る。
【００１７】
良好な封止は、ファイバアセンブリ３００の端面３１０を予め活性化するだけで作られ得るが、チップ２００の表面４１０は、ファイバアセンブリ３００の端面３１０を予め活性化するのに用いられるプラズマなどの、酸素、水素、窒素、アルゴンまたはアンモニアを含む気体種に由来するプラズマで予め活性化され得る。予め活性化されたチップ２００の表面４１０のダングリングボンドは、予め活性化されたファイバアセンブリ３００の端面３１０と、一層強固な共有結合を形成する。チップ２００の面取り面４２０ａ、４２０ｂもまた、同じプラズマを用いて予め活性化され得る。
【００１８】
図５は、開示された実施形態による光集積デバイス製造プロセスの流れ図である。示されているプロセスは、少なくとも１つの入力光ファイバをフォトニック集積チップの表面に気密封止する。プロセスのステップ５００において、チップ２００に結合される光ファイバ３００の端面３１０は、例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように面取りされる。ステップ５１０において、ファイバ３００に気密接続されるチップ２００の表面は、例えば、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように面取りされる。ステップ５２０において、ファイバ３００の端面３１０は、プラズマで予め活性化されて、端面３１０上にダングリングボンド（または遊離シリコン結合）を作る。バッチプロセスにおいて複数のファイバ３００がチップ２００に結合されるのであれば、複数のファイバ３００の端面３１０は、同時にプラズマで予め活性化され得る。予め活性化された端面３１０は、チップ２００上の対応する表面４１０に接続される。接続ステップは、ファイバを確実に予め活性化された状態に保つためには、予め活性化するステップから２時間以内などの既定の時間内に開始するべきである。結合プロセスを速めるために、ステップ５３０において、チップ２００の表面４１０はまた、プラズマで予め活性化されて、チップ２００の表面４１０上にダングリングボンドを生成し得る。チップ表面４１０を予め活性化することは、ファイバ３００を予め活性化する前、後または同時に開始し得る。ステップ５４０において、図２に示されるように、予め活性化されたファイバ３００はチップ２００に接続される。ファイバ３００とチップ２００との間に間隙が決して形成されないようにするために、例えば、１．５ＭＰａの圧力を加えてもよい。ステップ５５０において、ファイバ３００がチップ２００に接続された後、チップ２００は、少なくとも摂氏２００度の温度で焼なましされて、ファイバ‐チップ間の封止をさらに増強し得る。
【００１９】
開示された実施形態を詳細に説明してきたが、本発明が開示された実施形態に限定されるものではないことは容易に理解されるはずである。むしろ開示された実施形態は、これまで記載されていない任意の数の変形、変更、置き換えまたは等価な構成を組み込むように修正され得る。
【図１Ａ】
0005965063.tif 000002
【図１Ｂ】
0005965063.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0005965063.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
0005965063.tif 000008
【図４Ｂ】
0005965063.tif 000009
【図５】
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