(57)【要約】  ＳＯＩ構造のＳＯＩ層に形成される相対的に薄型のシリコン導波管の内外に光学結合を提供する配置が、効率的な方法で光学結合を提供するためのＳＯＩ構造内で、レンズ素子と定義された基準面とを含んでいる。導波管への入力は光ファイバ又は光伝送デバイス（レーザ）由来である。同様の結合配置が薄型シリコン導波管と出力ファイバとの間で用いられる（シングルモードファイバ、又はマルチボードファイバのいずれかで）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）構造における上側シリコン層（ＳＯＩ層）に形成された相対的に薄型のシリコン導波管への／からの光学結合を提供する配置において、シリコン基板と、その上の埋め込み酸化膜層と、上側シリコン層（ＳＯＩ層）とを具え、前記薄型シリコン層は、前記ＳＯＩ構造の厚さの一部分を通って形成される深いトレンチに沿った終端面を含むように形成され、前記配置が、
伝搬光信号を前記薄型シリコン導波管の終端面内へ／外へ結合するためのレンズ素子と；
前記ＳＯＩ構造の隣接層間の界面に規定される基準面と；
前記レンズ素子を支持するための基準構造と；
を具え、当該基準構造が前記薄型シリコン導波管と前記レンズ素子との間のアライメントの集束を提供するために前記ＳＯＩ構造に取り付けられることを特徴とする配置。
【請求項２】
請求項１に記載の配置において、当該配置が光伝送デバイスと共に利用され、当該光伝送デバイスが前記ＳＯＩ層を通って前記シリコン基板内に形成される相対的に浅いトレンチ上に配置され、前記基準構造が前記レンズ素子を差し込むための分離した要素を具え、前記基準構造が、前記シリコン導波管の前記終端面を生成するように形成された前記深いトレンチに沿って配置され、当該深いフレンチの幅にかかって、前記レンズ素子と前記薄型シリコン導波管の前記終端面の間に光学アライメントを提供するのに十分な寸法の基準面を具えることを特徴とする配置。
【請求項３】
前記基準構造がシリコン構造を具えることを特徴とする請求項２に記載の配置。
【請求項４】
前記浅いトレンチと深いトレンチが、リアクティブイオンエッチング処理を用いて形成されることを特徴とする請求項２に記載の配置。
【請求項５】
前記配置が、最大の結合効率を提供すべく前記導波管に対する終端面について前記レンズ素子の位置を調整する能動アライメント素子を更に具えることを特徴とする請求項２に記載の配置。
【請求項６】
前記能動アライメント素子が、前記伝搬信号の一部を外部結合すべく前記薄型シリコン導波管の区画に隣接して配置されるタップアウト導波管と、当該タップアウト導波管に沿って伝搬される光信号を受け取り、最大の結合効率が得られるまで前記深いトレンチに沿って前記レンズ素子の位置を調整するための制御信号をそこから生成するように結合される光検出器と、を具えることを特徴とする請求項５に記載の配置。
【請求項７】
請求項１に記載の配置において、当該配置が光ファイバと共に利用され、前記配置が、頂部主要面を具えるアライメントブロックを具え、当該アライメントブロックは、このファイバのコアが前記頂部主要面に整列されるように前記光ファイバを保持するために前記頂部主要面を通して形成されるＶ字溝を有し、このシリコンのアライメントブロックは、前記頂部主要面が前記ＳＯＩ構造に取り付けられ、この光ファイバのコアを前記薄型シリコン導波管の前記終端面に整列させるように、前記ＳＯＩ構造と結合されることを特徴とする配置。
【請求項８】
前記光ファイバが前記薄型シリコン導波管の終端面の中への／外への結合用のレンズ素子としての、レンズ端面を具えることを特徴とする請求項７に記載の配置。
【請求項９】
前記アライメントブロックが、分離したレンズ素子を支持するためのファイバ端面を支持するＶ字溝の終端に形成される深いトレンチを更に具えることを特徴とする請求項７に記載の配置。
【請求項１０】
前記アライメントブロックがシリコンを具えることを特徴とする請求項７に記載の配置。
【請求項１１】
前記相対的に薄型の導波管がミクロン以下の寸法を具えることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項１２】
前記ミクロン以下の寸法の導波管が偏光無依存性結合を提供するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の配置。
【請求項１３】
前記埋め込み酸化膜層が、３ミクロン以下の厚さを具えることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項１４】
前記シリコン基板と前記埋め込み酸化膜層との間の界面が前記アライメント配置用の基準面として用いられることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項１５】
前記結合が、入力光信号と薄型シリコン導波管との間で提供されることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項１６】
前記結合が、薄型シリコン導波管と出力光ファイバとの間で提供されることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
引用文献の相互参照
本出願は、２００６年１月１１日に出願した米国仮特許出願第６０／７５７，９６２号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は薄型（すなわち、ミクロン以下の大きさの）光学導波管の内外への結合を提供する装置に関し、特に、ファイバ又はレンズと、薄型導波管との間に結合を提供するための基準面とレンズ素子の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
外部光源からシリコン導波管まで光を結合する共通の従来技術は、導波管と結合されたファイバ終端との双方で終端ファセットを劈開又は研磨することである。ファイバ終端の例は、これに限定されないが、小さな又は零の劈開／研磨角を有するマルチモード又はシングルモードのファイバ、及び、１．５μｍ程度の小さなスポットサイズを生成する特異形状又はレンズのシングルモードファイバを含んでいる。ファイバ終端は導波管を通じて最大光伝送を与えるように配置され、次いで位置に固定される。反射防止（ＡＲ）膜はファイバ終端及び導波管ファセットの双方で用いられ、フレネル損失を減少させることができる。総ての先行技術の配置において、入出力ポートは導波管に含まれるウェーハダイのエッジファセットで必然的に局在化され、デバイスジオメトリ上の有意な制限（例えば、トポロジ及び／又はサイズ）が、従来技術のエッジ結合の制約を用いることによって課される。
【０００４】
光学結合に関する別の因子は、ＳＯＩベースのオプトエレクトロニクス構成におけるＳＯＩ層内で形成された極度に「薄い」導波管の開発と使用である。本発明において、「薄い」導波管は、およそ約０．５μｍの典型的な幅、及び、およそ約０．１５μｍの典型的な薄さを有すると定義される。過去には、「ナノテーパ」又は「逆テーパ」が、薄型導波管で成功裏に用いられてきた。しかしながら、この成功は研究／開発環境内でのみ示されており、そこには製造条件にわたる注意深い制御が存在している。
【０００５】
従って、従来技術には、利用の際のオプトエレクトロニクス製品の大量生産において、薄型ＳＯＩベースの光学導波管にレーザ又はファイバの永続的な結合を提供する製造可能な高効率光学結合配置の要求が残っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
当該技術分野に残されている要求は本発明によって取り組まれ、本発明は、ＳＯＩ構造の表面のＳＯＩ層に形成される薄型（すなわち、ミクロン以下の大きさの）光学導波管の内外への結合を提供する装置に関し、特に、ファイバ又はレンズと、薄型導波管との間に結合を提供するためのＳＯＩ構造自体の内にある基準面及び関連するレンズ素子の使用に関する。
【０００７】
本発明によると、ＳＯＩ構造内の規定された界面（例えば、シリコン基板と埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層の間の界面のような）は、結合配置用の基準面として利用される。レンズ配置が入力デバイスと導波管の間の結合を提供するために利用されるとともに、薄型導波管はＳＯＩ層内に形成され、ＳＯＩ構造内に形成された側壁で終端する。
【０００８】
本発明の一実施例においては、異なるレンズ素子が光源（ファイバかレーザかのいずれか）と薄型導波管の側壁終端との間に配置される。レンズはＳＯＩ構造にエッチングされたトレンチ内に配置される固定具で把持される。固定具自体は、ＳＯＩベースの基準面に結合する基準面を含んでおり、固定具がトレンチに配置される場合、レンズは薄型導波管とともに光学アライメント内にある。この実施例の「能動アライメント」構成において、導波管終端に結合するレンズ固定具の側方変位は、最大の光学結合が得られるまでトレンチの側方範囲に沿って固定具を動かすことによって調節される。最大の結合が成し遂げらた時点で、永続的な結合とされる。
【０００９】
別の実施例においては、レンズ配置は、レンズファイバ、あるいは集積レンズを具えるレーザのような、光学光源と直接集積されうる。レンズファイバの場合においては、ファイバはまず、ＳＯＩ構造上にマウントされた別のブロック要素（好ましくはシリコンブロック）内に置かれる。シリコンブロックは、薄型導波管との結合を提供するためにコアが所望の位置中にあるようなファイバを支持する精密に配置されたＶ字溝を含むように形成されている。シリコンブロックは不変の結合配置を形成すべくＳＯＩ構造に結合された「フリップチップ」であり、ファイバのコアと薄型導波管との間の光学アライメントのために基板／ＢＯＸ基準面を用いている。
【００１０】
本発明の実施例のいずれかにおいて、薄型導波管に沿って伝搬する取り込まれる信号の一部分はタップオフされ、能動フィードバック信号として用いられ、最大の結合が果たされるまでレーザ／ファイバと薄型導波管の間の配置を調節することができる。更に同一の型のアライメント配置を用いて、薄型導波管に沿って出力ファイバ又はその他の光学出力デバイス（例えば、フォトダイオードのような）に伝搬する信号を取り出すことができる。
【００１１】
本発明の他の、及び更なる実施例及び特徴は、下記の考察の過程を通じて、及び添付図の参照によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
図１は、本発明のファイバの結合配置とレーザの結合配置の双方を含むように形成される例示的なＳＯＩ構造１０の等尺図である。ファイバベースの結合、及び／又は、レーザベースの結合の様々な数を、任意のＳＯＩ構造で用いてもよいと理解されたい。結合のペアは、ここでは考察及び説明の目的のみで示されている。
【００１３】
図示されるように、ＳＯＩ構造はシリコン基板１２と、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層１４と、ミクロン以下の薄さの、単結晶シリコン表面層１６（以降、「ＳＯＩ層１６」とする）とを具えている。ＳＯＩ層１６内にミクロン以下の大きさの導波管を用いることによって、ナノテーパの結合配置が、本質的に独立した極性となるように構成されうることは、本発明の重要な特徴である。すなわち、ＴＥ及びＴＭという光学モードは共に、本質的に同一の結合効果をもって導波管内に結合される。１の例示的な構成（１３１０ｎｍの伝搬波長による使用について）は、約１４０ｎｍの厚さを有するＳＯＩ層１６と、１８０乃至２００ｎｍのナノテーパチップ幅と、を利用している。２．５μｍのモードフィールド直径で結合するレンズシステムを利用することによって、ＴＥ及びＴＭモードは、ほぼ同一の効率（例えば、１ｄＢ未満の偏光依存損失）を有するナノテーパチップに結合される。その他のＳＯＩ層の厚さ及びナノテーパチップ幅（モードフィールド直径内での付随する調整を伴う）を、許容可能な偏光無依存性の性能を果たすように利用してもよいことは理解されたい。光検出器がランダムに分極化した単一モード入力の結合光での固定化した応答を得ることができるので、偏光無依存性結合は、光検出器が光導波管とともに利用されるアプリケーションにとって重要な利点である。
【００１４】
本発明によると、ＳＯＩ構造の隣接層間の選択された界面は基準面として利用され、入力要素（ファイバやレーザのような）と、ＳＯＩ層１６中に形成された相対的に薄型導波管との間のアライメントを提供している。この界面の位置はウェーハごとに大きく変化しないので、好ましくは、シリコン基板１２とＢＯＸ１４との間の界面は、基準面と定義される（これ以降、基準面１３と指定する）。基準面としてこの界面を用いて、基準面１３とＳＯＩ層１６内の薄型導波管の位置との間の距離を特定することができ、本質的に不変である。しかしながら、ＳＯＩ層１６の頂部そのものなど、この構造内の隣接層間のどの界面を、「基準面」として用いてもよいことを理解されたい。更に、その他の層が処理中にＳＯＩ構造に加えられた場合（例えば、ＣＭＯＳ層間の誘電層のような）、これらの層間の界面はいずれも基準面として用いることができる。
【００１５】
図１によると、光ファイバ１８はＳＯＩ構造１０の厚さを通じて形成されるトレンチ２０内に配置されるように示されている。本例においては、光ファイバ１８は光ファイバ１８とＳＯＩ層１６内に形成された薄型導波管との間の結合効率を改善するレンズ端面１９を含んでいる。ファイバ１８のレンズ端面１９と薄型導波管２２との間のアライメントは、ＳＯＩ構造上にあるファイバ保持固定具（この図では図示せず）によって提供され、基準面１３を用いて、アライメントを提供するのに要求される大きさを決定する。図２乃至図５に関連して、ファイバ保持固定具の特定の態様が以降に図示され、説明される。
【００１６】
図１に更に示されているのは、ＳＯＩ構造１０内に形成された相対的に薄い溝２６上に配置されたレーザ光源２４である。レンズ素子２８はレーザ光源２４の出力と薄型導波管２２の間に配置され、薄型導波管２２へのレーザの出力信号の高効率結合を提供している。本発明によると、レンズ固定具２８は、薄い溝２６と導波管終端側壁３２との間に形成される比較的深いトレンチをかけるように配置される。特に、レンズ固定具２８は、ＳＯＩ層１６によって形成された基準面と接続する基準面３４を含み、面３４が深いトレンチ３０をかけるのに十分な幅となるように形成される。重要なことに、レンズ固定具２８内のレンズ素子３６は、配置の際に導波管２２とともにアライメントするように基準面３４に対して形成される。背面モニタがレーザ光源２４とともに用いられ、レーザ光源２４の後方ファセットを出るエネルギを受け取り、レーザ光源２４の適切な偏向のためにフィードバック／制御情報を提供している。
【００１７】
図２は本発明によって形成される例示的なファイバの結合配置の拡大側面図である。この図で再び示されているのは、光ファイバ１８であり、レンズ端面１９を含んでいる。シリコン基板１２を含むＳＯＩ構造１０と、薄型ＢＯＸ層１４と、ＳＯＩ層１６が更に示され、薄型導波管２２はＳＯＩ層１６内に形成され、ファイバ１８はレンズ端面１９が薄型導波管２２と共に光学アライメント内にあるように配置されている。本発明によると、ファイバ保持ブロック４０を用いて、ブロック４０に形成されるＶ字溝内の固定位置にファイバ１８を保持すると同時にこの所望のアライメントを提供する。好ましい構成においては、ブロック４０はシリコンを具え、以降多岐にわたって「シリコンブロック４０」と呼ぶ。図２の具体的な図においては、ブロック４０がＳＯＩ構造１０上にマウントされる場合、ブロック４０の上面４４は、ＳＯＩ構造１０の基準面１３上の所定の距離を維持する基準面として利用される。従って、基準面４４についてＶ字溝の深さを制御することによって、ブロック４０が正しい位置に配置された場合、レンズ端面１９の頂部が薄型導波管２２と整列する場所に、配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）が形成される。いずれかのタイプの公知の結合材料又はエポキシ材料の薄層を用いて、永久にブロック４０をＳＯＩ構造１０に接着することができる。上述したように、ブロック４０は好ましくはシリコンで形成され、ＳＯＩ構造１０の材料組成と合致している。結果として、素子の熱膨張係数（ＣＴＥ）は合致するので、長期間にわたりアライメントが維持される。しかしながら、ＣＴＥのわずかな不合致が特定のアプリケーションにおいて無関係となるような場合には、他の材料（プラスチックのような）を用いてブロック４０を形成してもよいことを理解されたい。
【００１８】
図３はシリコンブロック４０と、付随する光ファイバ１８の分解等尺図である。この図で明らかになるのは、シリコンブロック４０の範囲に沿ったＶ字溝４２の位置及び配置である。Ｖ字溝がシリコン基板の［０１１］結晶面の表面を不均等にエッチングすることによってシリコン内に形成されうることは、ＣＭＯＳ処理技術において公知である。従って同様の理由により、シリコンはブロック４０用の材料として用いられることが好ましい。Ｖ字溝の実際の寸法はＶ字溝エッチングの幅を制御することによってミクロン以下の許容差に制御されうる。図３に更に示されるのは、レンズ端面１９がかかる位置の、Ｖ字溝４２の終端で形成される相対的に深いトレンチ４６である。レンズファイバが用いられない実施例において、レーザ光源に関連して上述したような分離したレンズ素子を配置、使用して、所望の高効率アライメントを提供することができる。
【００１９】
図４はシリコンブロック４０とファイバ１８の同様の図であり、この場合においては、ファイバ１８はＶ字溝４２内に配置され、固定されている。複数の付着固定具４８が更に示され、固定具４８を用いてブロック４０の実際の機械的アライメント及び付着をＳＯＩ構造１０に提供する。図５は、ＳＯＩ構造１０上の場所におけるシリコンブロック４０の等尺図であり、ブロック４０の基準面４４がＳＯＩ構造１０上に配置され、付着していることを特に示し、本発明によるアライメントの目的用の基準面として、基準面１３を用いている。このタイプの結合配置は、入力ファイバか出力ファイバのいずれか（又は両方）で利用できると理解されたい。特に、出力ファイバが相対的に大きなコア領域と開口数を有するマルチモード出力ファイバである場合、導波管出力とファイバ端面との間の（集積された又は分離した）レンズを含むことなく、許容しうる結合効率を得ることが可能である。更に、マルチモード出力ファイバについて、要求されるアライメントの精密度は約＋／−２０μｍであるので、マルチモードファイバはトレンチ２０に付着することができ、従って分離ブロック素子４０がアライメントを提供する必要が除去される。
【００２０】
図６は、本発明により形成される例示的なレーザの結合配置を単純化した上面図である。示されるように、レーザ光源２４はＳＯＩ構造１０を通して形成される浅いトレンチ１６（例えば約１０μｍの厚さを有するトレンチ）上に配置される。結合効率を改善すべく、レーザ光源は好ましくは、「筋をつけるエミッタ」（すなわち、基準面に向かって）として設けられる。この構成により、レーザチップ自体の厚さの変化と関連して起こるであろう垂直公差の問題が除去される。レンズ固定具２８は深いトレンチ（だいたい約３０μｍの）内に配置される。双方のトレンチ１６及び３０は、従来のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）処理を用いて形成することができ、「ディープＲＩＥ」処理がトレンチ３０を形成するのに用いられるのが好ましい。図示するように、トレンチ３０が側壁３２で終端すると共に、導波管２２も側壁３２で終端している。この図において特に明らかになるのは、シリコン基板１２とＢＯＸ層１４の間の界面での基準面１３の配置である（上述したように、その他の層を用いて、ＢＯＸ層１４とＳＯＩ層１６の間の界面、あるいは、代替的にＳＯＩ層１６の頂面層のような基準層１３として、定義することができる）。基準面を提供するために用いられる界面にかかわらず、レーザ光源２４と含まれるレンズ素子３６は、導波管２２と共に相応に配置される限り、結合は果たされる。
【００２１】
従って、本発明により、レンズ素子３６の配置と共に、レンズ固定具２８の基準面３４は設計され、面３４が深いトレンチ３０内に配置される場合にアライメントが果たされる。図７はレンズ固定具２８の側面図であり、特に基準面３４と結合されたレンズ素子３６の構成を示している。図６に示されたような特定の実施例において、光タップ５０を利用してレーザ光源２４と導波管２２の間に果たされるアライメントの度合いを決定している。特に結合導波管５２は、伝搬光信号の一部を抽出するために薄型導波管２２の一部に隣接して配置される。光パワーモニタ５４（例えば、フォトダイオード）を用いて、伝搬信号内のパワーを測定し、最大の結合効率が果たされるかどうかを決定するためにこの値を使用する。例えばこの測定値を用いて、最大の結合効率が得られるまで（両矢印で示されるように）深いトレンチ３０内でレンズ固定具２８の位置を調整することができる。様々なタイプの能動的な光学アライメント配置が当該技術分野に存在し、このアライメント処理を実現するために用いることができる。光パワーモニタ５４は、レーザ光源２４のフィードバック／制御のために用いることもできる。
【００２２】
図８は、本発明のレーザの結合配置の簡単な側面図であり、この場合においては、レンズ固定具２８を通過して、導波管２２に集束されるようなレーザ光源２４からの光出力を示している。入射点で導波管２２は光学モード変換器を含んでおり、自由空間（三次元）信号を導波管２２に沿った伝搬のための一次元信号に結合している。このモード変換器は公称値（例えば、０．５μｍ）から導波管２２の終端でのより狭い幅（例えば、１００ｎｍ）まで導波管の幅を断熱曲線的に狭くすることによって構成される。この断熱テーパは、導波管２２のより広い部分のモードフィールド径を、導波管２２の狭い先端で約０．５μｍから０．７５乃至５．０μｍの範囲にある値まで変換する（変化は、先端の実際の寸法と用いられる光波長との関数である）。様々なアプリケーションに対する性能要求により、このようなモード変換器はファイバベースかレーザベースかのいずれかの結合配置で要求されうる。この図で明らかになるのは、浅いトレンチ２６（レーザ光源２４と、できれば背面モニタとを支持するのに用いられる）と深いトレンチ３０（レンズ固定具２８を支持するのに用いられる）の双方である。レンズ素子２８の集束点がトレンチ３０内で固定具２８を前後に動かすことによって最大の結合を果たすように調製されることはこの図で明らかである（矢印とレンズ素子２８の見かけの外形によって示されるように）。
【００２３】
上述したように、薄型導波管への入力結合器か薄型導波管からの出力結合器かのいずれかとして、本発明の結合配置を用いることが可能である。図９は入力結合配置及び出力結合配置の双方の形態における本発明の例示的な配置の上面図であり、本例では、入力ファイバ１８Ｉが、入力レンズ固定具２８Ｉと調整されるように配置され、上述の場合にはシリコンアライメントブロック（図示せず）を用いている。レンズ固定具２８Ｉからの出力は、薄型導波管２２へ集束され、入力ないしＳＯＩ構造内へ形成される光学／光電子ブロック１００となる。ブロック１００は様々な異なる能動及び／又は受動光デバイスを含むことができ、ブロック１００からの出力は次いで薄型導波管２２の出力断面へ結合され、出力レンズ固定具２８Ｏを通って出力ファイバ１８に方向付けられる。
【００２４】
このように述べられた発明から、本発明の実施例は多くの方法で変更されうることは明らかである。このような変更は本発明の精神や範囲からの離脱と見なすべきではなく、当該技術分野の当業者にとって明らかな総てのこのような変更は、請求項に定義されるように本発明の範囲内に含まれることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
図に関しては、
【図１】図１は、本発明によって形成されるファイバベースの結合配置及びレーザベースの結合配置の両方を含む、例示的なＳＯＩ構造の等尺図である。
【図２】図２は、本発明によって形成される例示的なファイバの結合配置の拡大側面図である。
【図３】図３は、ファイバの結合配置と結合する光ファイバのシリコンブロック部分の分解等尺図である。
【図４】図４は、図３のシリコンブロックの等尺図であり、ファイバがブロックのＶ字溝内に配置されている。
【図５】図５は、ファイバが配置可能な薄型導波管を含むＳＯＩ構造上の場所内の図４のシリコンブロックの等尺図である。
【図６】図６は、本発明によって形成される例示的なレーザの結合配置を単純化した上面図である。
【図７】図７は、本発明の例示的なレンズ固定具の側面図であり、特に基準面と結合するレンズ素子を図示している。
【図８】図８は、本発明のレーザの結合配置の側面図であり、レンズ素子を通過して、薄型ＳＯＩ導波管に集束されるような、レーザ光源２４からの光出力を示している。
【図９】図９は、入力の結合配置と出力の結合配置との双方の形態における本発明の例示的な配置の上面図を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2009523264.tif 000013
2009523264.tif 000014