(57)【要約】光学システムは、シリコン（Ｓｉ）基板と、基板上に形成された埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層と、ＢＯＸ層の上方に形成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）層と、ＳｉＮ層内に形成されたＳｉＮ導波路とを含む。いくつかの実施形態では、光学システムは、ＳｉＮ導波路に断熱結合され、ＳｉＮ導波路の少なくともテーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成するインターポーザ導波路をさらに含み得、光学システムは、さらにＳｉＮインターポーザ断熱結合器の下方でＳｉ基板内に形成された空洞、またはＳｉＮ導波路のＳｉＮコアの最上部とインターポーザ導波路の底部との間に形成された酸化物オーバーレイの少なくとも１つを含む。代替的にまたは付加的に、光学システムは、ＳｉＮ導波路のＳｉＮテーパおよびＳｉ導波路のＳｉテーパを含むマルチモードＳｉ−ＳｉＮ断熱結合器をさらに含み得る。
2019518987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
シリコン（Ｓｉ）基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成された埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層と、
前記ＢＯＸ層の上方に形成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路層と、
前記ＳｉＮ導波路層内に形成され、テーパ部分を含むＳｉＮ導波路と、
前記ＳｉＮ導波路に断熱結合され、前記ＳｉＮ導波路の少なくとも前記テーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成するインターポーザ導波路と、
前記ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の少なくとも下方で前記Ｓｉ基板内に形成された空洞と
を備える光学システム。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板に形成された前記空洞の幅は少なくとも２０μｍである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板に形成された空洞内に埋め戻される低屈折率材料をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記低屈折率材料は、１．４と１．６との間の屈折率を有する、請求項３に記載の光学システム。
【請求項５】
前記低屈折率材料がエポキシを含む、請求項３に記載の光学システム。
【請求項６】
前記Ｓｉ基板に形成された前記空洞の長さは、前記ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の相互作用長の程度である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記空洞の端部と前記Ｓｉ基板の端部との間の光伝搬方向における残りのＳｉ基板の厚さは、少なくとも２５０マイクロメートルである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
前記ＳｉＮインターポーザ断熱結合器を含む複数のＳｉＮインターポーザ断熱結合器をさらに備え、前記空洞は、前記複数のＳｉＮインターポーザ断熱結合器のうちの２つの少なくとも下方で前記Ｓｉ基板内に形成される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項９】
前記空洞の幅は、１ミリメートル未満である、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記ＳｉＮ導波路のＳｉＮコアの最上部と前記インターポーザ導波路の底部との間に形成された酸化物オーバーレイをさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記ＢＯＸ層の上方で、かつ前記ＳｉＮ導波路層の下方に形成されたＳｉ導波路層と、
前記Ｓｉ導波路層内に形成され、１００ナノメートル（ｎｍ）以上の先端幅を有するＳｉテーパを含むマルチモードＳｉ導波路と、をさらに備え、
前記マルチモードＳｉ導波路は、ＳｉＮ導波路層内に形成されたマルチモードＳｉＮ導波路に断熱結合され、
前記マルチモードＳｉＮ導波路は、Ｓｉテーパと重ならないＳｉＮテーパを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
光学システムであって、
シリコン（Ｓｉ）基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成された埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層と、
前記ＢＯＸ層の上方に形成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路層と、
前記ＳｉＮ導波路層内に形成され、テーパ部分を含むＳｉＮ導波路と、
前記ＳｉＮ導波路に断熱結合され、前記ＳｉＮ導波路の少なくともテーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成するインターポーザ導波路と、
前記ＳｉＮ導波路のＳｉＮコアの最上部と前記インターポーザ導波路の底部との間に形成された酸化物オーバーレイと
を備える光学システム。
【請求項１３】
前記酸化物オーバーレイのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙは、５０ナノメートル（ｎｍ）〜３５０ｎｍの範囲内である、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記ＳｉＮ導波路のテーパ部分の長さが３ミリメートル（ｍｍ）以下である、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１５】
ＴＭ偏光に対する前記ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の光損失が１デシベル（ｄＢ）未満である、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の少なくとも下方で前記Ｓｉ基板内に形成された空洞をさらに含む、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記ＢＯＸ層の上方で、かつ前記ＳｉＮ導波路層の下方に形成されたＳｉ導波路層と、
前記Ｓｉ導波路層内に形成され、１００ナノメートル（ｎｍ）以上の先端幅を有するＳｉテーパを含むマルチモードＳｉ導波路と、をさらに備え、
前記マルチモードＳｉ導波路は、前記ＳｉＮ導波路層内に形成されたマルチモードＳｉＮ導波路に断熱結合され、
前記マルチモードＳｉＮ導波路は、Ｓｉテーパと重ならないＳｉＮテーパを含む、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１８】
光学システムであって、
シリコン（Ｓｉ）基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成された埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層と、
前記ＢＯＸ層の上方に形成されたＳｉ導波路層と、
前記Ｓｉ導波路層内に形成され、１００ナノメートル（ｎｍ）以上の先端幅を有するＳｉテーパを含むマルチモードＳｉ導波路と、
前記Ｓｉ導波路層の上方に形成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路層と、
前記ＳｉＮ導波路層内に形成されたＳｉＮ導波路と、を備え、前記ＳｉＮ導波路は、ＳｉＮテーパを含み、前記ＳｉＮ導波路は、前記マルチモードＳｉ導波路と２つの直交する方向に整列され、前記ＳｉＮテーパは、前記Ｓｉテーパと重ならない、光学システム。
【請求項１９】
前記Ｓｉテーパの長さは、２００マイクロメートル（μｍ）より大きい、請求項１８に記載の光学システム。
【請求項２０】
前記ＳｉＮ導波路は、前記Ｓｉテーパの長さに沿って前記マルチモードＳｉ導波路と縦方向および横方向に整列され、前記ＳｉＮ導波路は、前記Ｓｉテーパの長さに沿って一定の幅を有する、請求項１８に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記マルチモードＳｉ導波路は、前記ＳｉＮテーパの長さに沿って前記ＳｉＮ導波路と縦方向および横方向に整列され、前記マルチモードＳｉ導波路は前記ＳｉＮテーパの長さに沿って一定の幅を有する、請求項１８に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記ＳｉＮ導波路層内に形成され、テーパ部分を含む他のＳｉＮ導波路と、
前記他のＳｉＮ導波路に断熱結合され、前記他のＳｉＮ導波路の少なくともテーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成するインターポーザ導波路と、
前記ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の少なくとも下方で前記Ｓｉ基板内に形成された空洞と、をさらに備える、請求項１８に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記ＳｉＮ導波路層内に形成され、テーパ部分を含む他のＳｉＮ導波路と、
前記他のＳｉＮ導波路に断熱結合され、前記他のＳｉＮ導波路の少なくともテーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成するインターポーザ導波路と、
前記他のＳｉＮ導波路のＳｉＮコアの最上部と前記インターポーザ導波路の底部との間に形成された酸化物オーバーレイと、をさらに備える、請求項１８に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明されるいくつかの実施形態は、断熱結合された（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中に他に示されていない限り、本明細書で説明される材料は、本願の特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、このセクションに含まれることによって先行技術であると認められるものではない。
【０００３】
特許文献１（米国特許第９，４０５，０６６号明細書）は、様々な２段の断熱結合された光学システムを記載している。このような光学システムに含まれるＢＯＸ層の厚さは、いくつかの断熱結合器の結合効率に重要な影響を及ぼすことがある。また、このような光学システムにおけるＳｉＮ導波路のテーパ部分の先端幅を十分に小さく、例えば、少なくとも閾値の先端幅と同程度に小さくすることができれば、ポリマー導波路をＳｉＮ導波路に比較的近接して、場合によってはＳｉＮ導波路と直接接触して配置し得る。しかしながら、所与の製造プロセスの製作限界および／または他の要因により、テーパ部分の先端幅を閾値先端幅と同程度に小さくすることは困難または不可能である。
【０００４】
本明細書で請求される主題は、いくつかの欠点を解決する実施形態または上記のような環境でのみ動作する実施形態に限定されない。むしろ、この技術背景は、本明細書に記載されるいくつかの実施形態が実施され得る１つの例示的な技術領域を例示するためにのみ提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第９，４０５，０６６号明細書
【発明の概要】
【０００６】
この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明する概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供される。この概要は、特許請求された主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、請求される主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。
【０００７】
本明細書に記載のいくつかの例示的な実施形態は、概して断熱結合光学システムに関する。
例示的な実施形態において、光学システムは、Ｓｉ基板と、ＢＯＸ層と、ＳｉＮ導波路層と、ＳｉＮ導波路と、インターポーザ導波路と、空洞とを含む。ＢＯＸ層は、Ｓｉ基板上に形成され得る。ＳｉＮ導波路層は、ＢＯＸ層の上方に形成され得る。ＳｉＮ導波路は、ＳｉＮ導波路層内に形成され、テーパ部分を含み得る。インターポーザ導波路は、ＳｉＮ導波路に断熱結合され、ＳｉＮ導波路の少なくともテーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成し得る。空洞は、ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の少なくとも下方でＳｉ基板内に形成され得る。
【０００８】
別の例示的な実施形態において、光学システムは、Ｓｉ基板と、ＢＯＸ層と、ＳｉＮ導波路層と、ＳｉＮ導波路と、インターポーザ導波路と、酸化物オーバーレイとを含む。ＢＯＸ層は、Ｓｉ基板上に形成され得る。ＳｉＮ導波路層は、ＢＯＸ層の上方に形成され得る。ＳｉＮ導波路は、ＳｉＮ導波路層内に形成され、テーパ部分を含み得る。インターポーザ導波路は、ＳｉＮ導波路に断熱結合され、ＳｉＮ導波路の少なくともテーパ部分を含むＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成し得る。酸化物オーバーレイは、ＳｉＮ導波路のＳｉＮコアの最上部とインターポーザ導波路の底部との間に形成され得る。
【０００９】
別の例示的な実施形態において、光学システムは、Ｓｉ基板と、ＢＯＸ層と、Ｓｉ導波路層と、マルチモードＳｉ導波路と、ＳｉＮ導波路層と、ＳｉＮ導波路とを含む。ＢＯＸ層は、Ｓｉ基板上に形成され得る。Ｓｉ導波路層は、ＢＯＸ層の上方に形成され得る。マルチモードＳｉ導波路は、Ｓｉ導波路層内に形成され、１００ナノメートル（ｎｍ）以上の先端幅を有するＳｉテーパを含み得る。ＳｉＮ導波路層は、Ｓｉ導波路層の上方に形成され得る。ＳｉＮ導波路は、ＳｉＮ導波路層内に形成され、ＳｉＮテーパを含み得る。ＳｉＮ導波路は、マルチモードＳｉ導波路と２つの直交する方向に整列され得、ＳｉＮテーパは、Ｓｉテーパと重ならない。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の説明に記載され、その一部は、その説明から明らかになるか、または本発明の実施によって理解できるであろう。本発明の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲で特に指摘された機器および組み合わせによって実現および取得することができる。本発明のこれらの特徴および他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるか、または以下に示す本発明の実施によって理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】２段の断熱結合器を含む例示的な光学システムの断面図である。
【図２】ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の様々な異なるテーパ部分の長さおよび様々な異なる偏光成分の波長に応じた断熱結合器での損失のシミュレーションを含む図である。
【図３】ＳｉＮテーパ幅に応じた基板漏れのシミュレーションを含む図である。
【図４】２段の断熱結合器を含む別の例示的な光学システムの断面図を示す。
【図５】２段の断熱結合器を含む別の例示的な光学システムの断面図を示す。
【図６】図４のＳｉＮインターポーザ断熱結合器の俯瞰図および側断面図を含む図である。
【図７Ａ】別の光学システムのアライメントおよび取り付けを示す側面図である。
【図７Ｂ】別の光学システムのアライメントおよび取り付けを示す側面図である。
【図８】光学システムに含まれ得る例示的なＳｉＮインターポーザ断熱結合器を示す図である。
【図９】様々なオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する図８の断熱結合器に関するＳｉＮ導波路のテーパ部分のテーパの長さに応じたＳｉＮインターポーザ結合効率の２組のシミュレーションを示す図である。
【図１０】例示的なＳｉＮ−Ｓｉマルチモード断熱結合器の俯瞰図である。
【図１１】図１０のＳｉＮ−Ｓｉマルチモード断熱結合器が実施され得る例示的な光学システムを示す図である。
【図１２Ａ】１００ｎｍの先端幅を有するＳｉテーパを用いたＳｉＮ導波路からマルチモードＳｉ導波路への光の入力ＳｉＮ  ＴＭ００モードのシミュレートされた結合を示す図を含む図である。
【図１２Ｂ】Ｓｉテーパの長さに応じた図１２ＡのＳｉ導波路におけるシミュレートされた結合を示す図を含む図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、様々な光学モードに対するＳｉ導波路幅に応じたＳｉＮ−Ｓｉスーパーストラクチャの実効屈折率を示す図である。
【図１３Ｂ】Ｓｉテーパの先端における、図１３Ａの光学モードの各々の計算された振幅を示す図である。
【図１４】先行する図のＳｉＮ−Ｓｉスーパーストラクチャにおけるモードの展開を示す様々な図を含む図である。
【図１５】先行する図のＳｉＮ−ＳｉスーパーストラクチャのＳｉテーパが、先端の１２０ｎｍから１μｍまで先細りになると仮定される様々な図を含む図である。
【図１６】１２０ｎｍの先端幅を有するＳｉテーパを用いたＳｉＮ導波路からマルチモードＳｉ導波路への光の入力ＳｉＮ  ＴＭ００モードのシミュレートされた結合を示す図を含む図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の上記および他の利点および特徴をさらに明確にするために、本開示のより詳細な説明は、添付の図面に示される特定の実施形態を参照することによって表現される。これらの図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、従って、その範囲を限定するものではないとみなされるべきである。本開示は、付随する図面を使用することにより、追加の特定事項および詳細とともに記載および説明される。
【００１３】
全てが本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態に従って構成されたものである。
図１は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により配置された、特許文献１に開示されているような２段の断熱結合器を含む例示的な光学システム１００の断面図を示す。特に、図１は、光学システム１００の層の一般的な積層例を示す。図１の光学システム１００は、シリコン（Ｓｉ）基板１０２と、Ｓｉ基板１０２上に形成された埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層１０４と、ＢＯＸ層１０４上に形成され、かつ１つまたは複数のＳｉ導波路１０８を含むＳｉ導波路層１０６と、Ｓｉ導波路層１０６上に形成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）スラブ１１０と、ＳｉＮスラブ１１０上に形成され、かつ１つまたは複数のＳｉＮ導波路１１４を含むＳｉＮ導波路層１１２と、ポリマーインターポーザに含まれる１つまたは複数のポリマー導波路１１６と、ＳｉＮ導波路層１１２上に形成された１つまたは複数の誘電体層１１８と、を含む。代替的に、１つまたは複数のポリマー導波路１１６およびポリマーインターポーザは、特許文献１または他の適切なインターポーザ導波路およびインターポーザに記載されているような高屈折率ガラスインターポーザに含まれる１つまたは複数の高屈折率ガラス導波路に置き換えてもよい。
【００１４】
特許文献１は、光学システム１００に含まれる要素の様々な例示的詳細、ならびに様々な代替構成（例えば、層の異なる順序）および／または他の実施形態を開示している。本明細書で開示される原理は、特許文献１の詳細、代替構成、および／または他の実施形態のうちの１つまたは複数と組み合わせて実施してもよい。
【００１５】
Ｓｉ導波路１０８の各々は、Ｓｉコア１０８Ａ及びクラッドを含む。Ｓｉ導波路１０８の各々のクラッドは、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）またはＳｉ導波路層１０６に含まれ得る他の適切な材料を含み得る。ＳｉＮ導波路１１４の各々は、ＳｉＮコア１１４Ａおよびクラッドを含む。ＳｉＮ導波路１１４の各々のクラッドは、例えば、ＳｉＯ２またはＳｉＮ導波路層１１２に含まれ得る他の適切な材料を含み得る。ポリマー導波路１１６の各々は、ポリマーコア１１６Ａおよびポリマークラッド１１６Ｂを含む。
【００１６】
Ｓｉ導波路層１０６内の１つまたは複数のＳｉ導波路１０８は、ＳｉＮ導波路層１１２内の１つまたは複数の対応するＳｉＮ導波路１１４に断熱結合され得る。同様に、ＳｉＮ導波路層１１２内の１つまたは複数のＳｉＮ導波路１１４は、ポリマーインターポーザ内の１つまたは複数の対応するポリマー導波路１１６に断熱結合され得る。ＳｉＮ導波路に断熱結合されたＳｉ導波路の組み合わせは、Ｓｉ−ＳｉＮ断熱結合器として呼称され、ポリマーまたは他のインターポーザ導波路に断熱結合されたＳｉＮ導波路の組み合わせは、ＳｉＮ−インターポーザ断熱結合器として呼称される。光は、対応する断熱結合器を通過していずれかの方向に伝搬し得る。図１の光学システム１００は、２段の断熱結合器を含むものとして記載されている。本明細書に記載の実施形態は、より一般的には、１つまたは複数の段の断熱結合器を有する光学システムにおいて実施されてもよい。
【００１７】
本明細書で使用する断熱結合は、特許文献１に記載されている通りである。概して、ＳｉＮ導波路１１４、より具体的にはＳｉＮコア１１４Ａは、特許文献１により詳細に記載されているように、ＳｉＮ導波路１１４からポリマー導波路１１６に、またはその逆に光を断熱結合するテーパ部分を有し得る。同様に、概して、Ｓｉ導波路１０８、より具体的にはＳｉコア１０８Ａは、特許文献１に詳細に記載されているように、Ｓｉ導波路１０８からＳｉＮ導波路１１４に、またはその逆に光を断熱結合するテーパ部分を有し得る。
【００１８】
光学システム１００の層および／または要素の厚さまたは他の寸法は、任意の適切な値を有してもよい。一例として、ポリマーコア１１６Ａの幅１１６Ｃは、６〜７マイクロメートル（μｍ）の範囲とすることができ、ＳｉＮコア１１４Ａの幅１１４Ｂは、約７００ナノメートル（ｎｍ）とすることができ、Ｓｉコア１０８Ａの幅１０８Ｂは約０．３２μｍとすることができ、かつ／またはＳｉＮスラブ１１０の厚さは約５０ｎｍとすることができる。例示的な光学システムのこれらの寸法および他の寸法の他の例の値および／または値の範囲は、特許文献１にさらに詳細に記載されている。
【００１９】
図１の光学システムにおいて、ＢＯＸ層１０４の厚さ１０４Ａは、ポリマー導波路１１６とＳｉＮ導波路１１４との間、および／またはＳｉＮ導波路１１４とＳｉ導波路１０８との間の結合効率に重要な影響を及ぼし得る。例えば、概して、ＢＯＸ層１０４がより薄いほど、ＳｉＮ導波路１１４のテーパ部分から基板１０２への光場の結合がより大きくなり、光損失が生じる。基板１０２への結合に起因する損失の一部は、前述の用語で前にある「Ｓｉ」の有無にかかわらず、基板漏れ、漏れ、または基板損失と呼称され得る。
【００２０】
図２は、本明細書に記載される少なくとも１つの実施形態により設定された、ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の様々な異なるテーパ部分の長さおよび様々な異なる偏光成分の波長に応じた断熱結合器での損失（デシベル（ｄＢ）単位）のシミュレーション２０２および２０４を含む。特に、左側のグラフは、光の電気的横方向（ＴＥ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光成分のシミュレーション２０２を含み、右側のグラフは、光の磁気的横方向（ＴＭ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光成分のシミュレーション２０４を含む。２つのグラフのそれぞれは、５つの曲線を含む。各グラフの５つの曲線は、上部曲線から下部曲線までのテーパ部分の長さに対する波長１．３ミリメートル（ｍｍ）、１．６ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ、および２．５ｍｍに応じた断熱結合器でのシミュレーション損失を含む。図２に記載され説明されているように、基板の漏れを考慮した場合、より長いテーパ部分の長さは概してより高い全損失につながる。
【００２１】
基板損失を含まないいくつかのシミュレーションは、各ＳｉＮインターポーザ断熱結合器に対する１ｄＢ未満の結合損失を予測する。このようなシミュレーションでは、より長いテーパ断面の長さが結合損失を低減することが予測される。より高い損失は、ＳｉＮテーパ部分に沿ったＳｉ基板のより高い漏れによるものである。特に、光学モードは、ＳｉＮ導波路がより狭い幅に先細りになるにつれて拡大する。光の一部は、ポリマー導波路に断熱結合する。しかしながら、ＢＯＸ層の厚さ（例えば、図１の厚さ１０４Ａ）が約１μｍ未満、または１．５μｍ未満である場合、光のかなりの部分がＳｉ基板に結合する。
【００２２】
図３は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により設定されたＳｉＮテーパ幅に応じた基板漏れのシミュレーション３０２を含む。本明細書で使用される場合、「ＳｉＮテーパ幅」は、ＳｉＮテーパ部分の最も狭い部分におけるＳｉＮテーパ部分の幅を参照し得る。図３に示され説明されているように、ＳｉＮテーパ幅が減少すると基板漏れが増加する。図３のシミュレーション３０２は、ＢＯＸ層の厚さが７２０ｎｍであると仮定し、また、ＳｉＮテーパ部分を構成する材料がＳｉ３Ｎ４を含むと仮定する。
【００２３】
図４は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された２段の断熱結合器を含む別の例示的な光学システム４００の断面図を示す。図４の光学システム４００は、図１の光学システム１００と比較してＳｉ基板損失を低減またはなくすことができる。光学システム４００は、同一または類似の構成要素を参照するために同一の参照番号を使用することによって示されるように、図１の光学システム１００と同一の類似の構成要素またはその変形を概して含み得る。
【００２４】
図１の光学システム１００と比較して、図４の光学システム４００において、Ｓｉ基板１０２の一部が１つまたは複数の断熱結合器の下方でＢＯＸ層１０４まで除去されて、断熱結合器の下方でＳｉ基板１０２内に空洞４０２が形成される。空洞４０２の幅４０２Ａ（例えば、光の伝搬方向に直交する方向、光の伝搬は、図４の紙面を出入りする方向である）は、少なくとも２０μｍ、少なくとも３０μｍ、または少なくともいくらかの他の値であってもよい。チャネルと呼称することができる複数の断熱結合器が概して横並びにある場合、Ｓｉ基板１０２内の空洞４０２の幅４０２Ａは、すべてのチャネルを収容するために２０μｍよりはるかに大きくてもよい。例えば、隣接するチャネル間の中心間距離がｘμｍであり、Ｎ個の隣接するチャネルがある場合、空洞４０２の幅４０２Ａは、少なくともＮ×ｘμｍであるか、または少なくともＮ＊ｘμｍ程度であり得る。代替的または付加的に、Ｓｉ基板１０２の空洞４０２の幅４０２Ａは、機械的堅牢性を確保するために閾値幅を超えない。いくつかの実施形態では、閾値幅は１ｍｍであってもよい。
【００２５】
図４の光学システム４００において、所与の断熱結合器の下方で空洞４０２を形成するために基板１０２を除去すると、図１の光学システム１００と比較してＳｉ基板損失をなくすか、または少なくとも低減することができる。
【００２６】
図５は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された２段の断熱結合器を含む別の例示的な光学システム５００の断面図を示す。図４の光学システム４００と同様に、図５の光学システム５００は、図１の光学システム１００と比較してＳｉ基板損失を低減またはなくすことができる。光学システム５００は、同一または類似の構成要素を参照するために同一の参照番号を使用することによって示されるように、図１および／または図４の光学システム１００および／または４００と同一の類似の構成要素またはその変形を概して含み得る。
【００２７】
図４の光学システム４００と比較して、図５の光学システム５００は、基板１０２に形成された空洞４０２に埋め戻された低屈折率材料５０２をさらに含み得る。低屈折率材料５０２は、エポキシまたはいくつかの他の低屈折率材料を含み得る。いくつかの実施形態では、低屈折率材料５０２の屈折率は、ＳｉＮテーパ部分から低屈折率材料５０２に光学モードの漏れを引き起こさないように、１．５などの１．４と１．６との間であり得る。空洞４０２を低屈折率材料５０２で埋め戻すことは、図４の光学システム４００と比較して、図５の光学システム５００の機械的強度を改善することができる一方で、図１の光学システム１００と比較して、Ｓｉ基板の漏れが低減および／またはなくされた状態に維持される。
【００２８】
図６は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された、図４のＳｉＮインターポーザ断熱結合器の俯瞰図６０２および断面図６０４を含む。俯瞰図６０２において、様々な層、構成要素、および／または特徴のフットプリントが、実際の実施において、そのような層、構成要素、および／または特徴が光学的に透明であってもまたはなくてもよく、かつ／または視覚的に知覚可能であってもまたはなくてもよいという理解に基づいて示されている。図６の両方の図６０２，６０４において、光の伝搬は、概して、左から右または右から左である。
【００２９】
図６に示すように、ＳｉＮ導波路１１４のＳｉＮコア１１４Ａは、ＳｉＮテーパ部分１１４Ｃを含み得る。
図６は、基板１０２に形成された空洞４０２の長さ４０２Ｂをさらに示す。
【００３０】
いくつかの実施形態では、長さ４０２Ｂは、ＳｉＮテーパ部分１１４ＣからのＳｉ基板漏れがなくなるか、または少なくとも低減されるような長さであってもよい。図６のＳｉＮインターポーザ断熱結合器などの断熱結合器は、相互作用長を有し得る。相互作用長は、光のかなりの部分がＳｉＮ導波路１１４からポリマー導波路１１６にまたはその逆に断熱結合される長さを含み得る。かなりの部分は、少なくとも７０％、８０％、９０％、９５％、または他のいくらかの部分であり得る。空洞４０２の長さ４０２Ｂは、相互作用長の程度であり得る。実施形態では、空洞４０２の長さ４０２Ｂは、ＳｉＮテーパ部分１１４Ｃのテーパ設計および／またはポリマー導波路１１６または他のインターポーザ導波路のモードプロファイルに応じて、１．３ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内であり得る。
【００３１】
さらに、左から右に伝搬する光の場合には、ＳｉＮテーパ部分１１４Ｃの端部または先端部を越えて、または右から左に伝搬する光の場合には、ＳｉＮテーパ部分１１４の端部または先端部の前に、光の大半がポリマー導波路１１６に搬送される。いくつかの実施形態では、ポリマー導波路１１６が基板１０２から閾値距離（例えば、この例では１．５μｍ）を超えて離れているので、ポリマー導波路１１６は、Ｓｉ基板損失を生じない可能性がある。従って、左から右に伝搬する光の場合には、ＳｉＮテーパ部分１１４Ｃの端部又は先端部を越えて、または右から左に伝搬する光の場合には、ＳｉＮテーパ部分１１４の端部または先端部の前に、基板１０２を除去する必要はなく、この場合、所望であれば可能であるが、光がポリマー導波路１１６内で実質的に案内される。代わりに、基板１０２は、機械的支持のために図６に示すようなＳｉＮインターポーザ断熱結合器を含むチップの縁部の近くおよび／または縁部に沿って維持され得る。チップ１０２の端部の近傍および／または端部に沿った基板１０２の一部は、図６に１０２Ａで示されており、以下、基板端部周辺部１０２Ａと呼称される。いくつかの実施形態では、基板端部周辺部１０２Ａは、（例えば、図６の左から右または右から左への光伝播方向における）２５０μｍ以上の長さを有し得る。
【００３２】
図７Ａおよび図７Ｂは、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された別の光学システム７００のアライメントおよび取り付けを示す側面図である。光学システム７００は、Ｓｉ光集積回路（ＰＩＣ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）７０２およびインターポーザ７０４を含む。
【００３３】
Ｓｉ  ＰＩＣ７０２は、図１，４および５に関して説明したような、基板７０６、１つまたは複数の誘電体層７０８、および１つまたは複数の他の層７１０を含む。特に、基板７０２は、図１、図４、および図５の基板１０２を含むか、または基板１０２と対応し得る。誘電体層７０８は、図１、図４、および図５の１つまたは複数の誘電体層１１８を含むか、または１つまたは複数の誘電体層１１８に対応し得る。他の層７１０は、図１，４および５のＢＯＸ層１０４、Ｓｉ導波路層１０６、ＳｉＮスラブ１１０、および／またはＳｉＮ導波路層１１２を含むか、またはそれらに対応し得る。他の層７１０の対応する層内で、Ｓｉ  ＰＩＣ７０２は、図１，４および５のＳｉ導波路１０８およびＳｉＮ導波路１１４をそれぞれ含むか、またはそれらに対応する複数のＳｉ導波路７１２および複数のＳｉＮ導波路７１４をさらに含む。Ｓｉ導波路７１２の各々はＳｉテーパ部分を含み、ＳｉＮ導波路７１４の各々はＳｉＮテーパ部分を含む。
【００３４】
Ｓｉ  ＰＩＣ７０２は、ＳｉＮ導波路７１４の上方の誘電体層７０８に形成されたエッチングされた窓７１６を画定している。エッチングされた窓７１６は、誘電体層７０８によって３つの側面（そのうちの２つが図７Ａおよび図７Ｂで観察される）で仕切られている。誘電体層７０８の少なくとも最上部の１つは、エッチングされた窓７１６を仕切る領域に少なくとも金属ダミー７１８を含み得る。簡略化のために、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、いくつかの金属ダミー７１８のみがラベル付けされている。
【００３５】
インターポーザ７０４は、インターポーザ基板７２０および複数のインターポーザ導波路７２２を含み、複数のインターポーザ導波路７２２の各々は、インターポーザコア７２２Ａおよびインターポーザクラッド７２２Ｂを含む。図７Ａおよび図７Ｂの例では、インターポーザ７０４は、インターポーザ基板７２０、インターポーザコア７２２Ａ、およびインターポーザクラッド７２２Ｂがそれぞれポリマー基板、ポリマーコアおよびポリマークラッドを含むようなポリマーインターポーザを含み得る。
【００３６】
Ｓｉ導波路７１２のＳｉテーパ部分は、ＳｉＮ導波路７１４の対応する部分と２つの直交する方向に整列して、Ｓｉ−ＳｉＮ断熱結合器を形成し得る。同様に、ＳｉＮ導波路７１４のＳｉＮテーパ部分は、インターポーザ導波路７２２の対応する部分と２つの直交する方向に整列して、ＳｉＮインターポーザ断熱結合器を形成し得る。
【００３７】
図４および図５と同様に、例えば、ＳｉＮインターポーザ断熱結合器の下方で空洞７２４が基板７０６内に形成され得る。任意選択的に、低屈折率材料７２６を空洞７０６に埋め戻すことができる。空洞７２４および低屈折率材料７２６は、それぞれ、図４および図５の空洞４０２および低屈折率材料５０２を含むか、またはそれらと対応し得る。
【００３８】
図７Ａおよび図７Ｂと組み合わせて参照すると、エッチングされた窓７１６は、エポキシアンダーフィル７２８で少なくとも部分的に充填され得る。インターポーザ７０２とＳｉ  ＰＩＣ７０２を共に取り付けるために、図７Ｂに示すようにインターポーザコア７２２ＡがＳｉＮ導波路７１４と直接的に接触するか、または少なくとも密接に接触するまで、図７Ａの矢印７３０で示すように、インターポーザ７０４がＳｉ  ＰＩＣ７０２に向かって（またはその逆に）移動され得る。本明細書で使用される、２つの構成要素または要素の間の直接接触は、２つの構成要素が実際に互いに接触していることを意味する。本明細書で使用される密接な接触は、２つの構成要素が、光が１つの構成要素から他の構成要素に光学的に結合されるのに十分に近接していることを意味する。このような密接に接触した構成要素は、２つの構成要素の間に、空気、エポキシ、他の接着剤、少なくとも部分的に光学的に透過性の材料または他の材料のオーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）を任意選択的に含み得る。オーバーレイを含む例は、図８に関して以下に説明される。本明細書での直接接触を指す説明は、密接な接触も含むことができる。図７Ｂに示すように、誘電体層７０８の最上部をインターポーザ７２０のインターポーザクラッド７２２Ｂにエポキシ樹脂で接着するために、エッチングされた窓７１６をオーバーフローさせるのに十分なアンダーフィルエポキシ７２８が存在してもよい。
【００３９】
図１、図４および図５を参照すると、１つまたは複数のＳｉＮ導波路１１４の少なくともテーパ部分の上方の誘電体層１１８内に窓１２０を形成して、それらを１つまたは複数のポリマー導波路１１６に断熱結合させることができる。窓１２０は、図７Ａおよび図７Ｂのエッチングされた窓７１６を含むか、またはエッチングされた窓７１６に対応し得る。窓１２０内で、ポリマー導波路１１６のポリマーコアの各々は、ＳｉＮ導波路１１４の対応する１つに直接接触するか、または少なくとも密接に接触してもよい。以前に示したように、密接に接触したそのような構成要素は、２つの構成要素の間に、オーバーレイを任意に含むことができ、その一例が図８に関して説明される。
【００４０】
より詳細には、図８は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された、光学システム８００に含まれ得る例示的なＳｉＮインターポーザ断熱結合器を示す。光学システム８００は、図１，４または５の光学システム１００，４００、または５００を含むか、または光学システム１００，４００、または５００と対応し得る。図８の光学システム８００に含まれるＳｉＮインターポーザ断熱結合器は、ＳｉＮ導波路８０２およびポリマー導波路８０４を含む。図１，４および５と同様に、図８は、ＳｉＮ導波路８０２およびポリマー導波路８０４が紙面を出入りする断面図である。
【００４１】
ＳｉＮ導波路８０２は、光学システム８００のＳｉＮ導波路層８０６内に形成され得る。ＳｉＮ導波路８０２およびＳｉＮ導波路層８０６は、図１，４および５のＳｉＮ導波路１１４およびＳｉＮ導波路層１１２をそれぞれ含むか、またはそれらと対応し得る。ＳｉＮ導波路８０２は、図１のＳｉＮ導波路１１４と同様に、ＳｉＮコア８０８と、周囲のＳｉＯ２または例えばＳｉＮ導波路層８０６からの他の適切な材料からなるクラッドとを含み得る。
【００４２】
ポリマー導波路８０４は、ポリマーインターポーザ内に形成され得る。ポリマー導波路８０４およびポリマーインターポーザは、図１のポリマー導波路１１６およびポリマーインターポーザをそれぞれ含むか、またはそれらと対応し得る。ポリマー導波路８０４は、図１のポリマー導波路１１６と同様に、ポリマーコア８１０と、ポリマークラッド８１２とを含み得る。
【００４３】
光学システム８００は、ＳｉＮスラブ８１４であって、ＳｉＮスラブ８１４上またはＳｉＮスラブ８１４の少なくとも上方にＳｉＮ導波路層８０６が形成されているＳｉＮスラブ８１４と、１つまたは複数のＳｉ導波路（図示せず）を有するＳｉ導波路層８１６であって、Ｓｉ導波路層８１６上またはＳｉ導波路層８１６の少なくとも上方にＳｉＮスラブ８１４が形成されているＳｉ導波路層８１６と、ＢＯＸ層８１８であって、ＢＯＸ層８１８上またはＢＯＸ層８１８の少なくとも上方にＳｉ導波路層８１６が形成されているＢＯＸ層８１８と、Ｓｉ基板８２０であって、Ｓｉ基板８２０上またはＳｉ基板８２０の少なくとも上方にＢＯＸ層８１８が形成されているＳｉ基板８２０と、をさらに含み得る。他の実施形態では、光学システム８００の様々な層は、特許文献１に記載されているような他の構成を有し得る。ＳｉＮスラブ８１４、Ｓｉ導波路層８１６、ＢＯＸ層８１８、およびＳｉ基板８２０は、図１，４、および／または５のＳｉＮスラブ１１０、Ｓｉ導波路層１０６、ＢＯＸ層１０４、およびＳｉ基板１０２をそれぞれ含むか、またはそれらと対応し得る。
【００４４】
図８は、図８の光学システム８００に関連し得る様々なパラメータをさらに示している。図示されているように、ＳｉＮ導波路８０２、より具体的にはＳｉＮコア８０８は、幅ｗｔｏｐ及び高さｈｃｏｒｅを有する最上部を有する台形の断面形状を含み得る。ＳｉＮ導波路８０２の側壁とＳｉＮ導波路８０２の最上部に垂直な線との間の角度は、側壁角度αと呼称される。図８に示すように、ＳｉＮ導波路８０２の最上部とポリマー導波路８０４の底部との間に酸化物オーバーレイ８２２が設けられ、酸化物オーバーレイ８２２は厚さまたは高さｈｏｖｅｒｌａｙを有し得る。酸化物オーバーレイ８２２は、ＳｉＯ２または他の適切な酸化物層を含み得る。酸化物オーバーレイ８２２は、ＳｉＮ導波路層８０６の一部として含まれるか、またはＳｉＮ導波路層８０６とは別個であり得、また、酸化物オーバーレイ８２２は、例えばＳｉＮ導波路８０２の最上部のクラッドとして機能し得る。
【００４５】
特許文献１に記載されているように、ＳｉＮ導波路８０２からポリマー導波路８０４へ（またはその逆へ）移動する光信号に関する断熱遷移は、ＳｉＮのテーパ部分の構造および／または実効屈折率を十分に緩慢に変化させることによって達成されて、光がＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分に入射するときに光がそのモードから散乱されず、かつＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分から出射してポリマー導波路８０４に入射するときにこの同じモードで光が伝搬し続けるようになる。即ち、モードが変化せず、かつ光の著しい散乱が起こらないように、ＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分と垂直に変位するポリマー導波路８０４との間で光が徐々に遷移し得る。従って、ＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分から垂直に変位するポリマー導波路８０４の一部と組み合わされたＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分は、断熱結合器の一例である。
【００４６】
ＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分の先端幅を十分に小さく、例えば、少なくとも閾値先端幅と同程度に小さくすることができれば、ポリマー導波路８０４をＳｉＮ導波路８０２に比較的近接して配置することができ、場合によっては、ＳｉＮ導波路８０２と直接接触して配置することができる。しかしながら、所与の製造プロセスの製作限界および／または他の要因により、テーパ部分の先端幅を閾値先端幅と同程度に小さくすることは困難または不可能であり得る。これら及び他の実施形態では、ＳｉＮ導波路８０２とポリマー導波路８０４との間に酸化物オーバーレイ８２２を設けて、ＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分の先端幅が閾値先端幅と少なくとも同程度に小さく作成されない場合に生じる結合効率の低下を補償し得る。これらの及び他の実施形態では、酸化物オーバーレイ８２２の厚さｈｏｖｅｒｌａｙを増加させることにより、ＳｉＮ導波路８０２からポリマー導波路８０４へのまたはその逆の全体的な結合効率を向上させることができる。代替的にまたは付加的に、酸化物オーバーレイ８２２の厚さｈｏｖｅｒｌａｙを増加させることにより、光のＴＭ偏向に対するＳｉＮ導波路８０２における光学モードの実効屈折率を低下させ、ＳｉＮ導波路８０２からポリマー導波路８０４へのまたはその逆の結合効率を向上させることができる。
【００４７】
図９は、本明細書に記載の一実施形態により構成された、様々なオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する図８の断熱結合器に関するＳｉＮ導波路８０２のテーパ部分のテーパ長に応じたＳｉＮインターポーザ結合効率の２組のシミュレーション９００および９０２を示す図である。図９のシミュレーション９００および９０２の組は、ＳｉＮ導波路８０２の幅ｗｔｏｐが１８０ｎｍであり、ＳｉＮ導波路８０２の側壁角度αが３度であり、ＢＯＸ層８１８が１．５μｍの厚さを有し、Ｓｉ基板リークが、シミュレーション９００および９０２の組に含まれているものと仮定する。
【００４８】
第１の組のシミュレーション９００は、光のＴＥ偏光に対するものであり、かつ３５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第１のシミュレーション９００Ａ、２５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第２のシミュレーション９００Ｂ、２００ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第３のシミュレーション９００Ｃ、１５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第４のシミュレーション９００Ｄ、１００ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第５のシミュレーション９００Ｅ、および５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第６のシミュレーション９００Ｆを含む。
【００４９】
第２の組のシミュレーション９０２は、光のＴＭ偏光に対するものであり、かつ３５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第１のシミュレーション９０２Ａ、２５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第２のシミュレーション９０２Ｂ、２００ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第３のシミュレーション９０２Ｃ、１５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第４のシミュレーション９０２Ｄ、１００ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第５のシミュレーション９０２Ｅ、および５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙに対する第６のシミュレーション９０２Ｆを含む。第２の組のシミュレーション９０２から、特にシミュレーション９０２Ｂ〜９０２Ｄから、ＴＭ損失が、１５０ｎｍ〜２５０ｎｍのオーバーレイ厚さで約０．７５ｍｍから約３ｍｍのテーパ部分の長さの範囲で約３．５ｄＢから約０．５ｄＢに改善することがわかる。１５０ｎｍ〜２５０ｎｍのオーバーレイ厚さｈｏｖｅｒｌａｙ（シミュレーション９０２Ｂ〜９０２Ｄ）は、３ｍｍのテーパの長さにおいて損失を約０．５ｄＢに減少させ、５０ｎｍ（シミュレーション９０２Ｆ）、１００ｎｍ（シミュレーション９０２Ｅ）、および３５０ｎｍ（シミュレーション９０２Ａ）の厚さは、ＳｉＮ導波路２０２のテーパ部分の先端幅が少なくとも閾値先端幅と同程度に小さくならない場合には、酸化物オーバーレイ２２２を全く省略した場合と比較して、３ｍｍのテーパの長さでの損失を低減することもできる。したがって、本明細書に記載された実施形態は、概して、５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲、より具体的には１５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲、より具体的には約２００ｎｍ（例えば、２００ｎｍ±１０％）の酸化物オーバーレイを含み得る。
【００５０】
本明細書に記載された実施形態は、Ｓｉ先端幅の製造許容誤差を緩和するために、ＳｉＮ−Ｓｉマルチモード断熱結合器を代替的にまたは付加的に含み得る。図１０は、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された例示的なＳｉＮ−Ｓｉマルチモード断熱結合器１０００（以下、「結合器１０００」）の俯瞰図である。結合器１０００は、図１、図４、図５、および／または図８の光学システム１００，４００，５００，８００のいずれかのような、本明細書に記載の光学システムのいずれかに含まれ得る。結合器１０００は、Ｓｉ導波路１００２とＳｉＮ導波路１００４とを含む。Ｓｉ導波路１００２およびＳｉＮ導波路１００４の各々は、例えば、Ｓｉ導波路１００２用のＳｉのコアまたはＳｉＮ導波路１００４用のＳｉＮのコアと、クラッド（図示せず）とを含む。図１０の例では、ＳｉＮ導波路１００４は、Ｓｉ導波路１００２の上方に垂直に変位しており、かつ半透明として示されており、Ｓｉ導波路１００２がＳｉＮ導波路１００４の下にあることを示している。他の実施形態では、ＳｉＮ導波路１００４は、Ｓｉ導波路１００２の下方に垂直に変位してもよい。
【００５１】
Ｓｉ導波路１００２及びＳｉＮ導波路１００４の各々は、その端部にテーパ部を有する。特に、Ｓｉ導波路１００２はＳｉテーパ１００６を含み、ＳｉＮ導波路１００４はＳｉＮテーパ１００８を含む。Ｓｉテーパ１００６とは反対のＳｉ導波路１００２の端部は、ゲルマニウム（Ｇｅ）検出器のような光受信器に光学的に結合し得る。結合器１０００は、ＳｉＮ導波路１００４からの光をＳｉＮテーパ１００８およびＳｉテーパ１００６を介してＳｉ導波路１００２に断熱結合するように構成され得、この光はＧｅ検出器または他の光受信器に結合される。
【００５２】
図１０の左から右へと、Ｓｉテーパ１００６は、比較的狭い先端からマルチモード光信号に適した幅ｗＳｉを有するマルチモード導波路に徐々に変化してもよい。例示的な実施形態では、Ｓｉテーパ１００６の比較的狭い先端の幅は１００〜１２０ｎｍの範囲内であり、幅ｗＳｉは約１μｍであり得る。Ｓｉテーパ１００６の長さはＬＳｉテーパとして図１０に示されている。Ｓｉテーパ１００６の上方で、ＳｉＮ導波路１００４は、一定の幅および／または高さを有してもよく、例えば、Ｓｉテーパ１００６の上方のＳｉＮ導波路１００４の一部は先細りしていない。
【００５３】
また、図１０の左から右へ、ＳｉＮテーパ１００８は、マルチモード光信号に適した幅ｗＳｉＮから比較的狭い先端まで先細りし得る。例示的な実施形態では、幅ｗＳｉＮは約１μｍであり、ＳｉＮテーパ１００８の比較的狭い先端の幅は約２５０ｎｍであり得る。この例では、幅ｗＳｉおよびｗＳｉＮは同等であるが、他の実施形態では、それらは異なっていてもよい。ＳｉＮテーパ１００８の長さは、図１０においてＬＳｉＮテーパとして示されており、いくつかの実施形態では、約０．０１ｍｍであってもよい。ＳｉＮテーパ１００８の下方で、Ｓｉ導波路１００２は一定の幅および／または高さを有してもよく、例えば、ＳｉＮテーパ１００８の下方のＳｉ導波路１００２の一部は先細りしていない。
【００５４】
図１１は、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態により構成され、図１０の結合器１０００が実施され得る例示的な光学システム１１００を示す。光学システム１１００は、結合器１０００、並びに上述した光学システム１００，４００，５００，８００と同じ又は類似の層及び／又は要素を含み、これらについては繰り返さない。Ｓｉ導波路１００２の導波路コアは、高さｈＳｉおよび幅ｗＳｉを含み得る。ＳｉＮ導波路１００４の導波路コアは、高さｈＳｉＮおよび幅ｗＳｉＮを含み得る。
【００５５】
Ｓｉ導波路１００２のコアの高さｈＳｉは、例示的な実施形態では約３００ｎｍまたは他のいくらかの値であり得る。代替的にまたは付加的に、Ｓｉ導波路１００２のコアの幅ｗＳｉは、Ｓｉ導波路１００２のコアのどの部分が測定されているかに依存して、約１００ｎｍ〜１０００ｎｍ（または０．１μｍ〜１μｍ）であり得る。例えば、Ｓｉ導波路１００２のコアの先端は、約１００ｎｍから１２０ｎｍまでであってもよく、その後、１μｍまで徐々に先細りになる。
【００５６】
ＳｉＮ導波路１００４のコアの高さｈＳｉＮは、例示的な実施形態では約６００ｎｍまたは他のいくらかの値であってもよい。代替的にまたは付加的に、ＳｉＮ導波路１００４のコアの幅ｗＳｉＮは、ＳｉＮ導波路１００４のコアのどの部分が測定されているかに依存して、約２５０ｎｍ〜１μｍであり得る。例えば、ＳｉＮ導波路１００４のコアの先端は約２５０ｎｍであってもよく、その後、１μｍまで徐々に先細りになる。他の実施形態では、ＳｉおよびＳｉＮ導波路１００２および１００４のコアの幅および／または高さｗＳｉ、ｗＳｉＮ、ｈＳｉ、および／またはｈＳｉＮは、前述の値と異なっていてもよい。以下では、「コア」を特定しなくても、対応する導波路のコアに測定値が適用されるという理解で、様々な導波路および／またはテーパの測定について説明する。
【００５７】
図１２Ａは、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態により構成された、１００ｎｍの先端幅を有するＳｉテーパを用いたＳｉＮ導波路からマルチモードＳｉ導波路への光の入力ＳｉＮ  ＴＭ００モードのシミュレートされた結合を示す図１２００Ａを含む。図１２ＡのＳｉＮ導波路およびＳｉ導波路は、図１０および図１１のＳｉＮ導波路１００４およびＳｉ導波路１００２をそれぞれ含むか、またはそれらと対応し得る。図１２Ａのシミュレーションに関して、Ｓｉ導波路のＳｉテーパが、１００ｎｍの比較的狭い先端幅から約１μｍの幅を有するマルチモード導波路に徐々に変化するものと仮定している。また、図１２Ａでは、ＳｉＮ導波路が約１μｍの幅および約０．６μｍの高さを有する長方形（図１１参照）の断面形状を有するものと仮定している。
【００５８】
図１２Ｂは、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された、Ｓｉテーパの長さに応じた図１２ＡのＳｉ導波路におけるシミュレートされた結合を示す図１２００Ｂを含む。図１２Ｂのシミュレーションは、Ｓｉ導波路におけるシミュレートされた結合出力を示し、シミュレートされた結合出力は、ＳｉＮ導波路におけるＳｉＮ  ＴＭ００入力に対応している。特に、第１の曲線１２０２は、Ｓｉ導波路内のＴＭ００モードの光に対するＳｉテーパの長さに応じたシミュレートされた結合を表し、第２の曲線１２０４は、Ｓｉ導波路におけるＴＥ０１モードの光に対するＳｉテーパの長さに応じたシミュレートされた結合を表し、第３の曲線１２０６は、Ｓｉ導波路内の全光パワー（例えば、ＴＭ００モードとＴＥ０１モードの和）に対するＳｉテーパの長さに応じたシミュレートされた結合を表す。図１２Ｂから、２００μｍ以上のＳｉテーパの長さで約９８％の結合効率でＳｉＮ  ＴＭ００モードがＳｉ  ＴＥ０１およびＴＭ００モードに結合することが分かる。
【００５９】
図１０〜図１２Ｂに関して説明したＳｉＮ−Ｓｉマルチモード断熱結合器の実施形態は、ＳｉＮ−Ｓｉスーパーストラクチャ（ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ぶことができる。ＳｉＮ−Ｓｉスーパーストラクチャは、ＳｉＮ−ＳｉスーパーストラクチャのＳｉ導波路の幅に応じて変化し得る実効屈折率を有する。図１３Ａは、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された、様々な光学モードに対するＳｉ導波路幅に応じてシミュレートされたＳｉＮ−Ｓｉスーパーストラクチャの実効屈折率を示す図１３００Ａである。図１３Ａのシミュレーションで使用されるＳｉ導波路幅の範囲は０．１μｍ（１００ｎｍ）から１μｍであり、かつ図４のＳｉテーパ４０６に関するＳｉ導波路幅の１つの範囲に対応しており、例えば、例示的な実施形態によれば、Ｓｉテーパ４０６は、その先端で１００ｎｍであり、Ｓｉテーパ４０６は、１００ｎｍから１μｍまで徐々に変化する。
【００６０】
図１３Ａにおいてシミュレートされた光学モードは、モード１（曲線１３０２）、モード２（曲線１３０４）、モード３（曲線１３０６）、モード４（曲線１３０８）、モード５（曲線１３１０）およびモード６（曲線１３１２）を含み、各モードは、Ｓｉ導波路内、より詳細にはＳｉ導波路のＳｉテーパ内にあるものとしてシミュレートされた光学モードである。
【００６１】
図１３Ｂは、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態により構成された、Ｓｉテーパの先端における、図１３Ａの光学モードの各々の計算された振幅を示す図１３００Ｂである。特に、図１３Ｂは、Ｓｉ導波路幅０．１μｍ、または１００ｎｍにおける図１３Ａの各光学モードの計算された振幅を示す。図１３Ｂから、Ｓｉテーパの先端において光パワーの大部分がモード１（ＴＭ１：７４．６％）とモード３（ＴＭ２：２４．７％）にあることがわかる。
【００６２】
図１４は、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態により構成された、上述のＳｉＮ−Ｓｉスーパーストラクチャにおけるモードの展開を示す様々な図１４０２，１４０４，１４０６を含む。各図は、図１０のＳｉテーパ１００６におけるシミュレートされた光学モードを示す。第１の組の図１４０２は、Ｓｉテーパ１００６の先端におけるモード１（ＴＭ１）およびモード３（ＴＭ２）を示す。第２の組の図１４０４は、Ｓｉテーパ１００６の幅が０．５μｍであるＳｉテーパ１００６内の位置におけるモード２（ＴＭ）、モード３（ハイブリッド）、およびモード４（ハイブリッド）を示す。第３の組の図１４０６は、Ｓｉテーパ１００６の後のこの例では１μｍの幅を有するＳｉ導波路１００２内のモード３（ＴＭ００）およびモード２（ＴＥ０１）を示す。図１４から、ＳｉＮ  ＴＭ００モードが、Ｓｉテーパ１００６の先端において最初にモード１（ＴＭ１：７４．６％）およびモード３（ＴＭ２：２４．７％）に結合し、やがて断熱Ｓｉテーパ１００６中にモードハイブリダイゼーションによりマルチモードＳｉ導波路１００２に達する時までに、モード３（ＴＭ００）及びモード２（ＴＥ０１）に展開することがわかる。
【００６３】
図１２Ａ〜図１４のシミュレーションは、Ｓｉテーパ１００６が先端の１００ｎｍから１μｍまで先細りになると仮定している。図１５は、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態により構成された、Ｓｉテーパ１００６が先端の１２０ｎｍから１μｍまで先細りになると仮定される様々な図１５００Ａ、１５００Ｂ、１５００Ｃを含む。より具体的には、図１５の図１５００Ａは、図１２Ｂの図１２００Ｂに類似しているが、Ｓｉテーパ１００６が先端の１００ｎｍから１μｍの代わりに先端の１２０ｎｍから１μｍに先細りになると仮定している。同様に、図１５の図１５００Ｂは、図１３Ｂの図１３００Ｂに類似しているが、Ｓｉテーパ１００６が先端の１００ｎｍから１μｍの代わりに先端の１２０ｎｍから１μｍに先細りになると仮定している。同様に、図１５の一組の図１５００Ｃは、図１４の一組の図１４０２に類似しているが、Ｓｉテーパ１００６が先端の１００ｎｍから１μｍの代わりに先端の１２０ｎｍから１μｍに先細りになると仮定している。
【００６４】
図１５００Ａにおいて、第１の曲線１５０２は、Ｓｉ導波路内のＴＭ００モードの光に対するＳｉテーパの長さに応じたシミュレートされた結合を表し、第２の曲線１５０４は、ＴＥ０１モードの光に対するＳｉテーパの長さに応じたシミュレートされた結合を表し、第３の曲線１５０６は、Ｓｉ導波路内の全光パワー（例えば、ＴＭ００モードとＴＥ０１モードの和）に対するＳｉテーパの長さに応じたシミュレートされた結合を表す。図１５の図１５００Ａから、約２００μｍ以上のＳｉテーパの長さで約９６％の結合効率でＳｉＮ  ＴＭ００モードがＳｉ  ＴＥ０１およびＴＭ００モードに結合することが分かる。
【００６５】
図１５００Ｂは、０．１２μｍ、または１２０ｎｍのＳｉ導波路幅における図１３Ａの各光学モードの計算された振幅を示す。図１５の図１５００Ｂおよび１５００Ｃから、Ｓｉテーパの先端内では、光パワーの大部分がモード１（３０．３％）およびモード３（６９％）にあることが分かる。
【００６６】
図１６は、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態により構成された１２０ｎｍの先端幅を有するＳｉテーパを用いたＳｉＮ導波路からマルチモードＳｉ導波路への光の入力ＳｉＮ  ＴＭ００モードのシミュレートされた結合を示す図１６００を含む。図１６の図１６００は、図１２００ＡではＳｉテーパ１２０６は、先端の１００ｎｍから１μｍに先細りになると仮定しているが、図１６００では、先端の１２０ｎｍから１μｍまでＳｉテーパ１００６が先細りになると仮定していることを除き、図１２Ａの図１２００Ａに類似している。
【００６７】
図１６のＳｉＮ−Ｓｉ断熱結合器は、以下のパラメータを有する図１０の結合器１０００の実施形態である。図１６の例では、左から右に、Ｓｉテーパ１００６は、２５０μｍ等の少なくとも２００μｍの長さに亘って先端の１２０ｎｍから１μｍまで直線的に先細りになっている。左から右に、ＳｉＮ導波路１００４は、Ｓｉテーパ４０６の長さに亘って１μｍの幅に維持され、ＳｉＮテーパ１００８は、１０μｍの長さに亘って１μｍから２５０ｎｍに直線的に先細りになり、Ｓｉ導波路１００２は１μｍの幅に維持される。ＳｉＮ  ＴＭ００光学モードは、２００μｍのＳｉテーパの長さまたはそれ以上で全伝送（ｔｏｔａｌ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）が９６％よりも大きいＳｉ  ＴＥ０１およびＳｉ  ＴＭ００光学モードに移行し得る。Ｓｉ導波路１００２内のこれらのおよび／または他の光学モードは、Ｓｉ導波路１００２からＧｅ検出器または他の光受信器に結合され得る。
【００６８】
本発明は、その趣旨または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施され得る。記載された実施形態は、すべての点において、例示的なものであって、限定的なものではないとみなされるべきである。従って、本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の意味および範囲内に含まれるすべての変更は、その範囲内に含まれるべきである。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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