(57)【要約】      （修正有）【課題】光チップを外部デバイスに結合するための２つのレンズを有するシステムにおいて、レンズを光チップと整列させるための複雑で高価な動作を排除することのできる、折り曲げられた光路の反射構造を有する光チップを提供する。【解決手段】光チップ１は、基板１０によって支持され、封止層１３によって覆われる導光層１２と、前面又は背面の何れかに一体化されたレンズ１４とを備える。導光層は、表面グレーティングカプラ１２２に結合された導波路１２１を含む。各々が前面又は背面の何れかにある１つ又は複数の反射構造１５２の構成が提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−基板（１０）によって支持され、封止層（１３）で覆われた導光層（１２）と、前記封止層（１３）の側の前面（Ｆ１）と、
−前記基板（１０）の側の背面（Ｆ２）と、
を備える光チップ（１）であって、
前記導光層が、導波路（１２１）及び表面グレーティングカプラ（１２２）を含み、前記表面グレーティングカプラが、前記導波路からの光を受け取り、前記前面又は前記背面の何れかに向けられた光線を形成するように構成され、
前記前面又は前記背面の何れかに一体化され、前記表面グレーティングカプラから又は前記表面グレーティングカプラまで、それを通る光のモードサイズを変更するように構成されたレンズ（１４）を前記光チップがさらに備え、
各々が前記前面又は前記背面の何れかにある１つ又は複数の反射構造（１５１、１５２）の構成を前記光チップがさらに含み、前記構成が、前記背面に反射構造を含み、少なくとも１つの折り曲げ部を有する光路に沿って、前記表面グレーティングカプラと前記レンズとの間に光を伝搬するように作られる、光チップ（１）。
【請求項２】
前記構成の反射構造は、前記前面又は前記背面の何れかに配置された金属層である、請求項１に記載の光チップ。
【請求項３】
前記構成の反射構造は、前記前面又は前記背面の何れかに形成された分布ブラッグ格子である、請求項１に記載の光チップ。
【請求項４】
前記レンズが、前記前面に一体化され、前記表面グレーティングカプラが、光線を前記背面に向け直すように構成され、前記構成が、前記光路に沿って前記背面に単一の反射構造を含む、請求項１から３の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項５】
前記レンズが、前記前面に一体化され、前記表面グレーティングカプラが、光線を前記前面に向け直すように構成され、前記構成が、前記光路に沿って前記前面に第１の反射構造を、前記背面に第２の反射構造を含む、請求項１から３の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項６】
前記レンズが、前記背面に一体化され、前記表面グレーティングカプラが、光線を前記背面に向け直すように構成され、前記構成が、前記光路に沿って、前記背面に第１の反射構造を、前記前面に第２の反射構造を含む、請求項１から３の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項７】
前記レンズが、前記背面に一体化され、前記表面グレーティングカプラが、光線を前記前面に向け直すように構成され、前記構成が、前記光路に沿って、前記前面に第１の反射構造を、前記背面に第２の反射構造を、前記前面に第３の反射構造を含む、請求項１から３の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項８】
前記封止層が、酸化シリコン層、窒化シリコン層、又は酸化シリコンと窒化シリコンとの混合物からなる層である、請求項１から７の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項９】
前記導光層が、絶縁層上に支持され、前記基板と前記絶縁層との間に反射防止層が介在される、請求項１から８の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項１０】
前記基板がガラス製である、請求項１から９の何れか一項に記載の光チップ。
【請求項１１】
表面グレーティングカプラを含み、前面（Ｆ１）及び背面（Ｆ２）を有する光チップ（１）の製造方法であって、前記方法が、前記前面又は前記背面の何れかにレンズ（１４）を形成するステップであって、前記レンズが、前記表面グレーティングカプラから又は前記表面グレーティングカプラまで、それを通る光のモードサイズを変更するように構成されるステップと、各々が前記前面又は前記背面の何れかにある１つ又は複数の反射構造の構成を形成するステップであって、前記構成が、前記背面に反射構造を含み、前記少なくとも１つの折り曲げ部を有する光路に沿って前記表面グレーティングカプラと前記レンズとの間で光を伝播するように形成されているステップと、を含む、光チップ（１）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、光集積チップである。本発明は、より詳細には、例えば、別の光チップ、光ファイバ又は一組の光ファイバを用いた、光チップと外部デバイスとの光結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
“フォトニック集積回路”を含む光チップは、シリコンフォトニック技術用のＳＯＩ（“Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ”）基板、又はＩＩＩ−Ｖフォトニック技術用のＩｎＰ（インジウムリン）又はＧａＡｓ（ガリウムヒ素）基板上に製造される。
【０００３】
フォトニック回路は一般に外界と通信するので、光ファイバ等の外部デバイスからの光を回路に注入することが可能でなければならず、その逆もあり得る。ファイバと回路との間の光のこの結合のためのシリコンフォトニクスにおける最も頻繁に使用される構成要素は、表面グレーティングカプラであり、それは、最初に、回路のガイド内を伝搬する光学モードのサイズを、標準シングルモードファイバで伝搬するモードのサイズに適応させることができ、第２に、光チップの平面内の誘導伝播から、チップの平面にほぼ垂直な自由空間内での伝搬に変化することができる。
【０００４】
シリコン技術を用いると、この構成要素は、光チップの平面内の導波路からの光を垂直からの角度、しばしば約８°の角度で切断されたシングルモードファイバに結合することができる。そのモードサイズＤｏは、単一ファイバモードサイズに類似するように設計されており、その直径は、約９．２μｍであり、光チップのシリコン導波路と劈開シングルモードファイバとの間の光の最適結合に対応する。その損失は、表面グレーティングカプラとシングルモードファイバとの間の幾何学的位置合わせが最適である場合、１〜４ｄＢの光学的損失である。１ｄＢの追加の損失を発生させる光学アラインメントの間の半径方向のずれとして特徴付けられるグレーティングファイバアライメント公差は、約±２μｍである。
【０００５】
このアライメント公差を広げて、アライメント動作をより簡単にすること、特に、安価なパッシブアライメント技術を用いてアライメント動作をより簡単にすることができるようにするために、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ、Ｐａｃｋａｇｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．６、Ｎｏ．７、Ｊｕｌｙ  ２０１６における“１−Ｔｂ／ｓ容量を有するオンボードシリコンフォトニクスベーストランシーバー”というタイトルのＳ．Ｂｅｒｎａｂｅらによる論文（非特許文献１）には、光チップに固定された第１のレンズと、光ファイバに固定された第２のレンズとからなる２つのレンズを有するシステムの使用を開示している。このシステムは、光ファイバが挿入されるレンズコネクタを使用することができ、その結果、第２のレンズに対してそれを位置決めする。第１のレンズは、光チップと非常に精密に位置合わせされ、次いでそれに固定されなければならない。チップ＋第１のレンズアセンブリと第２のレンズ＋ファイバアセンブリとの間のアライメント公差は、±４０μｍまで増加する。
【０００６】
図１は、光チップ、及びチップの一面に追加され固定された第１のレンズＬの概略断面図を示す。光チップは、厚さＴ１０（例えば７５０μｍ）のシリコン基板１０に支持され、厚さＴ１３（例えば３μｍ）の封止層１３で覆われた厚さＴ１２（例えば３００ｎｍ）の導光層１２を含む。光チップは、封止層１３の側に前面Ｆ１を有し、基板１０の側に背面Ｆ２を有する。
【０００７】
導光層は、フォトニック構成要素（導波路、表面グレーティングカプラ、ＰＮ変調器等）を支持し、その製造は、例えばシリコンオンインシュレータ層のエッチングを含むことができる。そのような場合、導光層１２は、厚さＴ１１（例えば、８００ｎｍ）の埋込み酸化物層（ＢＯＸ）によって基板１０から分離される。
【０００８】
導光層１２は、導波路から光を受け取り、光チップの前面Ｆ１に向けて導波路から光線を形成するように構成された表面グレーティングカプラ１２２に結合された導波路１２１を含む（またはその逆）。導波路１２１及び表面グレーティングカプラ１２２は、ここでは光が光チップから抽出されるときにＹ方向に沿って図の面内のこれらの構成要素内を光が伝搬する縦断面で示されている。
【０００９】
導光層１２はまた、ＰＮ接合を有する導波路からなる変調器１２３のような能動構成要素を含むことができ、この場合、この構成要素では図の平面に垂直に伝搬する光が断面で示される。
【００１０】
封止層１３は、一般に光チップの金属電気相互接続レベルを含む。この層は、マイクロエレクトロニクスで使用される製造方法における“バックエンドオブライン”（ＢＥＯＬ）として知られている。その厚さＴ１３は、数ミクロン（例えば３μｍ）であり、それは、誘電材料とエッチングされた金属線からなる。光チップ（変調器、光検出器）のアクティブフォトニック構成要素を制御又は読み取るように設計された電子チップＰＥは、一般に光チップ上に転写される。従って、図１では、チップＰＥは、例えば、銅マイクロピラー３３によって、導光層内の変調器１２３に電気的に接続されている。電子チップＰＥと光チップとの間の隙間は、チップＰＥを光チップと共に機械的に保持するように、ポリマー材料からなる充填層３４で充填される必要がある。
【００１１】
レンズＬは、光チップの前面Ｆ１上に配置され、表面グレーティングカプラ１２２に面し、表面グレーティングカプラから又は表面グレーティングカプラまで、それを通る光のモードサイズを変更する。例えば、このレンズは、銅マイクロピラー３３によって光チップに固定されてもよく、レンズＬと光チップとの間の隙間は、ポリマー材料からなる同じ充填層３４によって充填される。この種の設置方法では、充填層３４は、表面グレーティングカプラ１２２とレンズＬとの間の光線の光路上にある。ポリマー材料のこの層を挿入することにより、追加の光損失が生じる。
【００１２】
表面グレーティングカプラからの出力で、波長λ及びモードサイズＤｏ＝２×ｗｏを有する光源を広げかつ視準を合わせるために、レンズＬの空気中の焦点距離は、Ｆａｉｒ＝Ｄｉ×（π×ｗｏ／２λ）に等しくなければならず、Ｄｉは、第１のレンズからの出力における広げられた光線のサイズである。約１００μｍの直径Ｄｉを有する、拡大され視準を合わせられた光線を得るために、簡略化のために、表面グレーティングカプラからの出力角度を垂直に対して０°と仮定すると、波長１．３１μｍで屈折率が１．４５を有するシリカガラスで作られた凸レンズは、以下の特徴を有していなければならない。
−約６００μｍに等しい空気中の焦点距離Ｆａｉｒに対応する、約８６０μｍに等しい厚さＴＬ；
−曲率半径約２７０μｍ；
−直径約１０μｍ；
−約６μｍのサジタル深さＳＡＧ。
【００１３】
レンズＬの光チップとの位置合わせ公差は、±２μｍである。レンズＬは、光チップに固定される前に、光チップと非常に正確に位置合わせされなければならない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】“１−Ｔｂ／ｓ容量を有するオンボードシリコンフォトニクスベーストランシーバー”、Ｓ．Ｂｅｒｎａｂｅ等、米国電気電子学会、部品、パッケージング及び製造技術、第６巻、第７号、２０１６年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、光チップを外部デバイスに結合するための２つのレンズを有するシステムにおいて、レンズを光チップと整列させるための複雑で高価な動作を排除することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これを達成するために、本発明は、基板によって支持され、封止層で覆われた導光層を備える光チップを開示する。光チップは、封止層の側に前面を有し、基板の側に背面を有する。導光層は、導波路から光を受け取り、前面又は背面の何れかに向けられた光線を形成するように構成された表面グレーティングカプラに結合された導波路を含む。光チップはまた、前面又は背面の何れかに一体化されたレンズを備え、表面グレーティングカプラから又は表面グレーティングカプラまで、それを通る光のモードサイズを変更するように構成される。光チップはまた、各々が前面又は背面の何れかにある１つ又は複数の反射構造の構成を含む。この構成は、背面に反射構造を含み、少なくとも１つの折り曲げ部を有する光路に沿って表面グレーティングカプラとレンズとの間の光の伝搬を保証するように作られる。
【００１７】
このチップのいくつかの好ましいが非限定的な態様は、以下の通りである。
−前記構成の反射構造は、前面又は背面の何れかに配置された金属層である；
−前記構成の反射構造は、前面又は背面の何れかに形成された分布ブラッグ格子である；
−レンズは、前面に一体化されており、表面グレーティングカプラは、光線を背面に向け直すように構成され、この構成は、光路に沿って、背面に単一の反射構造を含む；
−レンズは、前面に一体化され、表面グレーティングカプラは、光線を前面に向け直すように構成され、この構成は、光路に沿って前面に第１の反射構造を含み、背面に第２の反射構造を含む；
−レンズは、背面に一体化されており、表面グレーティングカプラは、光線を背面に向け直すように構成され、この構成は、光路に沿って、背面に第１の反射構造を含み、前面に第２の反射構造を含む；
−レンズは、背面に一体化されており、表面グレーティングカプラは、光線を前面に向け直すように構成され、この構成は、光路に沿って、前面に第１の反射構造を含み、背面に第２の反射構造を含み、前面に第３の反射構造を含む；
−封止層は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、又は酸化シリコンと窒化シリコンとの混合物からなる層である；
−導光層は、絶縁層上に支持され、反射防止層は、基板と絶縁層との間に介在される；
−基板は、ガラス製である。
【００１８】
本発明はまた、そのような光チップを製造する方法にも関連し、この方法は、各々がチップの前面又は背面の何れかにある１つ又は複数の反射構造の構成を形成するステップを含み、この構成は、背面に反射構造を含み、少なくとも１つの折り曲げ部を有する光路に沿って表面グレーティングカプラとレンズとの間で光を伝搬するように形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明の他の態様、目的、利点及び特徴は、非限定的な例として与えられる本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読めば、添付の図面を参照してよりよく理解されるであろう。
【００２０】
【図１】既に上で議論したものであり、レンズが追加された光チップの概略断面図である。
【図２】背面に光を向ける表面グレーティングカプラ及び前面に一体化されたレンズを有する、本発明による光チップの概略図である。
【図３】本発明による光チップの１つの可能な設計を示す、図２の図面に類似した断面図である。
【図４】背面に光を向ける表面グレーティングカプラ及び背面に一体化されたレンズを有する、本発明による光チップの概略断面図である。
【図５】前面に光を向ける表面グレーティングカプラ及び前面に一体化されたレンズを有する、本発明による光チップの概略断面図である。
【図６】前面に光を向ける表面グレーティングカプラ及び背面に一体化されたレンズを有する、本発明による光チップの概略断面図である。
【図７】図２の光チップの製造実施形態の第１の例を示す。
【図８】図２の光チップの製造実施形態の第１の例を示す。
【図９】図２の光チップの製造実施形態の第１の例を示す。
【図１０】図２の光チップの製造実施形態の第１の例を示す。
【図１１】図２の光チップの製造実施形態の第１の例を示す。
【図１２】図２の光チップの製造実施形態の第２の例を示す。
【図１３】図２の光チップの製造実施形態の第２の例を示す。
【図１４】図２の光チップの製造実施形態の第２の例を示す。
【図１５】図２の光チップの製造実施形態の第２の例を示す。
【図１６】図２の光チップの製造実施形態の第２の例を示す。
【図１７】レンズが背面に一体化された光チップの製造実施形態の一例を示す。
【図１８】レンズが背面に一体化された光チップの製造実施形態の一例を示す。
【図１９】レンズが背面に一体化された光チップの製造実施形態の一例を示す。
【図２０】レンズが背面に一体化された光チップの製造実施形態の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、光チップと外部デバイスとの間のアライメント公差を増加させることができる、モードサイズ拡大システム、典型的には２つのレンズを有するシステムを使用する光チップの外部デバイスとの光結合に関する。本発明による光チップは、図１を参照して上述したものと同様である。しかし、レンズは前面に付加されて固定されず、前面又は背面の何れかに直接一体化される。異なる図面上の同じ要素は、同一の参照符号を有する。
【００２２】
図２、図３及び図５は、前面にレンズが一体化された本発明による光チップの例を示し、図４及び図６は、背面に一体化されたレンズを有する本発明による光チップの例を示す。これらの図を参照すると、本発明は、基板１０によって支持され、封止層１３で覆われた導光層１２を備える光チップ１に関する。埋め込み酸化物層１１は、導光層１２と基板１０との間に介在されてもよい。封止層１３は、シリコン酸化物層、シリコン窒化物層、又はシリコン酸化物とシリコン窒化物との混合物からなる層であってもよい。ＳＡＧ値は、屈折率ｎ＝１．４５のＳｉＯ２より高い屈折率ｎ＝２を有するシリコン窒化物層内に、又は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物の混合物からなる層内に、レンズを作ることによって低減され得ることが注目される。
【００２３】
基板１０は、シリコン、インジウムリン又はガリウム砒素からなる基板とすることができる。１つの可能な実施形態では、基板１０は、埋め込み酸化物層１１と基板１０との間の界面における光学損失を制限する利点を有するガラス基板である。
【００２４】
光チップ１は、封止層１３の側の前面Ｆ１と、基板１０の側の背面Ｆ２とを有する。導光層は、導波路から光を受け取り、この光から前面又は背面の何れかに向けられた光線を形成するように構成された表面グレーティングカプラに結合された導波路１２１を含む。このように、表面グレーティングカプラは、例えばチップの平面に対して垂直に対して約８°の角度を形成する、チップの平面内に導かれた伝播から準垂直伝搬に変化する。
【００２５】
光チップはまた、前面又は背面の何れかに一体化されたレンズ１４を備え、表面グレーティングカプラから又は表面グレーティングカプラまで、それを通る光のモードサイズを変更するように構成されている。一体化されたレンズを有する光チップは、例えば光回路、電気光学回路、光チップ、１つ又は複数の光ファイバ等、チップに面して配置された別のデバイスに光学的に結合され、このデバイスは、光チップに一体化されたレンズ１４と逆の機能を果たすレンズに固定された少なくとも１つの光入力及び／又は光出力を有する。レンズ１４は、典型的にはエッチングによって前面又は背面の何れかにキャップが形成される球面ディオプターの形態である。
【００２６】
レンズを光チップに組み込むことにより、本発明は、高精密なアライメント及びレンズとチップとの間の設置（solidarisation）の必要性を排除することができる。光チップに組み込まれたレンズは、特に、レンズがウェハで製造されるという事実、特に、レンズの製造が光チップを製造する標準的な方法に完全に統合されているという事実を意味する。
【００２７】
本発明者は、シリカガラスレンズを使用して直径１００μｍの広がった視準が合わされた光線を得るためには、レンズの厚さが約８６０μｍでなければならないことを既に確認してきた。その結果、表面グレーティングカプラ１２２とチップの前面Ｆ１との間の光路は、ほんの数ミクロンのシリカであるので、レンズは、光チップの前面Ｆ１上に一体化することができない（その厚さは全体的に、封止層１３の厚さＴ１３、例えば３μｍに等しい）。
【００２８】
また、基板１０が十分に厚くないので、導波路から受け取った光線を背面に向けて導くように構成された表面グレーティングカプラ１２２を使用して、レンズをチップの背面Ｆ２に一体化することも不可能である。この場合、表面グレーティングカプラ１２２とチップの背面Ｆ２との間の光路の長さは、基板１０の厚さＴ１０とほぼ等しいと仮定することができる。Ｓｉ、ＩｎＰ又はＧａＡｓ基板の場合、１．３１μｍの波長における光学屈折率は約３．５であり、直径１００μｍの広がった視準が合わされた光線を得るために必要な材料の厚さは２１００μｍ程度である。厚さＴ１０は、典型的には、直径２００ｍｍのシリコン基板では７５０μｍ±２５μｍ、直径７５ｍｍのＩｎＰ基板では６２５μｍ±２５μｍ、直径７５ｍｍのＧａＡｓ基板では４５０μｍに等しい。従って、基板１０の厚さは、光線の直径を十分に広げることができるには一般に不十分である。
【００２９】
図２から図６を参照して、光チップの前面又は背面にレンズを組み込む際のこれらの困難を克服するために、光チップはまた、各々が前面又は背面に配置される１つ又は複数の反射構造１５１、１５２、１５３の構成を備える。この構成は、表面グレーティングカプラ１２２とレンズ１４との間の光の少なくとも１つの折り曲げ部を有する光路に沿った光の伝播を確実にするようになされる。
【００３０】
より詳細には、この構成は、背面に反射構造を含む。このように、レンズが前面又は背面に一体化されているかどうかにかかわらず、光路は、基板１０を通る少なくとも１回の二重通過を含む。このように焦点距離を長くすることにより、レンズ１４により光線の直径を良好に広げることができる。
【００３１】
一実施形態では、前記構成の反射構造は、前面又は背面の何れかに堆積された金属層、例えば金、銀又はアルミニウム層である。１つの変形実施形態では、前記構成の反射構造は、前面又は背面の何れかに堆積された層の積層体からなる分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector:DBR）である。
【００３２】
反射構造は、光チップの前面又は背面の何れかに局所的に形成される。代替的に、反射構造は、光チップの前面又は背面の全体に、例えば背面全体にわたって、特に図２の例で形成することができる。
【００３３】
以下の説明は、光チップ導波路から外部デバイスに向かう光透過（光の抽出）の例に特に適用可能であり、レンズは、光の出口ポートを形成する。しかしながら、提示された原理は、外部デバイスから光チップ導波路に向かう光の透過（光の注入）と同一であり、レンズは光の入力ポートを形成する。したがって、表面グレーティングカプラ１２２は、導波路から光を受け取り、導波路から背面Ｆ２に向かって光線を形成し、反射構造によって反射されてレンズに到達し、通過するように構成されるだけでなく、レンズを通過して反射構造上で反射された後に背面から光線を受け取り、この光線を導波路に向かって伝達するように構成されている。
【００３４】
図２及び図３は、光チップの前面にレンズを組み込む第１の例を示している。この例では、表面グレーティングカプラ１２２は、導波路から光を受け取り、それから背面Ｆ２に向かって光線を形成するように構成される。この場合、１つ又は複数の反射構造の前記構成は、背面Ｆ２上に単一の反射構造１５２を含む。表面グレーティングカプラ１２２からの出力光線は、この反射構造１５２によって前面Ｆ１上のレンズ１４に向けて反射される。
【００３５】
図３は、表面グレーティングカプラ１２２とレンズ１４との間の光路に沿った光線が従う角度を示す。従って、ＳｉＯ２埋込み酸化物層１１における角度θ１は、約８°である。シリコン基板１０における角度θ２は、約３°である。前面Ｆ１上のレンズにおける表面グレーティングカプラの光路ＣＯは、ＣＯ＝２×Ｔ１１／ｃｏｓ（θ１）＋２×Ｔ１０／ｃｏｓ（θ２）＋（Ｔ１２＋Ｔ１３）／ｃｏｓ（θ１）となる。この光路は、２×Ｔ１０と近似することができ、誤差は、０．５％未満である。厚さＴ１０＝７５０μｍのシリコン基板１０を２回通過させると（図２及び図３の実施形態において）、空気中でのレンズの等価焦点距離は、約４３０μｍであり、レンズ１からの出力における光線の直径を約７５μｍに広げることができる。
【００３６】
図３を参照すると、表面グレーティングカプラ１２２の中心をレンズの中心から分離する距離ｄｔｏｔは、ｄｔｏｔ＝ｄ１＋２×ｄ２＋ｄ３、すなわち近似的に２×ｄ２＝２×Ｔ１０×ｔａｎ（θ２）＝８７μｍとなる。レンズの直径は、８０μｍであり、レンズの端部と表面格子との間の距離は、ｄｔｏｔ−ｄ／２＝４７μｍとなる。レンズは、ＳｉＯ２で作られており、サジッタＳＡＧは、約９μｍである。窒化ケイ素ＳｉＮｘからなる場合、ＳＡＧは、約４．５μｍに等しい。
【００３７】
図４は、光チップの背面にレンズを組み込む第１の例を示す。この例では、表面グレーティングカプラ１２２は、導波路から光を受け取り、導波路から背面Ｆ２に向かって光線を形成するように構成される。この場合、１つ又は複数の反射構造の前記構成は、背面Ｆ２上の第１の反射構造１５２と、前面Ｆ１上の第２の反射構造１５１とを含む。表面グレーティングカプラ１２２からの出力光線は、第１の反射構造１５２によって第２の反射構造１５１に向けて反射され、次に第２の反射構造１５１から背面にあるレンズ１４に向けて反射される。この例では、表面グレーティングカプラからレンズへの光路は、約３×Ｔ１０であり得る。Ｔ１０＝７５０μｍのとき、レンズ１の出力における光線の直径を約１１０μｍに広げることができる。
【００３８】
図５は、光チップの前面にレンズを組み込む第２の例を示す。この例では、表面グレーティングカプラ１２２は、導波路から光を受け取り、導波路から前面Ｆ１に向かって光線を形成するように構成される。この場合、１つ又は複数の反射構造の前記構成は、前面Ｆ１上の第１反射構造１５１と、背面Ｆ２上の第２反射構造１５２とを含む。表面グレーティングカプラ１２２からの出力光線は、第１の反射構造１５１によって第２の反射構造１５２に向けて反射され、次に第２の反射構造１５２から前面のレンズ１４に向けて反射される。この例では、表面グレーティングカプラからレンズへの光路は、約２×Ｔ１０であり得る。
【００３９】
図６は、光チップの背面にレンズを組み込む第２の例を示す。この例では、表面グレーティングカプラ１２２は、導波路から光を受け取り、導波路から前面Ｆ１に向かって光線を形成するように構成される。この場合、１つ又は複数の反射構造の前記構成は、前面Ｆ１上の第１反射構造１５１、背面Ｆ２上の第２反射構造１５２、及び前面Ｆ１上の第３反射構造１５３を含む。表面グレーティングカプラ１２２からの出力光線は、第１の反射構造１５１によって第２の反射構造１５２に向けて、次に第２の反射構造１５２から第３の反射構造１５３に向けて、最後に第３の反射構造１５３から背面のレンズ１４に向けて反射される。この例では、表面グレーティングカプラからレンズへの光路は、約３×Ｔ１０であり得る。
【００４０】
レンズの背面（図４及び図６）への一体化は、前面へのレーザの集積、特にＩＩＩ−Ｖレーザの集積を伴うことができることに留意されたい。
【００４１】
光チップ（図１）に加えられたレンズのアライメント公差は、２μｍに等しいことが既に分かっている。この公差は、本発明の使用によってかなり増加される。従って、基板内の光路を２倍にすることによって１８μｍ以上に増加し（図２及び図５）、基板内の光路を３倍にすることによって２８μｍ以上に増加する（図４及び図６）。
【００４２】
１つの可能な実施形態では、例えばレンズコネクタ標準に適合するように、広げられた光線の直径を適合させるために基板を薄くする。
【００４３】
埋め込み酸化物層１１と基板１０との間の界面を横切るときのフレネル損失（ＳｉＯ２層１１とＳｉ基板１０とで０．８ｄＢである）を制限するために、反射防止層（例えば、λ／４の厚さを有するシリコン窒化物層であって、λは、光線の波長と等しい）を層１１と基板１０との間に配置することができる。
【００４４】
埋め込み酸化物層１１の材料としてＳｉＯ２を使用する代わりに、窒化シリコンＳｉＮｘ又はＳｉＯ２とＳｉＮｘの混合物を使用することも可能である。層１１と基板１０との間の界面の交差部における損失は、約２の有効屈折率を有する窒化ケイ素の層で約０．３ｄＢである。
【００４５】
例えばホウケイ酸ガラスからなるガラス基板の使用は、層１１−基板１０界面での光学損失をなくすことができる。
【００４６】
以下に、本発明による光チップの２つの製造実施形態の例、より具体的には図２に示す実施形態によるチップについて説明する。これらの例は、第１の例では、表面グレーティングカプラが光を下方に向けるように設計され、第２の例では光を上方に向けるように設計されている点で異なる。
【００４７】
第１の実施形態の枠組みにおいて、この方法は、表面シリコン層１２とシリコン基板１０との間に挿入された埋め込み酸化物層１１を有するＳＯＩ基板を提供することによって（図７）、並びに、表面層１２の全部又は部分的な局所的エッチング及び変調器の場合の埋め込みによるフォトニック構成要素（導波路１２１、表面グレーティングカプラ１２２、ＰＮ変調器１２３等）の製造（図８）によって開始する。埋め込み酸化物層１１と基板１０との間に反射防止層（図示せず）を介在させることができる。
【００４８】
次のステップ（図９）は、ＢＥＯＬ封止層１３の製造である。図示されているように、この層は、光チップの電気的相互接続の金属レベルを含み、この場合、変調器１２３を電子チップに接続する。次いで、レンズ１４を層１３内に製造する（図１０）。それは、ＢＥＯＬの誘電体材料又は別の堆積された封止材料で製造することができる。この製造は、例えばレーザ加工又は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の機械的エッチングを含み、層１３の表面上に球状ディオプターを形成することができる。マスクを介して感光性樹脂を塗布した後にエッチングを行って樹脂ボスと前記樹脂ボスのクリープを形成してもよい。一度レンズ１４が形成されると、その上に反射防止処理を施すことができる。次のステップは、例えば金属層の堆積によって、背面（図１１）上に反射構造１５２を形成することである。しかしながら、この操作は、他の時間、例えば処理の開始時に行うことができる。
【００４９】
第２の実施形態の枠組みにおいて、この方法は、表面シリコン層１７とシリコン基板１５との間に挿入された埋め込み酸化物層１６を有するＳＯＩ基板を提供することによって（図１２）、並びに、表面層１７の全部又は部分的な局所的エッチング及び変調器の場合の埋め込みによるフォトニック構成要素（導波路１２１、表面グレーティングカプラ１２２、ＰＮ変調器１２３等）の製造（図１３）によって開始する。
【００５０】
次のステップ（図１４）は、誘電材料からなる封止層１８の形成と、局在化されていてもいなくてもよい反射防止層１９の任意の堆積である。次のステップ（図１５）は、背面上の反射構造１５２を有する基板１０上の構造を裏返すことである。次のステップは、第１の基板１５を除去し、ＢＥＯＬ封止層１３及びレンズ１４を製作することである（図１６）。
【００５１】
１つの変形実施形態では、第２の基板１０を裏返す前に、電気相互接続ラインを層１８内に形成することができる。この場合、第２の基板１０はまた、層１８内の接続部に接続されたとき、光チップの背面に加えられた電子チップに変調器を接続する電気相互接続を含む。
【００５２】
以下では、本発明による光チップの別の例示的な実施形態、より詳細には背面に一体化されたレンズを有するチップを説明する。この方法は、表面シリコン層１２１とシリコン基板１０との間に埋め込まれた埋め込み酸化物層１１を有するＳＯＩ基板の提供を開始する（図１７）。レンズＬは、基板１０の背面Ｆ２上に製作され（図１８）、続いて、表面層１２の部分的又は全体的な局所的エッチングによってフォトニック構成要素（導波路１２１、表面グレーティングカプラ１２２、ＰＮ変調器１２３等）が製造され、変調器の場合に注入が行われる（図１９）。次に、図２０を参照すると、電気相互接続ラインを統合したＢＥＯＬ封止層１３が形成され、続いて前面Ｆ１上にミラー１５１が形成される。示されているように、得られた結果は、折り曲げ部を有する光路であるが、基板との単一パスである。ミラー１５１は、図６に示す構成を実現するために、ミラー１５２及び１５３を伴う。
【００５３】
これらの方法は、光チップ上に複数のレンズを集合的に製造するために使用することができ、これらのレンズは、例えば、一組の光ファイバ又は一組の光チップへの光学チップの結合に関与するように設計される。その後、単一のアライメント動作が必要である（ウェハでのリソグラフィアライメント）。複数のアライメントを実行する代わりに、複数のチップに対して単一のアライメントが必要となるように、同じウェハ上に同時に幾つかのチップ及びそのレンズを製造することが可能である。
【００５４】
本発明は、光チップに限定されず、その製造方法、特に同じウェハ上に複数のチップを一括して製造する方法も含む。この方法は、表面又は背面の何れかにそれぞれ１つ又は複数の反射構造の構成を形成することを含み、前記構成は、少なくとも１つの折り曲げ部を有し、基板を通る通路に沿って、光が表面グレーティングカプラ及びレンズから光チップ内を伝播するように形成される。この方法は、光チップの前面又は背面の何れかにレンズを形成し、表面グレーティングカプラから又は表面グレーティングカプラまで、それを通る光のモードサイズを変更するように構成されている。
【００５５】
本発明はまた、本発明による光チップと、チップに一体化されたレンズによって実行される機能とは逆の機能を実行するレンズを備えた外部デバイスとを含むシステムを含み、チップ及び外部デバイスは、２つのレンズからなるモードサイズを広げるためのシステムを用いて光学的に結合される。
【符号の説明】
【００５６】
１  光チップ
１０  基板
１１  埋込み酸化物層
１２  導光層
１３  封止層
１４  レンズ
１６  埋め込み酸化物層
１７  表面シリコン層
１８  封止層
１９  反射防止層
３３  銅マイクロピラー
３４  充填層
１２１  導波路
１２２  表面グレーティングカプラ
１２３  変調器
１５１  反射構造
１５２  反射構造
１５３  反射構造
Ｆ１  前面
Ｆ２  背面
Ｌ  レンズ
ＰＥ  電子チップ
Ｔ１０  厚さ
Ｔ１１  厚さ
Ｔ１２  厚さ
Ｔ１３  厚さ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【外国語明細書】
2018194843000001.pdf