(57)【要約】      （修正有）【課題】基板によって支持され、封入層で覆われた光ガイド層を含むフォトニックチップに関する。【解決手段】チップは、封入層の側の前面Ｆ１と、基板の側の背面Ｆ２とを有する。光ガイド層は、導波路からの光を受け取り、前面または背面のいずれかに向けて指向された光ビームを形成するように構成された垂直結合器１２２に光学的に結合された光ガイド構造１２１を含む。チップはまた、光ガイド層内に少なくとも部分的に形成されたコリメーション構造１４と、前面または背面のいずれかの上の１つまたは複数の反射構造体１５１、１５２の構成を含む。この構成は、少なくとも１つの折り返しを有する光学経路に沿って垂直結合器とコリメーション構造との間の光の伝搬を確実に行うように形成される。【選択図】図１
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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、封入層（１３）によって覆われた光ガイド層（１２）を含むフォトニックチップ（１）であって、前記フォトニックチップが、前記封入層（１３）の側の前面（Ｆ１）と、前記基板（１０）の側の背面（Ｆ２）と、を有し、前記光ガイド層が、導波路からの光を受け取り、前記前面または前記背面のいずれかに向けて指向された光ビームを形成するように構成された垂直結合器（１２２）に光学的に結合された光ガイド構造（１２１）を含み、
前記フォトニックチップが、前記光ガイド層１２に少なくとも部分的に形成されたコリメーション構造（１４）を含み、
前記フォトニックチップが、前記前面または前記背面のいずれかの上に１つまたは複数の反射構造体（１５１、１５２）の構成要素を含み、前記構成が、少なくとも１つの折り返しを有する光学経路に沿って、前記垂直結合器と前記コリメーション構造との間に光を伝搬させるように形成されたことを特徴とする、フォトニックチップ。
【請求項２】
前記結合器（１２２）が表面格子結合器である、請求項１に記載のフォトニックチップ。
【請求項３】
前記コリメーション構造（１４）が、前記光ガイド層内に形成された複数の溝（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を含み、前記溝が、一組のパターン（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）を画定し、各パターンが前記前面及び背面に対して直交する方向に、変化しない厚さを有する、請求項１または２に記載のフォトニックチップ。
【請求項４】
前記パターンのすべてが同じ厚さを有する、請求項３に記載のフォトニックチップ。
【請求項５】
前記パターンの厚さが、前記光ガイド層の厚さと少なくとも等しい、請求項３または４に記載のフォトニックチップ。
【請求項６】
前記パターンが、前記パターンの寸法が１つの周期から別の周期まで変調される、周期的２次元格子を形成する、請求項３から５のいずれか一項に記載のフォトニックチップ。
【請求項７】
前記光ガイド層が、屈折率ｎｃを有するコア材料内に形成され、前記溝が、空気を含んで残され、または前記コア材料の屈折率ｎｃよりも小さな屈折率ｎｒを有する内部充填材料で充填された、請求項３から６のいずれか一項に記載のフォトニックチップ。
【請求項８】
前記基板が厚さＴｈを有し、前記垂直結合器から前記コリメーション構造上に入射する光ビームが、前記前面及び前記背面に対して垂直な軸とある角度θ２をなし、前記コリメーション構造が中心及び、前記前面及び前記背面に対して直交し、前記中心を通過する中央軸を有し、前記コリメーション構造の中央軸と、前記垂直結合器の中心を通過する前記前面及び前記背面に対して直交する軸が、２×Ｔｈ＊ｔａｎθ２の距離だけオフセットされた、請求項３から７のいずれか一項に記載のフォトニックチップ。
【請求項９】
前記コリメーション構造（１４）が、前記チップの前記前面または前記背面に対する法線に沿って、前記垂直結合器から、通過する光を抽出するように構成された、請求項１から８のいずれか一項に記載のフォトニックチップ。
【請求項１０】
前記基板（１０）がシリコンからなり、前記光ガイド層（１２）が、誘電体材料からなる層（１１）上に支持され、反射防止層が、前記基板（１０）と、誘電体材料からなる前記層（１１）との間に介在された、請求項１から９のいずれか一項に記載のフォトニックチップ。
【請求項１１】
基板（１０）によって支持され、封入層（１３）で覆われた光ガイド層（１２）を含むフォトニックチップ（１）を製造する方法であって、前記フォトニックチップが、前記封入層（１３）の側の前面（Ｆ１）と、前記基板（１０）の側の背面（Ｆ２）とを有し、前記光ガイド層が、導波路からの光を受け取り、前記前面または前記背面のいずれかに向けて指向された光ビームを形成するように構成された垂直結合器（１２２）に光学的に結合された光ガイド構造（１２１）を含み、
前記方法が、少なくとも部分的に前記光ガイド層（１２）内にコリメーション構造（１４）を形成する段階と、前記前面及び前記背面のうち一方の上に１つまたは複数の反射構造体（１５１、１５２）の構成を形成する段階と、を含み、前記構成が、少なくとも１つの折り返しを有する光学経路に沿って前記垂直結合器と前記コリメーション構造との間で光を伝搬させるように形成される、フォトニックチップ（１）を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、チップまたは集積回路上の集積化フォトニクスである。本発明は、例えば別のフォトニックチップ、光ファイバーもしくは１組の光ファイバーを有する外部デバイスとの結合のための幅を広げられたモードサイズを有する光ビーム、または自由伝搬における光ビームの受光／放出のための、チップへの入力／チップからの出力を有して提供されたフォトニックチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
「フォトニック集積回路」は、光導波路によって互いに相互接続されたいくつかの構成要素を含む。フォトニック回路は一般に外界と通信することを必要とされるため、ガイドされていない光ビームの形態で回路に光を入射し、または回路から光を抽出することが可能でなければならない。
【０００３】
２種類の垂直結合器が、チップの平面に対して垂直なフォトニック集積回路、すなわち表面格子結合器や、チップからの出力において角度シフトを伴う解決手段に光を入射し、または光を抽出することができるように使用されることが多い。
【０００４】
表面格子結合器
表面格子結合器は、最初に、標準的な単一モードファイバー内で伝搬する光学モードの大きさ、換言すれば直径９．２μｍに対してフォトニックチップの導波路内を伝搬する光モードの大きさを適合し、次にフォトニックチップの平面内のガイドされた伝搬からチップの平面に対して準垂直な自由空間内の伝搬に変更するために使用される。これは、導波路を含む層内に格子をエッチングすることによって達成される。例えば、そのような構成要素は、例えば非特許文献１に記載されている。
【０００５】
シリコン技術によって、この構成要素はフォトニックチップの平面内の導波路から、垂直に対してある角度、通常約８°でへき開された単一モードファイバーに結合することができる。この構成要素の損失は、表面格子結合器と単一モードファイバーとの間の幾何学的整列が最適である場合、光学的に１から４ｄＢである。１ｄＢの追加的な損失を発生させる光学整列間の半径方向の整列ずれとして特徴づけられる格子ファイバーの整列の許容範囲は、約２μｍである。
【０００６】
表面格子結合器と光ファイバーとの間の整列許容量を増加させ、そのため整列操作の複雑さを低減するために、また特にこれらがより高価でない受動的整列技術を使用することができるようにするために、非特許文献２は、フォトニックチップに固定された第１のチップ（そのためビームはチップへの入力／チップからの出力において広げられ、コリメート可能である）及び光ファイバーに固定された第２のレンズからなる２つのレンズを有するシステムの使用を開示する。第１のレンズはフォトニックチップと非常に精密に整列され、次いで固定されなければならない。チップと第１のレンズアセンブリとの間及び第２のレンズとファイバーアセンブリとの間の整列許容量は±１０から２０μｍまで増大する。表面格子結合器からの出力において、波長λ及びモードサイズＤｏ＝２＊ｗｏ＝９．２μｍを有する光ビームを広げ、コリメートすることができるように、第１のレンズの空気中の焦点長さはＦａｉｒ＝Ｄｉ＊（π＊ｗｏ／２λ）に等しくなければならず、ここでＤｉは第１のレンズからの出力における広げられたビームの大きさである。１００μｍのモードサイズＤｉを得るために、シリカガラスレンズは、約８６０μｍの厚さを有しなければならない。このシステムはチップと第１のレンズアセンブリとの間及びファイバーと第２のレンズアセンブリとの間の厳密な整列制約を低減しうるが、第１のレンズとフォトニックチップとの間の整列制約を１μｍ未満の精度に移すという欠点を有する。さらに、より大きなサイズのコリメートされたビームの抽出は、チップと、チップ面に面する光学機械部分との整列許容量を増大させ、角度受容許容量が減少する。
【０００７】
チップからの出力における角度シフトによる解決手段
非特許文献３において、光ビームをフォトニックチップの背面に対して垂直に反射するための全反射ミラーで覆われた４５°の導波路のファセットを使用することが開示されている。この垂直結合器は、以下、「導波路のファセッティング」と呼ばれる。背面において、ビームは非常に発散しており、またはファイバーのモードサイズに対して適していないため、レンズがチップの背面に統合されうることが提案されている。この実装例において、ビームがファセットされた導波路と背面上のレンズとの間を通過する厚さは約１００μｍであり、これはレンズの潜在的な焦点を表す。このレンズの表面は、連続的に変化する厚さを有する。そのため、この表面のプロファイルは、アナログ的に条件づけられる。エッチングによるこのようなアナログプロファイルの製造は、樹脂クリープリソグラフィ技術または「グレートーン」リソグラフィを利用するが、これは必要なアナログ形状を得るための較正が困難であるという欠点を有する。さらに、そのようなレンズは、レンズ（屈折率＝３．５）と空気（屈折率＝１）との間の界面においてフレネル反射のために、反射防止層で覆わなければならない。しかし、反射防止処置は、高温／湿度の高い媒体（８５℃／８５％湿度）内では特に脆く、気密パッケージングの使用が必要となる。
【０００８】
垂直結合器からの／垂直結合器へのビームの経路におけるフォトニックチップ内へのレンズの統合の別の例は、特許文献１に示されている。
【０００９】
この特許の第１の代替例において、レンズはチップの前面に配置され、前面に向かって光を放出する表面格子結合器に面する。前面に統合されるため、レンズはレンズと表面格子結合器との間の距離に潜在的に等しい焦点距離を有する。このレンズがフォトニックチップに集積され、前述の整列制約を有するその他の場所には配置されないこととなる場合、レンズは、ビームが結合器／レンズ経路上で通過する封入層内に形成されなければならず、これは通常わずか数ミクロンである。しかし、厚さ４００μｍを超えるＳｉＯ２が、結合器からの出力において９．２μｍに等しいモードサイズから、レンズからの出力において５５μｍに等しいモードサイズまで変化させる必要がある。そのため、この変形例は、より幅広くされたモードサイズを有するビームを提供することができない。さらに、前面上へのレンズの製造は、フォトニックチップの上部は一般に外部電子回路とのフォトニック構成要素の金属相互接続線を含んだままで、フォトニックチップの製造後に、フォトニックチップの上に追加的な製造段階を必要とするという欠点を有する。
【００１０】
この特許の第２の実施形態において、レンズは背面に配置され、ミラーによって覆われた傾斜したファセット（以下、「ファセット導波路」と呼ぶ）によって終端する導波路に面し、チップの背面に向かってビームを配向する。この実装例及びその制限は前述された。
【００１１】
この特許の第３の代替例において、レンズは導波路を含む層内に配置される。しかし、この代替例の具体的な実装例は記載されておらず、特に垂直結合器からの出力においてビームのモードサイズの幅を広げる実装例は記載されていない。
【００１２】
特許文献１で使用されるレンズは、フレネルレンズと呼ばれるアナログレンズである。フレネルレンズは、従来のレンズの曲面を、リングごとに異なるプリズム断面を有する一連の同心円状のリングで置き換える。そのためフレネルレンズの厚さは従来のレンズの厚さよりも薄くなるが、依然として製造が困難である。これは、様々な勾配を有するピークが画定可能なように、通常「グレートーン」リソグラフィ技術を用いて作られる鋸歯型アナログ構造を必要とする。そのようなフレネルレンズも、フレネル反射に対して感受性を有したままである。最後に、そのようなレンズはリングのために光の偏光に対する感受性を有する。光波の電場は、チップの平面内のどの配向にもありえ、波長のスケールにおいて、光波によって見られる屈折率は、電場の配向に依存して異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第８５１５２１７号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】be Xia Chenら著、“Apodized Waveguide Grating Couplers for Efficient Coupling to Optical Fibers”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 22, No. 15, AUGUST 1, 2010
【非特許文献２】S. Bernabeら著、“On-Board Silicon Photonics-Based Transceivers With 1-Tb/s Capacity”, in IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 6, No. 7, July 2016
【非特許文献３】Suzukiら著、JLT 2016, Vol. 34, No. 2, JANUARY 15, 2016
【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、フォトニックチップからの出力において、光ビームをコリメートし、幅を広げる（またその逆に、フォトニックチップの垂直結合構造を有するフォトニックチップへの入力において光ビームを集束し、適合させる）ことが可能な手段を有するフォトニックチップを提供することである。そして、本発明は、特に、前述の製造上の欠点（アナログプロファイル、反射防止処置）を回避するようなチップの製造を単純化することを目的とする。
【００１６】
本発明の別の目的は、幅を広げられ、コリメートされたビームが抽出されるチップと、チップの面に面する光−機械界面部分との間の角度整列の感受性の問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これを達成するために、本発明は、基板によって支持され、封入層によって覆われた光ガイド層を含むフォトニックチップであって、封入層の側の前面と、基板の側の背面と、を有するフォトニックチップを開示する。光ガイド層が、光ガイドからの光を受け取り、前面または背面のいずれかに向けて指向された光ビームを形成するように構成された垂直結合器に光学的に結合された光ガイド構造を含む。
【００１８】
フォトニックチップがまた、光ガイド層に少なくとも部分的に形成されたコリメーション構造と、前面または背面のいずれかの上に１つまたは複数の反射構造体の構成要素とを含み、構成が、少なくとも１つの折り返しを有する光学経路に沿って、垂直結合器とコリメーション構造との間に光を伝搬させるように形成される。
【００１９】
光学経路内の折り返しは、光ビームの直径を十分に幅を広げることができるように、コリメーション構造の焦点長さを延長する。さらに、光ガイド層に少なくとも部分的に統合されたコリメーション構造は、光ガイド層の構造的構成要素に使用される標準的な製造方法によって得ることができるデジタルプロファイルを有することができる。
【００２０】
本フォトニックチップのいくつかの好適な、しかし限定的でない態様は、以下のとおりである。
【００２１】
コリメーション構造が、光ガイド層内に形成された複数の溝を含み、溝が、一組のパターンを画定し、各パターンが前面及び背面に対して直交する方向に、変化しない厚さを有する。
【００２２】
パターンのすべてが同じ厚さを有する。
【００２３】
パターンの厚さが、光ガイド層の厚さと少なくとも等しい。
【００２４】
パターンが、パターンの寸法が１つの周期から別の周期まで変調される、周期的２次元格子を形成する。
【００２５】
光ガイド層が、屈折率ｎｃを有するコア材料内に形成され、溝が、空気を含んで残され、またはコア材料の屈折率ｎｃよりも小さな屈折率ｎｒを有する内部充填材料で充填される。
【００２６】
コリメーション構造が、チップの前面または背面に対する法線に沿って、垂直結合器から、通過する光を抽出するように構成される。
【００２７】
垂直結合器が、表面格子結合器またはファセット導波路型結合器である。
【００２８】
基板がシリコンからなり、光ガイド層が、誘電体材料からなる層上に支持され、反射防止層が、基板と、誘電体材料からなる層との間に介在される。
【００２９】
本発明はまた、そのようなフォトニックチップを製造する方法も含む。
【００３０】
本発明のその他の態様、目的、利点及び特徴は、添付した図面を参照して、非限定的な例として挙げられた本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の様々な代替的実施形態に従うフォトニックチップの模式的な層である。
【図２】本発明の様々な代替的実施形態に従うフォトニックチップの模式的な層である。
【図３】本発明の様々な代替的実施形態に従うフォトニックチップの模式的な層である。
【図４】本発明の様々な代替的実施形態に従うフォトニックチップの模式的な層である。
【図５ａ】本発明を表す、デジタルとして参照されるエッチングモードに従ってエッチングすることにより形成されたレンズの図である。
【図５ｂ】本発明を表す、アナログとして参照されるエッチングモードに従ってエッチングすることにより形成されたレンズの図である。
【図５ｃ】本発明を表す、アナログとして参照されるエッチングモードに従ってエッチングすることにより形成されたレンズの図である。
【図６ａ】本発明に従うチップに統合可能なコリメーション構造の異なる変形例の実施形態を示す。
【図６ｂ】本発明に従うチップに統合可能なコリメーション構造の異なる変形例の実施形態を示す。
【図７ａ】本発明に従うチップに統合可能な対称コリメーション構造の大きさの決定を示す。
【図７ｂ】本発明に従うチップに統合可能な対称コリメーション構造の大きさの決定を示す。
【図８ａ】本発明に従うチップに統合可能な非対象コリメーション構造の大きさの決定を示す。
【図８ｂ】本発明に従うチップに統合可能な非対象コリメーション構造の大きさの決定を示す。
【図９ａ】チップからの出力における光ビームを直線的にしない、フレネル型コリメーション構造の大きさの決定の例を示す。
【図９ｂ】チップからの出力における光ビームを直線的にする、フレネル型コリメーション構造の大きさの決定の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１から４に関して、本発明は、基板１０によって支持され、封入層１３で覆われた光ガイド層１２を含むフォトニックチップ１に関する。光ガイド層の厚さは、一般的に１００ｎｍから３μｍの厚さである。光ガイド層は、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅまたは１つもしくは複数の種類のＩＩＩ−ＶもしくはＩＶ半導体材料からなることができる。
【００３３】
埋め込み酸化物層１１は、光ガイド層１２と基板１０との間に挿入されうる。基板は、シリコン、インジウムリンまたはガリウムヒ素からなりうる。封入層１３は、誘電体材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコンまたはＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）に基づくポリマーからなる層でありうる。
【００３４】
フォトニックチップ１は、封入層１３の側に前面Ｆ１を有し、基板１０の側に背面Ｆ２を有する。光ガイド層は、光ガイド構造からの光を受け取り、この構造から、前面または背面のいずれかの方向に向けられた光ビームを形成するように構成された垂直結合器１２２と結合された光ガイド構造１２１を含む。
【００３５】
光結合器は、チップの平面（図１の（ｘｙ）平面）内でガイドされた伝搬から、垂直または典型的には９０度未満の角度をなし、好適にはチップの前面または背面に対する法線と０から４５°の角度、例えばＳｉＯ２からなる封入層１３内の８°の角度θ１をなす準垂直の伝搬に変更するように設計された結合器を意味する（この法線は、図１のｚ方向に沿って延在する）。垂直結合器は、表面格子結合器でありうる。垂直結合器も、ファセット導波路型の結合器でありうる。
【００３６】
光ガイド構造１２１は、垂直結合器１２２である限り、受動性または能動性の別のフォトニック構成要素を含む。具体的には、この場合垂直結合器１２２を通る長手方向断面に表された導波路を含み、光は図１ではｘ方向にそって伝搬する。
【００３７】
封入層１３は、一般に、フォトニックチップの金属電気相互接続レベルを含む。そのため、この層は、誘電体材料及びエッチングされた金属線からなる。フォトニックチップ（変調器、光検出器）の能動性フォトニック構成要素を制御または読み出すように設計された電子チップは、一般にフォトニックチップの前面に移される。
【００３８】
この明細書の残りを通じて、シリコンからなる光ガイド構造１２１、ＳｉＯ２からなる埋め込み酸化物層１１及びシリコンからなる基板１０に関して計算例が与えられる。
【００３９】
８０μｍの直径を有する、幅を広げられコリメートされたビームが、チップからの出力において、モードサイズＤｏ＝９．２μｍを有する表面格子結合器１２２から得られることとなる場合、シリカガラスからなるレンズは約６６０μｍの厚さでなければならない。その結果、表面結合格子１２２とチップの前面Ｆ１との間の光学経路がわずか数ミクロンのシリカとなる（その厚さは全体として封入層１３の厚さ、例えば３μｍに等しい）ため、レンズは、フォトニックチップの前面Ｆ１上に統合することができない。
【００４０】
導波路から受け取った光ビームを背面の方へ向けるように構成された垂直結合器１２２を用いてチップの背面Ｆ２にレンズを統合することも、可能ではない。この場合、垂直結合器１２２とチップの背面Ｆ２との間の光学経路の長さは、基板１０の厚さとほぼ等しいと仮定することができる。Ｓｉ、ＩｎＰまたはＧａＡｓ基板については、１．３１μｍの波長における屈折率は約３．５であり、８０μｍの直径の幅を広げられコリメートされたビームを得るために必要な材料の厚さは１５５０μｍのオーダーである。しかし、基板の厚さは典型的には３００ｍｍの直径のシリコン基板では７７５μｍ±２５μｍ、７５ｍｍの直径のＩｎＰ基板では６２５μｍ±２５μｍ、７５ｍｍの直径のＧａＡｓ基板では４５０μｍに等しい。そのため、基板１０の厚さは一般に満足できる程度までビーム直径の幅を広げるには不十分である。
【００４１】
フォトニックチップの前面または背面にレンズを統合することにおけるこれらの困難を解消するために、さらに図１から４を参照して、本発明は、前面上または背面上のいずれかに１つまたは複数の反射構造体１５１、１５２の構成を有して提供されたフォトニックチップを開示する。この構成は、少なくとも部分的に光ガイド層１２内に形成された垂直結合器１２２と光コリメーション構造１４との間に光を伝搬させるように作られ、この伝搬は、基板内で少なくとも１回の折り返しを有する光学経路に沿って生じる。
【００４２】
より具体的には、この構成は、背面上の反射構造体１５２を含む。このようにすると、光が前面（図１、２、３）または背面（図４）を通って抽出されるか否かにかかわらず、光学経路は少なくとも１回の基板１０の二重通過を含む。そのため、焦点長さの延長によって、コリメーション構造１４は、光ビームの直径を十分に幅広くすることが可能になる。
【００４３】
１つの実施形態において、この構成の反射構造体は、前面または背面のいずれかに成膜された金属層、例えば金、銀またはアルミニウム層である。１つの変形実施形態において、この構成の反射構造体は、前面または背面のいずれかに成膜された積層体からなる分散ブラッグ反射体（ＤＢＲ、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）である。
【００４４】
反射構造体は、フォトニックチップの前面または背面のいずれかに局所的に形成される。代替的に、反射構造体は、フォトニックチップの前面または背面全体、例えば図２の例示的な実施形態に示されるように背面全体に形成することができる。
【００４５】
以下に示す説明は、フォトニックチップガイド構造から外部デバイスに向けた光の伝達（光の抽出）の例に特に適用可能であり、コリメーション構造は光のための出力ポートを形成する。しかし、示された原理は、外部デバイスからフォトニックチップガイド構造への光の伝達（光の注入）に関するものと同一であり、コリメーション構造は光の入力ポートを形成する。そのため、垂直結合器１２２は光ガイド構造からの光を受け取り、光ガイド構造から前面Ｆ１または背面Ｆ２に向かい、コリメーション構造１４に到達し、通過するために反射構造体によって反射される光ビームを形成するように構成されるだけでなく、コリメーション構造を通過し、反射構造体で反射された後に前面または背面からの光を受け取り、このビームを光ガイド構造１２１の方向へ伝達するようにも構成される。
【００４６】
図１、２及び３は、光が前面Ｆ１を通ってフォトニックチップから抽出され／フォトニックチップに注入される第１の実施形態の様々な例を示している。
【００４７】
図１の例において、垂直結合器１２２は、光ガイド構造１２１からの光を受け取り、この光ガイド構造から、垂直からある角度θ１で前面Ｆ１に向けられた光ビームを形成するように構成される。この例において、１つまたは複数の反射構造体の前述の構成は、前面Ｆ１上の第１の反射構造体１５１と、背面Ｆ２上の第２の反射構造体１５２と、を含む。垂直結合器１２２からの出力ビームは、第１の反射構造体１５１によって第２の反射構造体１５２に向けて反射され、次いで第２の反射構造体１５２からコリメーション構造１４に向けて反射される。この例において、垂直結合器からコリメーション構造体への光学経路は、２×Ｔ１０で近似可能であり、Ｔ１０は基板１０の厚さを表す。
【００４８】
図２及び３の例において、垂直結合器１２２は光ガイド構造１２１からの光を受け取り、この光ガイド構造から、垂直からある角度θ１で背面Ｆ１に向けられた光ビームを形成するように構成される。この例において、１つまたは複数の反射構造体の構成は、背面Ｆ２上の単一の反射構造体１５２を含む（図２に示された例ではウェハー構造体の全体であり、図３に示された例では局所的な構造体である）。垂直結合器１２２からの出力ビームは、この反射構造体１５２によってコリメーション構造１４に向けて反射される。ＳｉＯ２埋め込み酸化物層１１内の角度θ１は、例えば約８°である。このとき、シリコン基板１０内の角度θ２は、約３°である。垂直結合器からコリメーション構造への光学経路ＣＯは、ＣＯ＝２×Ｔ１１／ｃｏｓ（θ１）＋２ｘＴ１０／ｃｏｓ（θ２）と厳密に書かれ、Ｔ１０は基板の厚さであり、Ｔ１１は埋め込み酸化物層１１の厚さである。この光学経路は、０．５％未満の誤差で２×Ｔ１０と近似できる。表面格子結合器型の垂直結合器１２２を使い、厚さＴ１０＝７７５μｍのシリコン基板を２回通過する場合、コリメーション構造からの出力におけるビームの直径は、約８０μｍまで幅を広げられうる。
【００４９】
図４は、光が背面Ｆ２を通ってフォトニックチップから抽出される／フォトニックチップに注入される第２の実施形態の例を示している。この例では、垂直結合器１２２は、光ガイド構造１２１からの光を受け取り、この光ガイド構造からＳｉＯ２内で垂直から角度θ１で背面Ｆ１に向かう光ビームを形成するように構成される。１つまたは複数の反射構造体の構成は、背面Ｆ２上の第１の反射構造体１５２と、前面Ｆ１上の第２の反射構造体１５１とを含む。垂直結合器１２２からの出力ビームは、第１の反射構造体１５２によって第２の反射構造体１５１へ向けて反射され、次いで第２の反射構造体１５１からコリメーション構造１４に向けて反射される。
【００５０】
１つの可能な実施形態において、光ガイド層は誘電体材料からなる層上に支持され、反射防止層は、基板と、誘電体材料からなる層との間に介在される。フレネル損失は、誘電体層１１と基板１０との間の界面を横切る際に効果的に観察され、これらはＳｉＯ２からなる層１１及びシリコンからなる基板１０の場合に０．８ｄＢである。誘電体層１１と基板１０との間に形成された反射防止層は、これらの損失を制限する。反射防止層は、例えば厚さλ／４の窒化シリコン層であり、λは光ビームの波長である。層１１の材料として、ＳｉＯ２の代わりに、窒化シリコン、またはＳｉＯ２副層と窒化シリコン副層との積層体を選択することも可能である。そのため、層１１と基板１０との間の界面を横切る際の損失は、１．３１μｍの波長で０．５ｄＢ未満である。
【００５１】
本発明の例において、コリメーション構造１４は、少なくとも部分的に光ガイド層１２内に形成される。そのため、本発明は、フォトニックチップの前面または背面における、移設されたコリメーション構造または統合された構造を使用せず、このことは、製造制約及び前述の制限を回避する。
【００５２】
具体的には、コリメーション構造１４は、ＳＯＩ基板の表面層１２をエッチングすることによって、フォトニック構成要素（導波路、表面格子結合器、ＰＮ変調器など）の「フロントエンド」製造段階の間に形成可能である。特に図５Ａを参照すると、コリメーション構造１４は、光ガイド層１２に形成された複数の溝Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を含むことができ、これらの溝は、１組のパターンＭ１、Ｍ２を含むことができ、これらのパターンはそれぞれ前面及び背面に対して直交する方向に変化しない厚さを有する。１つの好適な実施形態において、パターンはすべて同じ厚さを有し、溝は光ガイド層１２の厚さを通過する。しかし、本発明は、異なる厚さを有するパターン、より具体的には第１の厚さを有する第１の組のパターン及び第２の厚さを有する第２の組のパターンの間に分布されたパターンを含む。第１の厚さは第２の厚さより大きくすることができ、第１のアセンブリのパターンは第２のアセンブリのパターンよりも幅広くすることができる。
【００５３】
パターンの厚さは、典型的には溝のエッチング深さによって定義される。パターンの厚さは、光ガイド層の導波路１２１の厚さよりも小さく、等しく、または大きくすることもできる（図１及び２の導波路の厚さと等しく、図３及び４の導波路の厚さよりも大きい）。図４において、パターンの厚さｈは、光ガイド層１２の厚さに対応し（導波路は光ガイド層１２よりも薄い）、その一方図３において、パターンの厚さｈは光ガイド層１２の厚さよりも大きい。図３の代替的な実施形態において、パターンは光ガイド層内の材料と、光ガイド層に追加された追加的な層の材料からなる。この追加的な層は、例えば成膜されたアモルファスシリコンもしくは結晶シリコンから、または空気もしくは溝を埋めるのに使用される材料の屈折率と比較して高い屈折率を有するその他任意の材料から形成される。
【００５４】
そのため、コリメーション構造は、標準的な製造段階（リソグラフィ／エッチング）によって、換言すれば、厚さの変化するパターン、例えば球体ジオプター（図５ｂ）または勾配の変化するピーク（図５ｃ）を画定する「アナログ」構造形成を必要とする従来技術に従うコリメーション構造とは異なり、「デジタル」構造（図５ａ、デジタル１は、溝のエッチングに対応し、デジタル０は厚さの変化しないパターンを画定するためにエッチングをしない場所に対応する）を生成させる製造段階によって製造可能である。そのようなアナログ構造は、一般的に、樹脂クリープリソグラフィ技術または「グレートーン」リソグラフィ技術を使用して得られるが、必要なアナログ段階を得るための較正が困難であるという欠点を有する。
【００５５】
また、高い屈折率を有する光ガイド層内のデジタルレンズの形成が、この厚さの中の薄いパターンを必要とするのみであることも注意すべきである。そのため、パターンが屈折率３．５のシリコン層で形成され、溝が空気中に残されると、パターンの厚さは少なくとも約１μｍである。パターンが屈折率１．５のＳｉＯ２封入層で形成され、溝が空気中にある場合、この最小厚さは約７μｍである。直径１００ｎｍの円筒形パターンでは、パターンの長さ−直径の比は、これらが光ガイド層内に形成される場合には１０に等しく、これらが封入層内に形成される場合には長さ−直径の比は７０に等しい。実際は、現時点ではエッチングによって７０の比を得ることは不可能である。この小さい（直径１００ｎｍ）パターンは、層が十分に平坦でないため、マイクロエレクトロニクス製造装置を使用して封入層内にエッチングすることも困難である。
【００５６】
そのようなデジタルレンズはまた、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、垂直結合器の表面格子結合器型と同時に光ガイド層内に作ることができる点で有利である。そのため、レンズが、チップ表面上に、特に性能を低下させる整列誤差によって影響を受ける垂直結合器を作るための光ガイド層の製造及び構造形成後に形成される場合と異なり、これらの構成要素間のあらゆる整列誤差が排除される。
【００５７】
本発明は、垂直結合器とコリメーション構造との間の光学経路の折り返しに起因する長い焦点距離からの利点を有する（この焦点距離は、基板１０の厚さの少なくとも２倍である）。これによって、フォトニックチップの金属層の形成前にコリメーション構造を形成することも可能になり、この構造は光ガイド層において、換言すればフォトニックチップの構成要素において作られる。
【００５８】
図１の（ｘｙｚ）座標系を使用して図６ａを参照すると、各溝が前面及び背面に対して垂直な方向（ｚ方向）に沿った深さを有する。溝は、２次元格子を形成することができる、厚さの変わらないパターンを分離する。図６ｂ、７ｂ及び８ｂに示されるように、パターンは正方形もしくは長方形（図６ｃ）または円形（図７ｂ及び８ｂ）の断面を（ｘｙ）平面において有するパッドのマトリックス格子を形成することができる。特に、パターンは、中心を通過するコリメーション構造の中央軸と必ずしも一致しない、対称軸に関して回転対称に配置することが可能であり、対称軸から等距離にあるパターンは同一の大きさを有する。これらの形状は、リングとは異なり、偏光に対して感受性を低くすることができる。光波の電場は、（ｘｙ）平面内に任意の配向を有することができ、波によって見られる屈折率は、波長スケールでは、電場の配向とは無関係に同一である。
【００５９】
コア層１の構造形成は、パターンの屈折率よりも低い屈折率を有する複数の溝Ｔ１からＴ４の形成からなる。結果として、コリメーション構造は、垂直結合器から外部への屈曲した入射波面をコリメートするように（またその反対に、外部からの平面入射波面から屈曲した位相シフトを生成するように）、屈折率の疑似勾配を有する構造を形成する。より具体的には、光ガイド層は、パターンが形成される屈折率ｎｃを有するコア材料内に形成され、溝は空気を含んで残され、またはコア材料の屈折率ｎｃよりも低い屈折率ｎｒを有する、例えばＳｉＯ２からなる内部充填材料で満たされる。コアと溝との屈折率の差は、好適には少なくとも０．２に等しい。
【００６０】
疑似屈折率勾配は、本発明では、コリメーション構造が、「グレーデッドインデックス」構造と同様にコア材料の屈折率の変動に対して本来のプロファイルを形成しないが、同じ特性を有することを意味する。そのため、コリメーション構造の通過の際、光は、レンズの等価物に遭遇する。
【００６１】
溝は周期的に配置されてもよく、２つの隣接するパターンを分離する溝の幅は、１つのトレンチから別のトレンチまで変調される。このようにすると、（局所的な屈折率を画定する）コア層の材料からなる内部充填因子は、コリメーション構造に沿って変化する。
【００６２】
円筒形のパッドのマトリックスレイアウトの例を考えると、このレイアウトは、同じ大きさの１組の正方形の基本セルを含み、セルあたり１つのパッドが存在し、パッドの面積は１つのセルから次のセルまで変化する。このとき、内部充填因子は、パッドの面積と基本セルの面積との間の比として表すことができる。一辺５００ｎｍの寸法を有する正方形の基本セルでは、パッドの直径は２０ｎｍから４８０ｎｍまで変化することができる。
【００６３】
提案される構造は、アナログレンズ（古典的、またはフレネル）よりも小さな反射を有することに注意すべきである。平均屈折率は極めて低減される。
【００６４】
本発明の１つの可能な実施形態において、コリメーション構造は、チップの前面または背面に対する法線に沿った垂直結合器から、通過する光を抽出するように構成される。いくつかの構成において、垂直結合器は、チップ平面内でガイドされた伝搬からチップの前面及び背面に対する法線からある角度を形成する準垂直な伝搬へ変化することができることは既に示した。この実施形態の場合、コリメーション構造は、フォトニックチップの前面または背面からの出力ビームがチップの前面及び背面に対して垂直になるように、ビームを直線的にする（以下で議論される図８ａ及び８ｂ）。
【００６５】
本発明に従う、幅を広げられ、コリメートされたビームを使用するという事実は、チップの１つの面に配置された光−機械的界面を有するチップのｘ、ｙ軸に沿った整列許容範囲を増大させることができる。しかし、角度繰り返し許容範囲は減少する。チップの面と９０°にするようにビームを直線的にすると、界面部分との結合が容易になる。そのため、チップに対して厳密に垂直になるように、チップの平面状表面にその部分が配置されうる。チップの面Ｆ１に接触する光−機械的部分が、ｚ軸からのいかなるありうる角度逸脱もなく、チップに対して正確に垂直であるため、角度整列の感受性の問題は完全に解決される。
【００６６】
図７ａ及び７ｂは、ｚ軸上の点Ｃｖによって表される垂直結合器１２２と、直線的に垂直に配置された対称コリメーション構造の大きさの決定を示す（θ１＝θ２＝０の場合）。図８ａ及び８ｂは、垂直結合器１２２からＸ＝Ｔｈ×ｔａｎθ２だけオフセットされた、非対称コリメーション構造の大きさの決定を示し、結合器１２２から抽出されたコリメートされたビームを直線的にすることができる。本明細書では示されていないが、直線的にせずに非垂直コリメートビーム（θ２≠０）を抽出することは明らかに可能である。このとき対象コリメーション構造が使用され、その中心は垂直結合器１２２からＸ＝Ｔｈ×ｔａｎθ２だけオフセットされる。これらのコリメーション構造は、本発明に従うチップ内に統合可能であり、偏光に対して感受性の低い円筒形パッドの２次元格子と一致する。
【００６７】
本発明では、基板を通る２つの光の通過を重ね合わせた、図１から４に示された光学経路の折り返しを有する場合、オフセットは２×Ｔｈ×ｔａｎθ２であり、したがって、以下の方程式は適合されなければならない。レンズはｘ、ｙ平面に対して垂直な、その中心を通過する中央軸を有する。このとき、垂直結合器の中心のｘ、ｙ平面に対する直交射影は、レンズの中心から２×Ｔｈ×ｔａｎθ２にほぼ等しい距離だけオフセットされる。直線的にしない場合、コリメーション構造は、中央軸と一致する対称軸に関して回転対称を有することができる。直線的にする場合、コリメーション構造は、中央軸から２×Ｔｈ×ｔａｎθ２の距離における対称軸に関して回転対称を有することができる（そのため対称軸は垂直結合器の中央を通過する）。明らかに、直線的にしない場合とする場合との中間角度の任意の変動が、レンズの回転対称の中心をオフセットすることによって得られうる。
【００６８】
コリメーション構造は、チップの外部からの平面入射波面の曲面位相シフトを発生させるように構成され、位相シフトは、光線が、コリメーション構造を通過した後に、コリメーション構造の焦点において全ての位相で、焦点が垂直結合器であるようにされる（基板１０の厚さの２倍に全体的に対応する焦点距離Ｔｈに面する点であると考えられる）。反対に、コリメーション構造は、垂直結合器からの発散ビーム出力から平面波面を生成する。図７ａ及び８ａは、（ｘｚ）平面に対して平行な断面のパターンの図であり、その一方図７ｂ及び８ｂは（ｘｙ）平面に対して平行な断面のパターンの図である。
【００６９】
パッドの直径は、以下に示す方法に従って計算される。
【００７０】
焦点がコリメーション構造の中央軸ｚ上にあり、溝の内部充填がＳｉＯ２である図７ａ及び７ｂの例において、この構成は、以下のようになる。
【００７１】
【数１】
2019101444.tif 000003
【００７２】
すなわち
【００７３】
【数２】
2019101444.tif 000004
【００７４】
であり、
【００７５】
【数３】
2019101444.tif 000005
【００７６】
はシリコン充填因子に関する、位置（ｘ、ｙ）におけるレンズの平均屈折率を表し、ｈはシリコンパターンの厚さであり、Ｔｈは基板の厚さの２倍に対応し（例えば直径３００ｍｍのＳＯＩ基板では２×７７５μｍ）、λは光ビームの中心波長であり、ｎ０は基板１０を形成する材料の屈折率である。
【００７７】
平均屈折率
【００７８】
【数４】
2019101444.tif 000006
【００７９】
はシリコン充填因子ｆＳｉ（ｘ）に関連し、
【００８０】
【数５】
2019101444.tif 000007
【００８１】
であり、ｎＳｉ及びｎＳｉＯ２はそれぞれシリコン及びＳｉＯ２の屈折率である。
【００８２】
シリコン充填因子の変動は、以下で表される。
【００８３】
【数６】
2019101444.tif 000008
【００８４】
もし、コリメーション構造が、疑似周期Ｐ（パッド中心の位置）を有し、パッドの直径の変動がＷＳｉ（ｘ、ｙ）である疑似格子のようであると考えられる場合、パターンはｎ∈［−Ｎ；Ｎ］及びｐ∈［−Ｎ；Ｎ］について、以下を満足する級数ＷＳｉ（ｎ，ｐ）に従って定義された直径を有する。
【００８５】
【数７】
2019101444.tif 000009
【００８６】
図８ａ及び８ｂの例において、コリメーション構造の焦点は、Ｘ＝Ｔｈ×ｔａｎθ２の距離だけ中央軸ｚからオフセットされる。コリメーション構造は、次のように計算される。
【００８７】
【数８】
2019101444.tif 000010
【００８８】
すなわち、
【００８９】
【数９】
2019101444.tif 000011
【００９０】
である。
【００９１】
【数１０】
2019101444.tif 000012
【００９２】
であることが分かる。
【００９３】
【数１１】
2019101444.tif 000013
【００９４】
と演繹できる。
【００９５】
コリメーション構造が、疑似周期Ｐ（パッド中心の位置）を有し、パッドの変動する直径がＷＳｉ（ｘ，ｙ）である疑似周期格子のようであると考えられるならば、パターンは、ｎ∈［−Ｎ；Ｎ］及びｐ∈［−Ｎ；Ｎ］について以下を満足する級数ＷＳｉ（ｎ，ｐ）に従って定義された直径を有する。
【００９６】
【数１２】
2019101444.tif 000014
【００９７】
直線化しないコリメーション構造について、中心パターンは最も幅広く、そのため、ＷＳｉ（０）＝Ｐ−ｃｄ＿ｍｉｎを固定することができ、ｃｄ＿ｍｉｎはエッチングによって技術的に利用可能な溝の最小幅である。そのようなコリメーション構造は対称的である。
【００９８】
ビームを直線化するコリメーション構造（図８ｂの場合）について、最も大きいパターンの位置は、方程式（２）をｎに関して微分することによって見つけることができる。横軸Ｘのパターンが最大になる（パターンは、焦点と一致して垂直である）。そのため、このコリメーション構造は非対称である。
【００９９】
この非対称コリメーション構造について、方程式はもはやＷＳｉ（０）の関数として書くことはできないが、ＷＳｉ（Ｘ）の関数として書くことができる。
【０１００】
【数１３】
2019101444.tif 000015
【０１０１】
すなわち、
【０１０２】
【数１４】
2019101444.tif 000016
【０１０３】
である。
【０１０４】
【数１５】
2019101444.tif 000017
【０１０５】
すなわち、
【０１０６】
【数１６】
2019101444.tif 000018
【０１０７】
である。
【０１０８】
Ｄがｘ軸に沿ったコリメーション構造の幅であるときに、Ｘ＜Ｄ／２である場合、最大のパターンはＸ軸上のパターンであり、ＷＳｉ−ｍａｘ＝ＷＳｉ（Ｘ）＝Ｐ−ｃｄ＿ｍｉｎである。
【０１０９】
次のように演繹できる。
【０１１０】
【数１７】
2019101444.tif 000019
【０１１１】
パターンの最小直径は、横軸Ｘから最も遠いパターンの直径であるＷＳｉ−ｍｉｎで決定することもできる。
【０１１２】
【数１８】
2019101444.tif 000020
【０１１３】
である。
【０１１４】
この後者の方程式は、技術的に利用可能なコリメーション構造を設計するための最小エッチング厚さｈ、換言すればパターン直径においてｃｄ＿ｍｉｎ及びＰ−ｃｄ＿ｍｉｎを超えないｈを決定するために使用され、ｘ軸に沿って所定のレンズ幅Ｄの場合、
【０１１５】
【数１９】
2019101444.tif 000021
【０１１６】
である。
【０１１７】
一方、Ｘ＞Ｄ／２の場合、最大パターンは横軸Ｘに最も近いパターンである。最大パターンがインデックスＮのパターンであるＸ＞０の場合を考える（Ｘ＜０の場合、コリメーション構造は、単純に反対にされる必要がある）。方程式はインデックスＮについて、このパターンで次のように書き換えられる。
【０１１８】
【数２０】
2019101444.tif 000022
【０１１９】
最終結果は、
【０１２０】
【数２１】
2019101444.tif 000023
【０１２１】
【数２２】
2019101444.tif 000024
【０１２２】
である。
【０１２３】
インデックスＮを有するパターンに最大の寸法を課すことにより、以下を得る。
【０１２４】
【数２３】
2019101444.tif 000025
【０１２５】
このとき、最小寸法を有するパッドは、インデックス（−Ｎ，±Ｎ）を有するパッドであり、
【０１２６】
【数２４】
2019101444.tif 000026
【０１２７】
である。
【０１２８】
この場合のｈの値の結果は、
【０１２９】
【数２５】
2019101444.tif 000027
【０１３０】
である。
【０１３１】
コリメーション構造の設計手順は次のとおりとすることができる。
１）Ｐ及びｃｄ＿ｍｉｎを考えると、Ｘ＜Ｄ／２であるか、Ｘ＞Ｄ／２であるかに応じて、方程式（４）または（４ｂｉｓ）に従ってコリメーション構造について必要な厚さが決定される。
２）次の段階は、Ｘ＜Ｄ／２であるかＸ＞Ｄ／２であるかに応じて、方程式（３）または（３ｂｉｓ）に従ってコリメーション構造の正確なプロファイルを演繹するために、前述の厚さｈを使用することである。
【０１３２】
１つの変形例において、コリメーション構造は、単一のレンズの等価物ではなく、フレネルレンズの等価物を形成する。この手法によれば、より小さい厚さｈが課され、この小さな厚さを補償するためにより大きな屈折率勾配が可能になり、これらの勾配は、コリメーション構造の幅全体をカバーするために位相モジュラス２πだけ繰り返す。この手法によれば、
【０１３３】
【数２６】
2019101444.tif 000028
【０１３４】
すなわち、
【０１３５】
【数２７】
2019101444.tif 000029
【０１３６】
であり、すなわち、
【０１３７】
【数２８】
2019101444.tif 000030
【０１３８】
であり、すなわち、
【０１３９】
【数２９】
2019101444.tif 000031
【０１４０】
である。
【０１４１】
項ｍは、ｃｄ＿ｍｉｎより小さくならないように、幅に増分を追加する。しかし、この増分は、位相モジュラス２πを得るためにＰ−ｃｄ＿ｍｉｎを超えて、またはｃｄ＿ｍｉｎ未満に、幅を修正してはならない。これは、技術的に利用可能であるように、フレネルレンズの最小厚さｈｍｉｎに制限を課す。パターンの１つの幅がｃｄ＿ｍｉｎ（下限）であると仮定する。このパターンは、以下を満たすインデックス（ｎ’，ｐ’）を有する。
【０１４２】
【数３０】
2019101444.tif 000032
【０１４３】
右辺の項の根号内へのλ／ｈの追加は、数式（５）のＰ−ｃｄ＿ｍｉｎよりも小さな幅を生成し、すなわち
【０１４４】
【数３１】
2019101444.tif 000033
【０１４５】
である。
【０１４６】
したがって、所定の技術（Ｐ，ｃｄｍｉｎ）について、波長と厚さとの間に制限が存在し、そうでなければフレネルレンズが使用できないということが導かれる。
【０１４７】
【数３２】
2019101444.tif 000034
【０１４８】
したがって、ｈｍｉｎは関連のある２次方程式の２次根号に対応し、すなわち
【０１４９】
【数３３】
2019101444.tif 000035
【０１５０】
である。
【０１５１】
周期Ｐは、構造が平均屈折率を有する媒体のようにふるまうように、λ／２を超えることはできない。この制限を課すと、方程式（６）は以下のように簡略化することができる。
【０１５２】
【数３４】
2019101444.tif 000036
【０１５３】
以下は、コリメーション構造のサイズ決定の例である。表面格子結合器は、ＳＯＩ基板にシリコンフォトニック技術を用いて形成された垂直結合器（Ｄｏ＝９．２μｍ）として使用される。コリメーション構造からの出力におけるモードサイズｗｉ＝Ｄｉ／２（Ｄｉ＝Ｄ）も固定され、例えばＤｉ＝８０μｍである。目的は、一定のメッシュサイズＰを有する２次元格子の円筒パターンの、ありうる最小の厚さを発見することである。パターンの最小直径は８０ｎｍに固定され、エッチングされた構造の疑似周期Ｐ＝５００ｎｍが考慮される。７７５μｍの厚さのＳＯＩ基板が使用されるため、Ｔｈ＝１５５０μｍである。ＳｉＯ２の表面結合格子からの出力角度がθ１であり、８°に等しい場合、シリコン内でのθ２は３．３°に等しい（ｎＳｉ×ｓｉｎ（θ２）＝ｎＳｉＯ２×ｓｉｎ（θ１）であり、ｎＳｉ＝３．５、ｎＳｉＯ２＝１．４５）。結果は、基板の焦点長さが約７５０μｍに等しくなる。コリメーション構造の中心は、Ｘ＝２×Ｔｈ×ｔａｎ（θ２）〜９０μｍだけ垂直結合器の中心からシフトされ、この場合、これはＤｉ／２よりも大きくなければならない。
【０１５４】
前述の方程式は、単一レンズ型またはフレネルレンズ型である場合に、コリメーション構造のパターン最小厚さを計算するのに使用される。選択されたデジタル用途において、最小厚さは、フレネルレンズの場合１．１μｍであり、単一レンズの場合数μｍである。このとき、コリメーション構造を形成するためにエッチングされるパターンの直径は、ＷＳｉ−ｍｉｎ＝０．０８μｍを仮定して計算される。
【０１５５】
図９ａは、チップからの出力において光ビームを直線的にしない２次元コリメーション構造の例示的なサイズ決定を表し、図９ｂはチップからの出力において光ビームを直線的にするコリメーション構造の例示的なサイズ決定を示す。これらの図は、より具体的には前述の多数の用途における円筒形パッドの直径Ｄｐを表す。パターンの厚さは１．１μｍである。
【０１５６】
これらの図９ａ及び９ｂは、フレネルレンズ型の構造に関する。パッドの直径は平均の局所的屈折率を画定し、そのためこれらの図はまた、コリメーション構造の疑似屈折率勾配も示している。本発明に従うコリメーション構造におけるパッドの直径の変動プロファイルはまた、アナログレンズについての幾何学的プロファイルと比較することもできる。
【０１５７】
本発明は、前述のフォトニックチップに限定されるのではなく、その製造方法も含み、具体的には同じウェハ上に集合して複数のチップを製造する方法を含む。この方法は、少なくとも部分的に光ガイド層１２内にコリメーション構造１４を形成する段階と、前面または背面の一方にそれぞれ１つまたは複数の反射構造体１５１、１５２の配置を形成する段階と、を含み、この構成は、少なくとも１つの折り返しを有する光学経路に沿って垂直結合器とコリメーション構造との間を光を伝搬させるように形成される。
【０１５８】
以下に、この方法の例示的な実施形態を示す。本方法は、表面シリコン層１２１とシリコン基板１０との間に介在された埋め込み酸化物層１１を有するＳＯＩ基板の供給で開始する。本方法は、続けて、表面シリコン層１２の部分的または全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、垂直結合器１２２、ＰＮ変調器など）及びコリメーション構造１４内のパターンの製造を行う。
【０１５９】
次の段階は、封入層１３の製造である。この層は、フォトニックチップの金属電気相互接続層を含みうる。コリメーション構造の溝は充填されてもされなくてもよい。次の段階は、例えば金属層の成膜による背面上への反射構造体１５２の形成である。しかし、この操作は、他のいずれの時点でも、例えばプロセスの開始時に行われうる。
【符号の説明】
【０１６０】
１  フォトニックチップ
１０  基板
１１  埋め込み酸化物層
１２  光ガイド層
１３  封入層
１４  光コリメーション構造
１２１  光ガイド構造
１２２  垂直結合器
１５１  第１の反射構造体
１５２  第２の反射構造体
Ｆ１  前面
Ｆ２  背面
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３  溝
Ｍ１、Ｍ２  パターン
【図１】
2019101444.tif 000037
【図２】
2019101444.tif 000038
【図３】
2019101444.tif 000039
【図４】
2019101444.tif 000040
【図５ａ】
2019101444.tif 000041
【図５ｂ】
2019101444.tif 000042
【図５ｃ】
2019101444.tif 000043
【図６ａ】
2019101444.tif 000044
【図６ｂ】
2019101444.tif 000045
【図７ａ】
2019101444.tif 000046
【図７ｂ】
2019101444.tif 000047
【図８ａ】
2019101444.tif 000048
【図８ｂ】
2019101444.tif 000049
【図９ａ】
2019101444.tif 000050
【図９ｂ】
2019101444.tif 000051
【外国語明細書】
2019101444000001.pdf