(57)【要約】【解決手段】シリコンデマルチプレクサーおよび高速Ｇｅ光検出器が集積されたシリコンチップとマルチモードファイバー（ＭＭＦ）との間で光を結合させるべく、集積受光器アーキテクチャを使用してよい。提案するアーキテクチャは、データレートが２５Ｇｂ/秒以上のパラレル光リンクおよび波長分割多重（ＷＤＭ）光リンクの両方に使用してよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
第１の部分と、前記第１の部分より厚い第２の部分とを有する、前記シリコン基板上の全内部反射（ＴＩＲ）ミラー構造と、
前記ＴＩＲミラー構造の前記第１の部分と前記第２の部分との間を推移するテーパー部と、
前記ＴＩＲミラー構造の前記第２の部分に一体化したＶ溝ウェッジと、
前記ＴＩＲミラー構造の上部の導波管と、
前記導波管の上部において前記Ｖ溝ウェッジに隣接して製造された光検出器（ＰＤ）と
を備える装置。
【請求項２】
前記導波管の内部において前記Ｖ溝ウェッジの前に形成されたデマルチプレクサーをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光検出器は、高速ゲルマニウム光検出器を含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記デマルチプレクサーは、回折格子を含む請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記回折格子は、シングルモードおよびマルチモードのビームの両方をデマルチプレックスすることができるエッチングされたエシェル格子を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記導波管は、厚さが約２０〜３０μｍの入射端を有する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記テーパー部の後の厚さは、約１０μｍである請求項６に記載の装置。
【請求項８】
シリコン取り扱い層、埋設酸化物（ＢＯＸ）層、シリコン導波管層、およびハードマスク（ＨＭ）酸化物層を含むシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウェハを設ける段階と、
前記ＨＭ酸化物層および前記シリコン導波管層にテーパーをエッチングする段階と、
前記シリコン導波管層の一部にＶ溝をエッチングする段階と、
前記テーパーおよび前記Ｖ溝に酸化物を充填して全内部反射（ＴＩＲ）ミラー構造を形成する段階と、
前記ＴＩＲミラー構造を平坦化する段階と、
前記ＴＩＲミラー構造にシリコンウェハを接合する段階と、
前記ＳＯＩウェハを反転させる段階と、
前記シリコン取り扱い層を除去する段階と、
前記Ｖ溝上に高速光検出器（ＰＤ）を製造する段階と
を備える集積受光器を製造する方法。
【請求項９】
前記シリコン導波管層内にデマルチプレクサーを製造する段階をさらに備える請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記光検出器は、ゲルマニウム（Ｇｅ）光検出器を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記デマルチプレクサーは、回折格子を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記回折格子は、シングルモードおよびマルチモードのビームの両方をデマルチプレックスすることができるエッチングされたエシェル格子を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記テーパーは、厚さが約２０〜３０μｍの広端部と、厚さが約１０μｍの狭端部とを有する請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記Ｖ溝は、前記ＢＯＸ層に届くまでエッチングされる請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記Ｖ溝は、前記ＢＯＸ層の手前までエッチングされる請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
シリコン基板と、
前記シリコン基板上の全内部反射（ＴＩＲ）ミラー構造と、
狭端部に向かってテーパーとなり、かつマルチモードファイバーから光を受光する広入射端部を有する、前記ＴＩＲミラー構造上のシリコン導波管と、
前記シリコン導波管の前記狭端部の一部の上に製造された光検出器と、
前記光検出器下の前記ＴＩＲミラー構造上において、前記光検出器に向けて上方に光を反射させるウェッジ部と
を備える集積受光器システム。
【請求項１７】
前記マルチモードファイバーと前記シリコン導波管の前記広入射端部との間に設けられたレンズをさらに備える請求項１６に記載の集積受光器システム。
【請求項１８】
前記シリコン導波管の内部において前記ウェッジ部の前に形成されたデマルチプレクサーをさらに備える請求項１６に記載の集積受光器システム。
【請求項１９】
前記光検出器は、ゲルマニウム光検出器である請求項１６に記載の集積受光器システム。
【請求項２０】
前記デマルチプレクサーは、エシェル格子である請求項１８に記載の集積受光器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は受光器に関し、特に、ファイバー配列の許容誤差を改善するべくテーパーが埋設された集積受光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーとシリコン導波管との間の光結合を効率化することが、シリコン系の光素子および回路用途では高く望まれている。シリコン導波管システムの屈折率コントラストが高いことが原因で、良好なファイバー−シリコン導波管結合を得ることは困難である。
【０００３】
光通信では、通常、電磁スペクトルの可視領域もしくは近赤外領域にある周波数を有する光搬送波により情報は送信される。このような高周波数を有する搬送波は、光信号、光搬送波、もしくは光波信号と呼ばれることがある。通常の光通信ネットワークは、それぞれが数個のチャネルを持ちうる数本の光ファイバーを含む。チャネルとは、電磁信号の特定の周波数帯域であり、波長と呼ばれる場合もある。
【０００４】
今日の技術進歩には、集積回路（もしくはチップ）レベルの光通信がある。これは、集積回路は、コンピューターシステムにとっては魅力であるサイズ的な利点を有するからである。設計者は、２つのチップの間、システムにおけるチップとダイとの間、もしくは２つのダイの間で光信号（光）を結合させる場合がある。これは、従来、ダイまたはチップ上の導波管どうしの間で光を結合させる光ファイバーを使用して行われてきた。
【０００５】
ダイまたはチップ上の導波管どうしの間で光を結合させる光ファイバーを使用することの限界の一つは、この結合方法は非効率になり易いことである。理由の一つは、光ファイバーとチップまたはダイ上の通常の導波管との物理的大きさの差である。光ファイバーは、導波管よりずっと大きい場合が多い。大きさの差があるので、光信号結合の効率は低い。つまり、径が大きい光ファイバーからの光は、小さい導波管の中にはうまく適合していかない。結果として、受光レベルが低くなり、光信号に含まれるデータストリームの中の個々のビットが識別不可能になる。この事態が発生すると、受信コンポーネントはデータストリームから情報を再生できなくなる場合がある。
【０００６】
導波管に光信号を集中させるべく、レンズを光ファイバーに取り付けることにより、またはレンズを光ファイバーと導波管との間に設置することにより、結合効率を改善することができる。しかし、結合効率は、レンズを使用して公正になるだけである。その他の結合方法も、せいぜい公正な程度の効率が得られるだけである。
【０００７】
この限界は、大きい光ファイバーにより支持される光モードから導波管により支持されるより小さい光モードへの効率的結合等の別の難題を伴う。モードとは、光のエネルギー断面分布（ガウス分布）であり、導波管（光ファイバー、平面導波管）の大きさと光の波長とにより規定される。大きい光ファイバーには大きい光モードが存在し、小さい導波管には小さい光モードが存在する。
【０００８】
また、光ファイバーからダイ上の小さい導波管に結合するには、配列を非常に正確にする必要がある。これは、通常、特別な手作業による正確な配列手順により実行される。このような特別な配列手順は、通常、非常に高価であり、実質的な量を限定する。
【０００９】
高速用途向けの低コストのマルチモードファイバー（ＭＭＦ）に基づく受光器には、今日、根本的な問題が存在する。たとえば、２５Ｇｂ/秒以上の高速動作を光検出器（ＰＤ）で可能にするには、通常、検出器のアクティブ領域は、小さいことが求められる。しかし、光検出器と、可能性としては光デマルチプレクサーとを含む半導体導波管チップにＭＭＦから光を効率的に結合するには、低コストの受動的配列に必要とされる大きい誤配列許容誤差を可能にするべく大きいサイズの導波管が使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
前記載および本発明のより良い理解は、全て本発明の開示の一部を構成する添付の図面に関連付けて、構成および例示的実施形態についての以下の詳細な記載および特許請求の範囲を読むことで明瞭になるであろう。前記載および以下に記載され図示される開示内容は、発明の構成および例示的実施形態を開示することに向けられているが、これは、例示目的においてだけなされているのであり、発明はこれに限定されないことは、明確に理解されるべきである。
【図１】本発明の一実施形態に係る集積受光器の切り欠き側面図である。
【図２】図１に示す受光器を形成するためのシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板の図である。
【図３】テーパーのエッチングを示すＳＯＩウェハの側面図である。
【図４】ミラー用Ｖ溝のエッチングを示すＳＯＩウェハの側面図である。
【図５】全内部反射ミラー用の酸化物層の堆積を示すＳＯＩウェハの側面図である。
【図６】上部にシリコンウェハが接合されたＳＯＩウェハの側面図である。
【図７】図１に示すような光検出器（ＰＤ）および任意の回折格子をさらにシリコンフォトニクス処理するべく反転された図６に示すＳＯＩの側面図である。
【図８】シングルモード条件下における集積受光器のＶ溝ミラー構造の光学的損失のモデル化を示すグラフである。
【図９】マルチモード条件下における集積受光器のＶ溝ミラー構造の光学的損失のモデル化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
マルチモードファイバー（ＭＭＦ）とシリコンチップとの間の光結合およびシリコンデマルチプレクサーと高速光検出器の集積に取り組むための集積受信器受光器アーキテクチャについて記載する。提案するアーキテクチャは、データレートが２５Ｇｂ/秒以上のパラレル光リンクおよび波長分割多重（ＷＤＭ）光リンクの両方に用いることができる。
【００１２】
本明細書を通して「一実施形態」もしくは「ある実施形態」と言及する箇所は、当該実施形態と関連付けて記載される特定の特性、構造、もしくは特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して多様な箇所で「一実施形態において」もしくは「ある実施形態において」との文言が現れる箇所は、必ずしも同一の実施形態を示すものではない。さらに、当該特定の特性、構造、もしくは特徴は、１つ以上の実施形態で任意の適切な方法で組み合わせてよい。
【００１３】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る受光器が示されている。受光器１００は、上部に全内部反射（ＴＩＲ）ミラー構造１０４が設けられたシリコンウェハ部１０２を有する。導波管部１０６は、マルチモード光ファイバー１０８等のファイバーからの光が入射する広端部を有する。光は、レンズ１１０を介して集光してよい。導波管１０６は、導波管が底部から狭まるテーパー１１２を有する。ＴＩＲ構造は、基板１０２に平行に進行する光を矢印に示すように上方に反射させて高速光検出器１１６に導く反射面を有するウェッジ１１４を有する。シリコンデマルチプレクサー１１８を、図示のように、任意に導波管１０６の内部に製造してよい。たとえば、デマルチプレクサーは、たとえば、図示のエッチングされたエシェル格子のような回折格子であってよい。エッチングされたエシェル格子は、シングルモードビームおよびマルチモードビームの両方をデマルチプレクスすることができる。
【００１４】
図１に示すこの集積シリコンチップは、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板上に製造してよい。パラレルリンク用途では、デマルチプレクサーは含めなくてよい。シリコンテーパー１１２の入口は、ＭＭＦ１０８とプラスチックレンズ１１０を有するチップとの間を効率的に結合するべく、広端部で２０〜３０μｍの高さを有している。テーパー後の導波管１０６の最終の高さは、〜１０μｍである。テーパーは、たとえば、本明細書に参照として組み込むＯｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ｖｏｌ．１１、ｎｏ．２６、３５５５−３５６１ページ（２００３年）に記載されるようなグレースケール技術を用いて製造してよい。
【００１５】
導波管の最終の大きさは、ＭＭＦ１０８から発せられるマルチモードビームにモーダルフィルタリング効果（光学的損失）が生じる可能性があるので、おそらく小さくするべきでない。ＴＩＲ反射ミラー部１０４は、シリコン上に成長させた高速ゲルマニウム（Ｇｅ）検出器１１６に導波管からの光を垂直に結合するべく使用される。このようなＧｅ  ＰＤ１１６の製造技術は十分に確立されている。Ｇｅ  ＰＤに入射したテーパー形状の導波管からの光は、検出器のＧｅ層の上部の金属コンタクトから反射させることができるので、Ｇｅのアクティブ領域において二重の光路が得られる。これにより、より高速を実現するためのより薄いＧｅフィルムでより高い量子効率が得られる。Ｇｅ厚さが〜１．５μｍの検出器の推定速度は、２０ＧＨｚ超過であり、２５Ｇｂ/秒用途には適している。
【００１６】
図２〜図７は、一実施形態に係る提案する集積シリコン受光器チップの製造工程を示す。図２を参照すると、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウェハは、シリコン基板、埋設酸化物（ＢＯＸ）層２０２、およびＢＯＸ層２０２上のシリコン取り扱い層２０４を含む。一実施形態では、Ｓｉ層２０４は、約２０〜３０μｍの厚さである。もちろん、この厚さは、違う用途では違っていてよい。犠牲酸化ハードマスク（ＨＭ）層２０６がＳｉ層２０４上にあってよい。
【００１７】
図３では、図１の導波管のテーパー部を、ＨＭ層２０６と、Ｓｉ層２０４の途中までとに、約１０μｍのエッチング深さまでエッチングする。エッチングされた部分は、一方の端部では全体的に長方形であり、他方の端部ではテーパー形状であってよい。図４では、図１に示すウェッジ型ミラー１１４を後に形成するべく、Ｓｉ層２０４にさらにＶ溝４００をエッチングする。Ｖ溝４００は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）ウェットエッチング技術によりエッチングしてよい。Ｖ溝４００のエッチングは、いくつかの実施形態では、埋設酸化物（ＢＯＸ）層２０２に届くまで行ってよく、または、後のＧｅ成長のために薄いシリコン層（０．５〜１μｍ）を残すように行ってもよい。
【００１８】
図５では、エッチングしたトレンチに酸化物５００を充填し、その後に化学機械平坦化（ＣＭＰ）を行う。酸化物は、図１に示す全内部反射（ＴＩＲ）ミラーを含む。
【００１９】
図６では、平坦化したウェハに、別のシリコンウェハ１０２をウェハ接合する。ウェハ接合の後、ＳＯＩウェハの元々の取り扱いウェハ２００を除去する。図７に示すように、装置全体を反転させる。取り扱いウェハ２００を除去することにより、ＢＯＸ２０２がハードマスクとなる新たなウェハが形成される。ハードマスク（ＨＭ）ＢＯＸ層２０２は、図１に示すエシェル格子１１８およびＧｅ光検出器（ＰＤ）をさらに処理するべく使用してよく、それらの処理技術は、当業技術分野で周知である。
【００２０】
図８および図９を参照すると、シングルモードおよびマルチモードのそれぞれの発光条件下でのＶ溝ミラー構造の光学的損失がモデル化されている。Ｖ溝の角度が５４．７度のとき、図８のシングルモードのケースは、ほぼ光学的損失がないことを示している。図９に示すように、０〜５個のモードでの発光を含むマルチモードのケースでは、たった−０．３６ｄＢの低さである。また、Ｖ溝ミラーにエッチングされずに残った１μｍのシリコン層があっても、光学的損失が小さいことには注意するべきである。つまり、光のほとんどは、ミラー面で反射され、ＰＤ１１６に導かれる。
【００２１】
要約書に記載されている内容を含む、本発明の例示された実施形態についての上記の記載は、網羅的に記載することもしくは開示した形態だけに本発明を限定することを意図していない。本発明の特定の実施形態および例を例示目的で本明細書に記載したが、当業者には認識されるであろうが、本発明の範囲内で多様な均等的変更が可能である。
【００２２】
これらの変更は、上記の詳細な記載に照らして本発明に為すことができる。以下の特許請求の範囲で使用される文言は、明細書に開示される特定の実施形態および特許請求の範囲に本発明を限定するものと解されるべきでない。むしろ、本発明の範囲は、特許請求項の解釈について確立された原則にしたがって解釈される以下の特許請求の範囲によって完全に決定されるべきである。
【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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