(57)【要約】  光学インターポーザー（１００）は、シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイによって放出された光を光学導波路（１０３）内に結合するように構成され、光が光学導波路（１０３）に対して実質的に垂直な方向に放出される、１次回折格子カプラー（１０４）のアレイと、光を少なくとも４°を超えて屈折するためのデバイス（１３０）と、光学導波路（１０３）からの光を光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に光学的に結合するように構成された出力ポート（１０２）のアレイと、１次回折格子カプラー（１０４）のアレイと出力ポート（１０２）のアレイとを接続して回折格子（１０４）からの光を出力ポート（１０２）に伝送する光学導波路（１０３）と、を含む。
2015524579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．シングルモード垂直キャビティ表面発光レーザーすなわちＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイによって放出された光を光学導波路（１０３）に結合するように構成され、前記光が前記光学導波路（１０３）に対して実質的に垂直な方向に放出される、１次回折格子カプラー（１０４）のアレイと、
ｂ．前記光が前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイによって放出される前記実質的に垂直な方向から少なくとも４°の角度を超えて前記光を屈折するデバイス（１３０）であって、前記デバイス（１０３）が、前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイと前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイとの間に位置する、デバイス（１３０）と、
ｃ．前記光学導波路（１０３）からの光を、光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に光学的に結合するように構成された出力ポート（１０２）のアレイと、を含み、
ｄ．前記光学導波路（１０３）が、前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイを前記出力ポート（１０２）のアレイに結合して前記１次回折格子カプラー（１０４）からの前記光を前記出力ポート（１０２）に伝送する、光学インターポーザー（１００）。
【請求項２】
前記出力ポート（１０２）のアレイからの光の前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイへの結合が、「面外」または「面内」のいずれかである、請求項１に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項３】
前記出力ポート（１０２）のアレイの出力ポートが、前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイにおける各光ファイバーまたは他の光学素子にインターフェースされるように間隔をあけて配置される、請求項１または２に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項４】
前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイにおける１次回折格子カプラーが、前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイにおける各シングルモードＶＣＳＥＬにインターフェースするように間隔をあけて配置され、前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイの位置が、電気信号経路（８１２）を接続するために前記光学インターポーザーに対して決定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項５】
前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイの間隔及び／または前記光ファイバーのアレイの間隔が不均一であり、及び／または前記光ファイバーのアレイ内の光ファイバーがマルチコアである、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項６】
前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）の複数のアレイ及び／または前記光ファイバーの複数のアレイが、前記光学インターポーザー（１００）にインターフェースされる、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項７】
前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイの間隔が、２５０ミクロン未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項８】
前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイと前記出力ポート（１０２）のアレイとの間に１つまたは複数の光学機能部をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項９】
電気的機能部をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学インターポーザー（１００）。
【請求項１０】
シングルモード垂直キャビティ表面発光レーザーすなわちＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイと光ファイバーまたは他の光学素子のアレイとの間で光を結合するための方法であって、
ａ．シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）の前記アレイによって放出された光を、１次回折格子カプラー（１０４）のアレイに結合する段階であって、前記光が、前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイに結合された光学導波路（１０３）に対して実質的に垂直な方向に、前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイによって放出される、光を１次回折格子カプラー（１０４）のアレイに結合する段階と、
ｂ．前記シングルモードＶＣＳＥＬ（１２１）のアレイと前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイとの間で前記光を、前記光が放出される前記実質的に垂直な方向から少なくとも４°の角度を超えて屈折する段階と、
ｃ．前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイからの前記光を前記光学導波路（１０３）内に結合する段階と、
ｄ．前記光を前記光学導波路（１０３）を通して出力ポート（１０２）のアレイに結合する段階と、
ｅ．前記出力ポート（１０２）のアレイからの光を、前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に結合する段階と、を含む、方法。
【請求項１１】
前記１次回折格子カプラー（１０４）のアレイと前記出力ポート（１０２）のアレイとの間を、１つ以上の光学機能部を通して前記光を結合する段階をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェハ表面に対して垂直に発光する種類のデバイスであるシングルモードの垂直キャビティ表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）または光ファイバーの結合に関する。より具体的には、本発明は、光学インターポーザーの使用によるアレイ内のシングルモードＶＣＳＥＬの密度の増加に関する。
【背景技術】
【０００２】
スーパーコンピュータ及びデータセンターは、これが一般に現実の計算においてマイクロプロセッサのより効率的な使用につながるために、広帯域の相互接続に関する必要性を増大させている。約２０ｍよりも大きな距離では、電気的相互接続は実用的ではなく、今日、これらのより長いラック−ラック間相互接続のために光学系が一般に使用されている。これらの光学相互接続のコストが低くなるにつれて、これらは基板−基板間にさえ、更に最終的にはチップ上の相互接続にまでとってかわるであろう。これらの光学相互接続は、増え続けるビットレートで実行する代わりに、並列ファイバーアーキテクチャを採用する傾向にある。このことは、複数のレーザー源の必要を生じさせる。その低い消費電力、小さな寸法およびウェハテストへの適合性により、この必要性に合致する最も魅力的なデバイスの１つは、ＶＣＳＥＬである。
【０００３】
非特許文献１には、ＶＣＳＥＬからの光を導波路に、次いでシリコンＭＳＭ光検出器に結合することに関して、基板レベルでの光学相互接続が説明されている。段落「ＩＩＩ．薄膜導波路カプラー」に示されているように、この文献は、導波路への表面に垂直な１対１基板レベル結合の問題を解決することを試みている。チェンらは、シリコンレベルの結合を開示も教示もしておらず、この文献において調べられている９０°における表面法線上または垂直結合は、実質的に光学的損失を伴う。
【０００４】
個々のＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイは、ＶＣＳＥＬの基板を導波路を含む他の基板に直接または間接的に取り付けることによって実装される。基板はガラス、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどでありうる。ＶＣＳＥＬは、典型的にはフリップチップで実装され、すなわち、ＶＣＳＥＬは、例えば平面導波路、ミラー、光学検出器、回折格子などの光結合デバイスにレーザー光を与えるために、垂直に裏返される。
【０００５】
特許文献１は、シリコン集積フォトニック回路上の回折格子を介してＶＣＳＥＬと導波路との間に光を結合するための集積フォトニックデバイスを開示する。ＶＣＳＥＬと導波路との間の実質的に垂直な結合は、ファイバー実装を容易にし、パッケージコストを低減する。
【０００６】
単一のＶＣＳＥＬの光が導波路に結合される他の先行技術の解決手段は、特許文献２及び非特許文献２に記載されている。単一のＶＣＳＥＬのみからの光が導波路に結合され、密度の問題が考慮されていないという事実を別として、これらの先行技術の解決手段もまた、表面に垂直な結合、すなわち、実質的な損失を伴う９０°の角度での垂直結合を実装する。
【０００７】
同一のシステム内で多数の光源として働くＶＣＳＥＬの数が増加するにつれ、ＶＣＳＥＬの大きさを減らすことが望ましい。特に、発生する熱を散逸するより効果的な方法と共に結合されて、ＶＣＳＥＬの消費電力の低減（それらが採用される距離をより短くすること及びＶＣＳＥＬの設計を改善することの両方による）が進展するにつれ、より小さなＶＣＳＥＬとすることはさらに望ましいものとなる。
【０００８】
不幸なことに、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイの大きさは、これまで縮小可能ではなかった。これは、ＶＣＳＥＬアレイからの光を光ファイバーに結合する方法を見つけなければならないためである。現在はファイバーアレイをＶＣＳＥＬアレイ上に直接配置することによって、または代替的に光を９０度転向するミラーアレイを用いることによって、ＶＣＳＥＬアレイがファイバーに結合される。ファイバーの端部が微細加工され、ミラーをファイバー先端に集積するように加工されることもある。ほとんどの場合、結合損失は光学経路内のレンズアレイで改善される。全ての場合において、結合デバイスの間隔は、ファイバーの間隔によって決定される。現在、特注として、わずかに小さな間隔が利用可能であるものの、産業的標準は２５０ｕｍである。
【０００９】
「共振キャビティ強化ＶＣＳＥＬ／導波路格子カプラー」と題する特許文献３及び非特許文献３は、ＶＣＳＥＬのアレイからの光を光ファイバーアレイに結合するための光学カプラーを記述している。Ｇｕｉｌｆｏｙｌｅらの光学カプラーは、２つのミラー（例えば特許文献３の第２欄第４行及び請求項１を参照）及び表面に垂直な格子構造（例えば特許文献３の第２欄第２行、図２から８、図３４、３５、図３９から４１Ａ及び請求項１１）を、２つのミラー間の共振キャビティ内に備え、光を導波路内へ、または導波路から外へ垂直に結合する。特許文献３に開示された光学カプラーは、２つのミラーを必要とするためむしろ複雑であり、不可避的に実質的な損失を伴う９０°の角度でＶＣＳＥＬ光を導波路内に結合する、表面に対して垂直な格子構造を通して、垂直な結合を実装するため、その結合効率は依然として制限される。特許文献３の第２欄第２８行から第３２行に示されるように、特許文献３はまた、過大な電力を消費するためにさらに効率を低下させるマルチモードＶＣＳＥＬを使用する。
【００１０】
比較的最近まで、特定の集積回路（ＩＣ）の大きさはそのボンドパッドの大きさによって制限されていた。ＩＣに接続するために使用されるボンドワイヤーは、最小サイズのボンドパッドおよび隣のワイヤーまでの最小限の空間を必要とし、それらは典型的にはボンドワイヤーの長さを最小化するためにＩＣの縁の近くに配置される。再分配層及び貫通シリコンビアを有するシリコンインターポーザーの出現が、これを変えた。ＩＣはボンドパッドおよびバンプ（ワイヤーボンディングのためのボンドパッドよりも顕著に小さい）を有して設計可能となり、ボンドパッドはチップ上のどこにでも配置可能となった。ＩＣは、ついでインターポーザーの反対側のより大きなパッドに信号を「再分配し」または広げるシリコンインターポーザー上にフリップチップされることとなった。このようにして、「高価な」ＩＣの大きさは最小化されている。
【００１１】
ＩＣの大きさがチップから出る電気信号を得るために必要な面積によって制限されてきたのと同じく、ＶＣＳＥＬアレイの大きさはＶＣＳＥＬから出力される光を受け取るのに必要な面積によって制限される。
【００１２】
本発明の目的は、ＶＣＳＥＬのアレイからの光を導波路内に結合し、光を標準的なファイバーアレイにインターフェース可能な出力ポートに導く、前述の既存の解決手段の技術的課題を解決する構成を開示することである。より具体的には、高度に再現可能であり、電力消費量低減の点で既存の解決手段と比較してより増大した効率を有し、より高密度を可能とし、光学結合損失を低減する、ＶＣＳＥＬと光学導波路との間のシリコンレベル光学カプラーを開示することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、アレイ内に配置された多数のＶＣＳＥＬからの光を、チップの平面に対して垂直にまたはほぼ垂直に発光し、回折格子カプラーを用いて光学インターポーザー内に集積された導波路内に結合する、改善された構成を開示することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２００９／１４１３３２号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０１３３０６３号明細書
【特許文献３】米国特許第６８２９２８６号明細書
【特許文献４】欧州特許出願第１１１６０５４７．３号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第２５０６３７０号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ray T. Chenら著、"Fully Embedded Board-Level Guided-Wave Optoelectronic Interconnects", Proceedings of the IEEE, Vol. 88, No. 6, June 2000
【非特許文献２】D. Balaramanら著、"Chip-to-Chip Optoelectronics SOP on Organic Boards or Packages"
【非特許文献３】P.S. Guilfoyleら著、"Highly-Integrated, VCSEL-Based Optoelectronics for Fault-Tolerant, Self-Routing Optical Networks"
【非特許文献４】Stefan Stankowskiら著、"Grating Couplers - Modern Physics at the Border Between Physics and Engineering"
【非特許文献５】D. Vermeulenら著、“High efficiency fiber-to-chip grating couplers realised using an advanced CMOS compatible Silicon-on-Insulator Platform”, Optics Express 18917, pg 18278-18283 (2010)
【非特許文献６】Van Laereら著、“Compact focusing frating couplers for silicon-on-insulator Integrated circuits”, Photonics technology Letters vol 19. No 23(2007)
【非特許文献７】D. Taillaert著、“A high efficiency out-of-plane fiber coupler for coupling to high index contrast waveguides”, ECOC. P30-31 (2001)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に従えば、上述の目的は、請求項１に規定されるような光学インターポーザーによって実現され、光学インターポーザーは、
ａ．シングルモード垂直キャビティ表面発光レーザーすなわちＶＣＳＥＬのアレイによって放出された光を光学導波路に結合するように構成され、前記光が前記光学導波路に対して実質的に垂直な方向に放出される、１次回折格子カプラーのアレイと、
ｂ．前記光が放出される前記実質的に垂直な方向から少なくとも４°の角度を超えて前記光を屈折するデバイスであって、前記デバイスが、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイと前記１次回折格子カプラーのアレイとの間に位置する、デバイスと、
ｃ．前記光学導波路からの光を、光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に光学的に結合するように構成された出力ポートのアレイと、を含み、
ｄ．前記光学導波路が、前記１次回折格子カプラーのアレイを前記出力ポートのアレイに結合して前記１次回折格子カプラーからの光を前記出力ポートに伝送する。
【００１７】
従って、チップに集積された本発明に従うフォトニックデバイスは、一端において１次回折格子カプラーにそれぞれ接続されたフォトニック導波路の第１の組を含む。複数の１次回折格子カプラーは、アレイ状に配置される。１次回折格子カプラーは受け取った光を、表面に垂直な方向から少なくとも４°逸脱する角度に、チップの平面内のフォトニック導波路内に向けて回折するように適合される。１次格子を使用し、完全に垂直な方向から適切な角度だけ逸脱させることによって、結合効率は顕著に改善する。
【００１８】
本発明に従う光学インターポーザーはさらに、シングルモードＶＣＳＥＬからの光を光学導波路に結合するための１次回折格子カプラーを使用する。そのような１次回折格子カプラーの使用は、例えば非特許文献４から分かるように、シングルモードＶＣＳＥＬは、特に信号が１００メートルを超える距離に渡ってファイバーを伝送される場合に、光学インターポーザーの再現性を向上し、電力消費を低減する。
【００１９】
１次屈折は、ミラー及び位相制御が使用されなければ約５０％の光学損失を伴う様々な従来技術の解決手段から知られる表面に垂直な回折よりも効率的である。しかしながら、１次屈折は、シングルモードＶＣＳＥＬからの光を少なくとも４°の角度を超えて屈折する必要がある。正確な角度は、１次格子の設計に依存し、非特許文献４においてＳｔｅｆａｎ  Ｆｔａｎｋｏｗｓｋｉによって与えられた方程式から得ることができる。本発明に従う光学インターポーザーにおいて、屈折は中間屈折デバイスまたは構成要素を通して達成される。そのようなデバイスの一例は楔状構造またはプリズムである。代替的な屈折デバイスは例えばフレネルレンズ、または均一な厚さを有するが有効屈折率を変化させるレンズである。本発明に従う光学インターポーザーの好適な実施形態において、ＶＣＳＥＬ光は、少なくとも８°の角度を超えて屈折する。他の好適な実施形態において、光は少なくとも１２°の角度を超えて屈折する。
【００２０】
本発明に従う集積フォトニックデバイスは、任意選択的に、何らかの方法でフォトニック導波路内の光を処理するための１つ以上の光学機能（受動的または能動的）を含むフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を含んでもよいことが分かる。適切な場合には、フォトニック導波路の第１の組はＰＩＣの入力に接続されることとなる。
【００２１】
本発明に従う集積フォトニックデバイスは、さらに、ＶＣＳＥＬのアレイを光学インターポーザーに対して正しい位置に物理的に保持する機械的構造と、ＶＣＳＥＬアレイを駆動するのに必要な駆動信号を、それらが発生する場所またはインターポーザーへ伝送される場所からＶＣＳＥＬアレイまで伝送するための電気的相互接続と、を含む。
【００２２】
「集積された」との用語は、光学インターポーザー内に含まれるすべての素子が、同一のチップ内に形成されることを意味する。
【００２３】
出力ポートは、光ファイバーアレイにインターフェースするように適切に間隔をあけて配置される。
【００２４】
まとめると、本発明は、シングルモードＶＣＳＥＬの高密度のアレイからの光を光学導波路に結合し、次いで光を標準的なファイバーアレイにインターフェース可能であるように適切に間隔をあけて配置された出力ポートに伝送するための、１次回折格子を用いた高密度「光学インターポーザー」に関する。１次回折格子が典型的には２０ｕｍ四方よりも小さいため、従来技術のようにファイバーアレイまたはミラー構成のいずれかで達成可能なものよりも顕著に小さい間隔で１次回折格子のアレイを配置することが可能になる。アレイは容易に２次元で配置可能である。結果的に、シングルモードＶＣＳＥＬアレイは非常に高密度とすることができ、さらに「産業的標準の」ファイバーアレイとインターフェース可能である。さらに、シングルモードＶＣＳＥＬの使用は、電力消費を削減し、１次回折格子の使用は、光学結合効率を向上させる。構造全体は単純なままで、ミラー、位相修正または光学インターポーザーの再現性を複雑なものとする他の構成要素を必要としない。
【００２５】
本発明に従う、ファイバーアレイに容易にインターフェースされる、より小さなシングルモードＶＣＳＥＬアレイは多くの利点を有する。
【００２６】
第１に、ウェハあたりのシングルモードＶＣＳＥＬの数が向上し、光学構成要素をより低価格にする。ＩＩＩ−Ｖ材料及び加工は高価であるため、このことは、システムコスト全体に対してさえ、顕著な違いをもたらすことができる。
【００２７】
第２に、多くの場合材料に関連しているように、通常は面積依存である収量の問題がある。複数のレーザーを有するアレイにおいて、これらは全て動作しなければ、アレイは使用できない。ウェハ上のシングルモードＶＣＳＥＬアレイのそれぞれが安くなるだけでなく、動作するシングルモードＶＣＳＥＬの割合がより高くなる。
【００２８】
第３に、シリコン及びＩＩＩ−Ｖ材料の一方が他方にフリップチップされるシステムについて、シリコンとＩＩＩ−Ｖ材料との間の熱膨張不整合のために熱不整合が問題になる前の、ある最大寸法がある。より高密度なアレイを使用することは、より多くのレーザー源がその寸法の中に適合することができることを意味する。
【００２９】
本発明に従う「光学インターポーザー」は、多くの様々な基板上に製造可能である。効果的な１次回折格子カプラーを形成するために、導波路材料およびクラッド材料は、顕著な屈折率定数を必要とする（通常２０％を超える）。典型的な材料の組み合わせは、シリコン／二酸化シリコン、窒化シリコン／二酸化シリコン、酸窒化シリコン／二酸化シリコン、酸化タンタル／二酸化シリコン、または２つの適切なポリマーを含む。これらは単なる例のいくつかであるので、当業者であれば、さらに多くの組み合わせを考案することが可能である。
【００３０】
１次回折格子は持ち上げられ、薄膜を部分的にエッチングされ、または薄膜を完全に貫通してエッチングされうる。他の実施形態において、格子に対して平行に、（光が発生する面とは反対の面上の）格子から所定の距離に配置された反射性要素が使用され、さらに光学結合効率を向上しうる。
【００３１】
１次回折格子及び導波路を支持する基板はまた、例えば電気的クロストークを有する問題を防ぐために、またはＩＣ、例えばＶＣＳＥＬドライバ上への３次元積層を可能とするために、電気的インターポーザーを含んでもよい。
【００３２】
請求項２によって規定されるように、本発明に従う光学インターポーザーの好適な実施形態において、前記出力ポートのアレイからの光の前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイへの結合が、「面外」または「面内」のいずれかである。換言すれば、出力ポートはチップの平均的な平面に対して垂直に（もしくはほぼ垂直に）または水平に配置されうる。
【００３３】
さらに請求項３によって規定されるように、前記出力ポートのアレイの出力ポートが、前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイにおける各光ファイバーまたは他の光学素子にインターフェースされるように間隔をあけて配置される。このとき、出力ポート間に、光ファイバーが出力ポートと接続することを可能にする十分な間隔がなければならないことが分かる。
【００３４】
請求項４によって規定されるように、本発明に従う光学インターポーザーの好適な実施形態において、前記１次回折格子カプラーのアレイにおける１次回折格子が、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイにおける各シングルモードＶＣＳＥＬにインターフェースするように間隔をあけて配置される。シングルモードＶＣＳＥＬのアレイの位置は、電気的信号経路を接続するための光学インターポーザーに対して配置される。シングルモードＶＣＳＥＬは、参照によって本明細書に組み込まれる、「ＶＣＳＥＬのためのサブマウント配置」と題する本出願人の特許文献４に記載されているように好適に実装される。
【００３５】
請求項５によって規定されるように、本発明に従う光学インターポーザーの好適な実施形態において、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイの間隔及び／または前記光ファイバーのアレイの間隔が不均一であり、及び／または前記光ファイバーのアレイ内の光ファイバーがマルチコアである。
【００３６】
請求項６によって規定されるように、本発明に従う光学インターポーザーの他の実施形態において、前記シングルモードＶＣＳＥＬの複数のアレイ及び／または前記光ファイバーの複数のアレイが、前記インターポーザーにインターフェースされる。
【００３７】
上記において、２つの要素の間の「及び／または」との用語は、要素のいずれか一方又は両方の要素であることを意味する。
【００３８】
さらに請求項７に規定されるように、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイの間隔が、２５０ミクロン未満である。
【００３９】
同一チップ内に、シングルモードＶＣＳＥＬアレイと出力ファイバーとの間に追加的な集積回路を追加することが可能である。
【００４０】
任意選択的に、光学インターポーザーは、１次回折格子カプラーからの光を出力ポートに結合するための１つ以上の光処理機能部を含んでもよい。この場合、シングルモードＶＣＳＥＬアレイは、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）のための複数のレーザー源として使用されてもよい。
【００４１】
請求項８によって規定されるように、本発明に従う光学インターポーザーの１つの実施形態において、１つまたは複数の光学機能部は、前記１次回折格子カプラーのアレイと前記出力ポートのアレイとの間に集積される。
【００４２】
請求項９によって規定されるように、他の実施形態において、１つ以上の電気的機能部が、光学インターポーザーに集積される。
【００４３】
請求項１によって規定されるような光学インターポーザーに加えて、本発明は、シングルモード垂直キャビティ表面発光レーザーすなわちＶＣＳＥＬのアレイと光ファイバーまたは他の光学素子のアレイとの間で光を結合するための対応する方法であって、本方法は請求項１０によって規定され、
ａ．シングルモードＶＣＳＥＬの前記アレイによって放出された光を、１次回折格子カプラーのアレイに結合する段階であって、前記光が、前記１次回折格子カプラーのアレイに結合された光学導波路に対して実質的に垂直な方向に、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイによって放出される、光を１次回折格子カプラーのアレイに結合する段階と、
ｂ．前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイと前記１次回折格子カプラーのアレイとの間で前記光を、前記光が放出される前記実質的に垂直な方向から少なくとも４°の角度を超えて屈折する段階と、
ｃ．前記１次回折格子カプラーのアレイからの前記光を前記光学導波路内に結合する段階と、
ｄ．前記光を前記光学導波路を通して出力ポートのアレイに結合する段階と、
ｅ．前記出力ポートのアレイからの光を、前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に結合する段階と、を含む、方法を提供する。
【００４４】
請求項１１によって規定されるように、１つの実施形態において、本方法は、前記１次回折格子カプラーのアレイと前記出力ポートのアレイとの間を、１つ以上の光学機能部を通して前記光を結合する段階をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１ａ】本発明に従う光学インターポーザーの実施形態の一部を形成する、楔状構造、１次格子及び導波路からなる単一の要素１００を示す。
【図１ｂ】図１ａの発明に従う光学インターポーザーの実施形態における１次回折格子アレイ、光学導波路及び出力ポートのアレイの上面図であり、明確化の理由のために光学回路のみが示されている。
【図１ｃ】図１ａの発明に従う光学インターポーザーの実施形態における１次回折格子アレイ、光学導波路及び出力ポートのアレイの３次元図であり、明確化の理由のために光学回路のみが示されている。
【図２】本発明に従う光学インターポーザーの実施形態における、光を導波路に結合するために使用される１次回折格子の一例の断面を示す。
【図３】本発明に従う光学インターポーザーの３つの実施形態において使用される１次回折格子のより高い屈折率の材料の部分の設計に関する３つの選択肢の断面図を示す。
【図４】水平出力結合を有する本発明に従う光学インターポーザーの実施形態の上面図を示す。
【図５】上部クラッドを有しない、本発明に従う光学インターポーザーの実施形態における出力カプラーの３次元図を示す。
【図６】図５ｂの実施形態のカンチレバーカプラーを通した断面を示す。
【図７】本発明に従う光学インターポーザーの実施形態において入力１次回折格子と出力カプラーとの間に導入された光学機能の一例の機能図である。
【図８】シングルモードＶＣＳＥＬを支持する１次回折格子カプラー及びシングルモードＶＣＳＥＬの周囲の気密封止を有する本発明に従う光学インターポーザーの実施形態の断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
参照符号は、図の番号に部分の番号を続けて示される。可能な限り、各部分は異なる図を通してその部分の番号を保持する。
【００４７】
図１ａは、本発明に従う光学インターポーザーの単一の要素１００を示しており、この要素は、１次回折格子１０４と、シングルモードＶＣＳＥＬ１２１から受け取った光を屈折するための楔状構造１３０と、１次回折格子１０４を図１ａには示されていないが光学インターポーザーに集積される出力ポートに結合する光学導波路１０３と、を含む。シングルモードＶＣＳＥＬ１２１は、スペーサー１４１及び１４２によって支持されたサブマウント１２０上にフリップチップ実装される。代替的に、シングルモードＶＣＳＥＬ１２１はＣａｌｉｏｐａ  ＮＶによって出願された「ＶＣＳＥＬのためのサブマウント構成」と題する特許文献５に開示されるように凹部を有するサブマウント上にフリップチップ実装されてもよいことがわかる。底部から頂部まで、図１ａは例えばシリコン基板などの基板１０５、下部クラッド層１０６、平面光学導波路１０３、１次回折格子カプラー１０４、上部クラッド層１０８、及び光屈折楔状構造１３０を示している。光屈折楔状構造１３０は、垂直結合に固有の光学損失が避けられ、１次回折格子１０４はＶＣＳＥＬ光を、より高い効率で光学導波路１０３内に結合することができるように、シングルモード１２１から受け取った光を少なくとも４°を超えて屈折する。
【００４８】
図１ｂは、３つの主要な領域を含む光学インターポーザーの同一の実施形態を部分的に示している。領域１０１はシングルモードＶＣＳＥＬを受容し、領域１０２は光ファイバーアレイ及びシングルモードＶＣＳＥＬアレイと光ファイバーアレイとの間の光学経路１０３を受容する。シングルモードＶＣＳＥＬアレイからの光を結合するように構成された光学インターポーザーの領域１０１における１次回折格子カプラーのアレイは、高密度な間隔で配置され、その一方光をファイバーアレイに結合するように構成された領域１０２における１次回折格子カプラーアレイはより離された間隔で配置される。明確化の理由のために、電気的信号をシングルモードＶＣＳＥＬアレイにもたらすのに必要でありうる光学インターポーザーの部分及びシングルモードＶＣＳＥＬアレイを正しい位置に保持するために必要な部分は図１ｂには示されていない。
【００４９】
図１ｃにおいて、１次回折格子は１０４とラベルされている。基板１０５は、光学経路１０３の導波路材料よりも屈折率の低い下部クラッド材料１０６を含む。光学インターポーザーは、任意選択的に、導波路を覆い、導波路材料よりも低い屈折率の材料であるが、図１ｃには示されていない「上部クラッド」材料を有してもよい。
【００５０】
図２は、図１ｃの１次回折格子１０４の実施形態の断面を示している。各層は互いの上に、
−基板２０５、
−任意選択的に、反射性要素２０７、
−より低い屈折率の材料の下部クラッド層２０６、
−より高い屈折率の材料の導波路層２０３、及び
−任意選択的に、より低い屈折率の材料の上部クラッド２０８のように適用される。
【００５１】
基板２０５はシリコン、ガラス、セラミックなどであってよい。任意選択の反射性要素２０７は、薄い反射性層であってよく、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。低い屈折率材料２０６は、二酸化シリコン、ポリマーまたは選択される導波路材料よりも低い屈折率を有するその他任意の材料であってよい。高い屈折率の導波路材料２０３は、シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化タンタル、ポリマー、ニオブ酸リチウム、リン酸インジウム、ヒ化ガリウム、ハイデックス（独自の素材）または選択される下部クラッド材料よりも高い屈折率を有する任意の材料であってよい。
【００５２】
図３は、１次回折格子１０４の、より高い屈折率の材料の部分２０３の３つの実施形態の断面を示している。これらの構造は、格子周期が、ブラッグ条件が垂直に近い角度で動作波長と適合するように、動作波長を有効屈折率で割ったものと等しいように設計される。このように、１次モードは「面外」から導波路内に、またはその反対に、効果的に結合可能である。ここで、以下の回折格子カプラーの設計の文献を参照する。非特許文献５、６、７である。
【００５３】
図４は、水平出力カプラー４０９を有する発明に従う光学インターポーザーの実施形態の上面図を示している。カプラーは、導波路４０３の面内に配置される。ファイバーアレイは、チップの端部に提示される。
【００５４】
図５は、図４の水平出力カプラー４０９の３次元図を示している。
【００５５】
カプラー４０９は、より低い屈折率クラッド材料のカンチレバー５１０からなる。基板材料５０５は、カンチレバー５１０の周囲から除去される。より高い屈折率の材料５０３は、薄い先端部５０３’に向かってテーパー状に小さくなり、それによって光を、良好に閉じ込められるカンチレバー５１０内に導入し、、ビームサイズがファイバーにより良好に整合する。
【００５６】
キャビティ５１１は、基板内にカンチレバー５１０に沿ってエッチングされる。キャビティ５１１は、好適にはクラッド材料の屈折率よりもさらに低い屈折率を有する他の材料で満たされる。この屈折率の差異及びカンチレバー５１０の寸法は、カンチレバー内のモードプロファイルが、結合されることとなるファイバーにより良好に整合されるように設計される。
【００５７】
図６は、図５の実施形態のカンチレバーカプラーを通した断面を示している。
【００５８】
図７は、入力回折格子と出力カプラーとの間に導入された追加的な光学回路の例の機能図である。
【００５９】
図８は、光学インターポーザーの実施形態の断面を示している。光はＶＣＳＥＬ８０１から、チップの平面に垂直またはほぼ垂直な方向に結合される。図８に示されない屈折要素は、光が１次回折格子カプラー８０４に到達する前に、光を少なくとも４°を超える角度で屈折する。１次回折格子カプラー８０４は、光を導波路８０３に結合する。導波路８０３は、下部クラッド層８０６の上部に適用される。下部クラッド８０６は、ＤＢＲ８１４上に適用され、ＤＢＲ８１４は基板８０５上に適用される。導波路８０３の上には、上部クラッド層８０８が適用される。金属配線または金属バンプ支持部８１３の形態の電気的接続部８１２は、シングルモードＶＣＳＥＬ８０１への電気的接続性を提供する。「ＣＡＰ」８１５は、シングルモードＶＣＳＥＬアレイを保護し、シングルモードＶＣＳＥＬアレイ８０１の周囲の局所的な気密封止を形成する。
【００６０】
光学インターポーザーはまた、例えば、
−１次入力格子上のシングルモードＶＣＳＥＬアレイを機械的に固定または支持する構造と、
−入力カプラーと出力カプラーとの間のいくつかの点で何らかの方法で光を処理するフォトニック素子または集積回路と、を含んでもよい。
【００６１】
本発明は具体的な実施形態を参照して示されたが、本発明は前述の例示的な実施形態の詳細に限定されないこと及び本発明はその範囲から逸脱することなく様々な変更や改良を伴って実施されうることは、当業者には明らかであろう。本実施形態は、従って、限定するものではなく例示的なものとして全ての点で考えられるべきであり、本発明の範囲は前述の説明によってではなくむしろ添付された特許請求の範囲によって示され、従って特許請求の範囲と等価的な意味及び範囲内にある全ての変更は、それらに受容されるものであると意図される。換言すれば、基本的な基本原理の範囲内にあり、それらの本質的な属性が本特許出願の特許請求の範囲内にある、任意の、及び全ての改良、変形または等価物をカバーするものであると企図される。さらに、「含んでいる」または「含む」との用語は他の要素またはステップを排除するものではなく、「１つの」との用語は複数を排除するものではなく、コンピュータシステム、プロセッサまたは他の集積ユニットなどの単一の要素は特許請求の範囲に記載されたいくつかの手段の機能を果たし得ることは本特許出願を読めば理解されるであろう。特許請求の範囲における任意の参照符号は各特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。「第１の」、「第２の」、「第３の」、「ａ」、「ｂ」、「ｃ」などの用語は、明細書または特許請求の範囲の中で使用される場合、類似の要素またはステップを区別するために導入されるものであり、必ずしも順番または時系列順を示しているのではない。同様に、「頂部」、「底部」、「上に」、「下に」などの用語は、説明の目的のために導入されるものであり、必ずしも相対的な位置を示すものではない。そのように使用される用語は適切な状況では相互に変換可能であり、本発明の実施形態は、上で説明され、または図示された物とは異なる他の順序または配向で、本発明に従って動作可能であることは理解されるであろう。
【符号の説明】
【００６２】
１００  光学インターポーザー
１０３  光学導波路
１０４  １次回折格子カプラー
１０５  基板
１０６  下部クラッド層
１０８  上部クラッド層
１２０  サブマウント
１２１  シングルモードＶＣＳＥＬ
１３０  楔状構造
１４１、１４２  スペーサー
２０３  導波路層
２０５  基板
２０６  下部クラッド
２０７  反射性要素
２０８  上部クラッド
４０３  導波路
４０９  水平出力カプラー
５０３  高い屈折率の材料
５０３’  先端部
５０５  基板材料
５１０  カンチレバー
５１１  キャビティ
８０１  ＶＣＳＥＬ
８０３  導波路
８０４  １次回折格子カプラー
８０５  基板
８０６  下部クラッド
８０８  上部クラッド
８１２  電気的接続部
８１３  金属配線
８１５  ＣＡＰ
【図１ａ】
2015524579.tif 000003
【図１ｂ】
2015524579.tif 000004
【図１ｃ】
2015524579.tif 000005
【図２】
2015524579.tif 000006
【図３】
2015524579.tif 000007
【図４】
2015524579.tif 000008
【図５】
2015524579.tif 000009
【図６】
2015524579.tif 000010
【図７】
2015524579.tif 000011
【図８】
2015524579.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月6日(2015.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．シングルモード垂直キャビティ表面発光レーザーすなわちＶＣＳＥＬのアレイによって放出された光を光学導波路に結合するように構成され、前記光が前記光学導波路に対して実質的に垂直な方向に放出される、１次回折格子カプラーのアレイと、
ｂ．前記光が前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイによって放出される前記実質的に垂直な方向から少なくとも４°の角度を超えて前記光を屈折するデバイスであって、前記デバイスが、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイと前記１次回折格子カプラーのアレイとの間に位置する、デバイスと、
ｃ．前記光学導波路からの光を、光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に光学的に結合するように構成された出力ポートのアレイと、を含み、
ｄ．前記光学導波路が、前記１次回折格子カプラーのアレイを前記出力ポートのアレイに結合して前記１次回折格子カプラーからの前記光を前記出力ポートに伝送する、光学インターポーザー。
【請求項２】
前記出力ポートのアレイからの光の前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイへの結合が、「面外」または「面内」のいずれかである、請求項１に記載の光学インターポーザー。
【請求項３】
前記出力ポートのアレイの出力ポートが、前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイにおける各光ファイバーまたは他の光学素子にインターフェースされるように間隔をあけて配置される、請求項１または２に記載の光学インターポーザー。
【請求項４】
前記１次回折格子カプラーのアレイにおける１次回折格子カプラーが、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイにおける各シングルモードＶＣＳＥＬにインターフェースするように間隔をあけて配置され、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイの位置が、電気信号経路を接続するために前記光学インターポーザーに対して決定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学インターポーザー。
【請求項５】
前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイの間隔及び／または前記光ファイバーのアレイの間隔が不均一であり、及び／または前記光ファイバーのアレイ内の光ファイバーがマルチコアである、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学インターポーザー。
【請求項６】
前記シングルモードＶＣＳＥＬの複数のアレイ及び／または前記光ファイバーの複数のアレイが、前記光学インターポーザーにインターフェースされる、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学インターポーザー。
【請求項７】
前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイの間隔が、２５０ミクロン未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学インターポーザー。
【請求項８】
前記１次回折格子カプラーのアレイと前記出力ポートのアレイとの間に１つまたは複数の光学機能部をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学インターポーザー。
【請求項９】
電気的機能部をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学インターポーザー。
【請求項１０】
シングルモード垂直キャビティ表面発光レーザーすなわちＶＣＳＥＬのアレイと光ファイバーまたは他の光学素子のアレイとの間で光を結合するための方法であって、
ａ．シングルモードＶＣＳＥＬの前記アレイによって放出された光を、１次回折格子カプラーのアレイに結合する段階であって、前記光が、前記１次回折格子カプラーのアレイに結合された光学導波路に対して実質的に垂直な方向に、前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイによって放出される、光を１次回折格子カプラーのアレイに結合する段階と、
ｂ．前記シングルモードＶＣＳＥＬのアレイと前記１次回折格子カプラーのアレイとの間で前記光を、前記光が放出される前記実質的に垂直な方向から少なくとも４°の角度を超えて屈折する段階と、
ｃ．前記１次回折格子カプラーのアレイからの前記光を前記光学導波路内に結合する段階と、
ｄ．前記光を前記光学導波路を通して出力ポートのアレイに結合する段階と、
ｅ．前記出力ポートのアレイからの光を、前記光ファイバーまたは他の光学素子のアレイ内に結合する段階と、を含む、方法。
【請求項１１】
前記１次回折格子カプラーのアレイと前記出力ポートのアレイとの間を、１つ以上の光学機能部を通して前記光を結合する段階をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
【図１ａ】本発明に従う光学インターポーザーの実施形態の一部を形成する、楔状構造、１次格子及び導波路からなる単一の要素１００を示す。
【図１ｂ】図１ａの発明に従う光学インターポーザーの実施形態における１次回折格子アレイ、光学導波路及び出力ポートのアレイの上面図であり、明確化の理由のために光学回路のみが示されている。
【図１ｃ】図１ａの発明に従う光学インターポーザーの実施形態における１次回折格子アレイ、光学導波路及び出力ポートのアレイの３次元図であり、明確化の理由のために光学回路のみが示されている。
【図２】本発明に従う光学インターポーザーの実施形態における、光を導波路に結合するために使用される１次回折格子の一例の断面を示す。
【図３】本発明に従う光学インターポーザーの３つの実施形態において使用される１次回折格子のより高い屈折率の材料の部分の設計に関する３つの選択肢の断面図を示す。
【図４】水平出力結合を有する本発明に従う光学インターポーザーの実施形態の上面図を示す。
【図５】上部クラッドを有しない、本発明に従う光学インターポーザーの実施形態における出力カプラーの３次元図を示す。
【図６】図５の実施形態のカンチレバーカプラーを通した断面を示す。
【図７】本発明に従う光学インターポーザーの実施形態において入力１次回折格子と出力カプラーとの間に導入された光学機能の一例の機能図である。
【図８】シングルモードＶＣＳＥＬを支持する１次回折格子カプラー及びシングルモードＶＣＳＥＬの周囲の気密封止を有する本発明に従う光学インターポーザーの実施形態の断面を示す。
【国際調査報告】
2015524579.tif 000013
2015524579.tif 000014
2015524579.tif 000015