(57)【要約】多重波長光信号で使用するための本光学的結合システムは自由空間の光ビームと比較的薄いＳＯＩ構造の表面層（「ＳＯＩ層」）の間の向上した結合効率を提供し、所定の波長範囲全体にわたって充分な結合効率（５０％よりも大きい）を可能にする。結合用プリズムとＳＯＩ層の間に配置されたエバネセント結合層が特に、結合効率を向上させるように構成される。一実施形態では、エバネセント層の厚さが１つの波長に関して最適値よりも下に削減され、削減された厚さが規定された中心波長付近の所定の波長範囲全体にわたって結合効率を向上させる。場合によっては、結合効率を向上させるためにテーパ付きの厚さのエバネセント結合層（または削減された厚さとテーパ付き構造の組み合わせ）が使用されることが可能である。入力ビームの発射角度を制御し、かつ結合効率をさらに向上させるために光ビームの操縦が改造されたエバネセント結合層と組み合わされることが可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長範囲と中心波長とによって規定される複数の異なる波長で光信号を発生する外部光源と比較的薄いプレーナシリコン光導波路との間の光学的結合を行うための構成であって、
前記プレーナシリコン光導波路の少なくとも一部分の上に配置され、シリコンよりも小さい屈折率を示し、かつ前記外部光源に付随する前記波長範囲全体にわたって光学損失を最小化するように選択された実質的に一定の厚さの平均値を有するエバネセント結合層と、
前記エバネセント結合層の上に配置されたシリコンを主原料とするプリズム結合用の構造体であって、前記導波路の表面に関して所定の角度で形成された入り口端面と前記導波路の表面に関して所定の角度で形成された出口端面を有し、前記エバネセント結合層の上に配置されたプレーナ下側表面をさらに有するプリズム結合用構造体とを含む構成。
【請求項２】
前記波長範囲が１．１〜１．６５μｍの範囲の中の波長のサブセットとして規定される、請求項１に記載の構成。
【請求項３】
前記発生する信号が、前記選択されたエバネセント結合層の厚さについて所定の光学損失を与えることに付随するビーム・サイズを示す、請求項１に記載の構成。
【請求項４】
前記エバネセント結合層の前記厚さが所定のビーム・サイズについて本質的に前記中心波長で光学損失を最小化するように選択される、請求項１に記載の構成。
【請求項５】
前記エバネセント結合層の前記厚さが前記波長範囲にわたって光学損失を最小化するように選択され、前記選択された厚さが前記中心波長での最小光学損失に関連する厚さ未満である、請求項１に記載の構成。
【請求項６】
前記エバネセント結合層が誘電体材料を含む、請求項１に記載の構成。
【請求項７】
前記誘電体材料の屈折率が、前記波長範囲にわたって所定の受容可能な光学損失を前記比較的薄いプレーナシリコン光導波路の選択された厚さについて与えるように選択される、請求項６に記載の構成。
【請求項８】
屈折率が１．３よりも大きい、請求項７に記載の構成。
【請求項９】
前記誘電体材料が、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、および炭化ケイ素で構成されるグループから選択される、請求項６に記載の構成。
【請求項１０】
前記エバネセント結合層が材料の単層を含む、請求項１に記載の構成。
【請求項１１】
前記エバネセント結合層が材料の複数の部分層を含む、請求項１に記載の構成。
【請求項１２】
前記複数の部分層のうちの各部分層が同じ材料を含む、請求項１１に記載の構成。
【請求項１３】
前記複数の部分層のうちの少なくとも２つの部分層が異なる材料を含む、請求項１１に記載の構成。
【請求項１４】
前記平板状シリコン光導波路の厚さが、前記波長範囲にわたって所定の受容可能な損失を前記エバネセント結合層の選択された誘電体材料に関して与えるように選択される、請求項６に記載の構成。
【請求項１５】
さらに、
前記外部光源と、入力光ビームをコリメートし、整形し、かつ所定の入り口点および前記入り口結合端面に関する入射角度に操縦するための前記プリズム結合用構造体の入り口端面との間に配置された入力光学的インターフェース素子を含む、請求項１に記載の構成。
【請求項１６】
さらに、
出力ビームをコリメートし、整形し、かつ受光素子に向けて操縦するための出力光学的インターフェース素子を含む、請求項１に記載の構成。
【請求項１７】
前記出力光学的インターフェース素子が前記受光素子への出力ビームの焦点集束を供給する、請求項１６に記載の構成。
【請求項１８】
前記出力光学的インターフェース素子が少なくとも部分的に前記比較的薄いプレーナ光導波路と一体化される、請求項１６に記載の構成。
【請求項１９】
前記出力光学的インターフェース素子が、出力ビームをコリメートし、整形し、かつ外部の受光素子に向けて操縦するための前記出口端面の外に配置された個別部品を有する、請求項１６に記載の構成。
【請求項２０】
前記入力光学的インターフェース素子がさらに、
入力光ビームを所定の入り口点および前記プリズム結合用構造体の入り口端面への入射角度に方向付けるためのビーム操縦用システムを有し、前記方向付け機能を達成するために前記ビーム操縦用システムが平行移動および回転移動させられることが可能である、請求項１５に記載の構成。
【請求項２１】
前記ビーム操縦用システムが、前記中心波長が変わると前記入力光ビームを再度方向付けることによって前記入り口点および入射角度を修正するように機能する、請求項２０に記載の構成。
【請求項２２】
前記ビーム操縦用システムが少なくとも１つの反射型光学素子を有する、請求項２０に記載の構成。
【請求項２３】
前記ビーム操縦用システムが少なくとも１つの透過型光学素子を有する、請求項２０に記載の構成。
【請求項２４】
前記所定の入り口点および入射角度が、所定の中心波長について光学的結合を最大化するように選択される、請求項２０に記載の構成。
【請求項２５】
さらに、
出力光ビームを前記プリズム結合用構造体の出口結合端面から受光用光学装置へと方向付けるための出力ビーム操縦用システムを有する、請求項２０に記載の構成。
【請求項２６】
前記ビーム操縦用システムが、各々のビーム操縦用素子が前記波長範囲の中の特定の波長に付随する複数のビーム操縦用素子を有し、各々のビーム操縦用素子が、それに付随する入力ビームを前記プリズム結合用構造体の入り口結合端面上で所定の入り口点および入射角度に方向付けるように独立して動作する、請求項２０に記載の構成。
【請求項２７】
さらに、
前記比較的薄いシリコン光導波路へと結合させられる光学的入力信号を測定し、調節用出力信号を平行移動と回転移動を修正するための前記ビーム操縦用システムへの入力として供給することで最大の光学的結合を維持するためのフィードバック・システムを有する、請求項２０に記載の構成。
【請求項２８】
前記フィードバック・システムが前記比較的薄いシリコン光導波路からタップ引き出しされた入力光信号の部分を知られている最大の結合信号と比較し、２つの値の差を前記調節用出力信号として使用する、請求項２７に記載の構成。
【請求項２９】
前記フィードバック・システムが前記比較的薄いシリコン光導波路での入力光信号の結合効率を知られている結合効率の最大値と比較し、２つの値の差を前記調節用出力信号として使用する、請求項２７に記載の構成。
【請求項３０】
波長範囲と中心波長とによって規定される複数の異なる波長で光信号を発生する外部光源と比較的薄いプレーナシリコン光導波路との間に光学的結合を行うための構成であって、
前記プレーナシリコン光導波路の少なくとも一部分の上に配置されたエバネセント結合領域で、
入力光ビームの冒頭の結合部分が前記光ビームの中央の結合部分によって途中で捕らえられる厚さよりも小さい厚さを途中で捕らえ、前記光ビームの最後の結合部分が前記光ビームの前記中央の結合部分によって途中で捕らえられる厚さよりも大きい厚さを途中で捕らえるように単調に厚さが変化する入り口エバネセント結合領域と、
前記プレーナシリコン光導波路に沿って伝搬する光ビームの冒頭の結合部分が前記伝搬光ビームの中央の結合部分によって途中で捕らえられる厚さよりも大きい厚さを途中で捕らえ、前記伝搬光ビームの最後の結合部分が前記伝搬光ビームの前記中央の結合部分によって途中で捕らえられる厚さよりも小さい厚さを途中で捕らえるように単調に厚さが変化する出口エバネセント結合領域とを含むエバネセント結合領域と、
前記エバネセント結合領域の上に配置されたシリコンを主原料とするプリズム結合用の構造体で、前記平板状シリコンの導波路の表面に関して所定の角度で形成された入り口端面と前記シリコンの平板状導波路の表面に関して前記所定の角度で形成された出口端面を有し、前記エバネセント結合領域の上に配置されるプリズム結合用構造体とを含む構成。
【請求項３１】
前記波長範囲が１．１〜１．６５μｍの範囲の中の波長のサブセットとして規定される、請求項３０に記載の構成。
【請求項３２】
前記エバネセント結合領域の入り口部分と出口部分の厚さが、前記光ビームの伝搬方向に沿った距離と共に直線的に変化する、請求項３０に記載の構成。
【請求項３３】
結合した光ビームの中央の部分によって途中で捕らえられる場所の入り口および出口のエバネセント結合部分の厚さ、および直線的変化の傾きが前記波長範囲にわたって所定の光学損失の値を達成するように選択される、請求項３２に記載の構成。
【請求項３４】
前記エバネセント結合領域が誘電体材料を含む、請求項３０に記載の構成。
【請求項３５】
前記誘電体材料の屈折率が、前記波長範囲にわたって所定の受容可能な光学損失を前記比較的薄いプレーナシリコン光導波路の選択された厚さについて与えるように選択される、請求項３０に記載の構成。
【請求項３６】
屈折率が１．３よりも大きい、請求項３５に記載の構成。
【請求項３７】
前記誘電体材料が、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、および炭化ケイ素で構成されるグループから選択される、請求項３４に記載の構成。
【請求項３８】
前記エバネセント結合領域が材料の単層を含む、請求項３０に記載の構成。
【請求項３９】
前記エバネセント結合領域が材料の複数の層を含む、請求項３０に記載の構成。
【請求項４０】
前記複数の層のうちの各々の層が同じ材料を含む、請求項３９に記載の構成。
【請求項４１】
前記複数の層のうちの少なくとも２つの層が異なる材料を含む、請求項３９に記載の構成。
【請求項４２】
前記平板状シリコン光導波路の厚さが、前記波長範囲にわたって所定の受容可能な損失を前記エバネセント結合層の選択された誘電体材料に関して与えるように選択される、請求項３４に記載の構成。
【請求項４３】
さらに、
前記外部光源と、入力光ビームをコリメートし、整形し、かつ所定の入り口点および前記入り口端面に関する入射角度に操縦するための前記プリズム結合用構造体の入り口端面との間に配置された入力光学的インターフェース素子を含む、請求項３０に記載の構成。
【請求項４４】
さらに、
出力ビームをコリメートし、整形し、かつ受光素子に向けて操縦するための出力光学的インターフェース素子を含む、請求項３０に記載の構成。
【請求項４５】
前記出力光学的インターフェース素子が前記受光素子への出力ビームの焦点集束を供給する、請求項４４に記載の構成。
【請求項４６】
前記出力光学的インターフェース素子および受光素子が少なくとも部分的に前記比較的薄いプレーナ光導波路と一体化される、請求項４４に記載の構成。
【請求項４７】
前記出力光学的インターフェース素子が、出力ビームをコリメートし、整形し、かつ外部の受光素子に向けて操縦するための前記出口端面の外に配置された個別部品を有する、請求項４４に記載の構成。
【請求項４８】
前記入力光学的インターフェース素子がさらに、
入力光ビームを所定の入り口点および前記プリズム結合用構造体の入り口端面への入射角度に方向付けるためのビーム操縦用システムを有し、前記方向付け機能を達成するために前記ビーム操縦用システムが平行移動および回転移動させられることが可能である、請求項４３に記載の構成。
【請求項４９】
前記ビーム操縦用システムが、前記中心波長が変わると前記入力光ビームを再度方向付けることによって前記入り口点および入射角度を修正するように機能する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５０】
前記ビーム操縦用システムが少なくとも１つの反射型光学素子を有する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５１】
前記ビーム操縦用システムが少なくとも１つの透過型光学素子を有する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５２】
前記所定の入り口点および入射角度が、所定の中心波長について光学的結合を最大化するように選択される、請求項４８に記載の構成。
【請求項５３】
前記ビーム操縦用システムが、所定の値の結合が達成されるまで前記光ビームが前記入り口のエバネセント結合部分を途中で捕らえる位置を修正するように機能する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５４】
さらに、
出力光ビームを前記プリズム結合用構造体の出口結合端面から受光用光学装置へと方向付けるための出力ビーム操縦用システムを有する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５５】
前記ビーム操縦用システムが、各々のビーム操縦用素子が前記波長範囲の中の特定の波長に付随する複数のビーム操縦用素子を有し、各々のビーム操縦用素子が、それに付随する入力ビームを前記プリズム結合用構造体の入り口結合端面上で所定の入り口点および入射角度に方向付けるように独立して動作する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５６】
さらに、
前記比較的薄いプレーナシリコン光導波路へと結合させられる入力信号をモニタし、平行移動と回転移動を修正するために調節用信号を前記ビーム操縦用システムへと供給することで最大の入り口結合を維持するためのフィードバック・システムを有する、請求項４８に記載の構成。
【請求項５７】
前記フィードバック・システムが前記比較的薄いシリコン光導波路からタップ引き出しされた入力光信号の部分を知られている最大の結合信号と比較し、２つの値の差を前記調節用出力信号として使用する、請求項５６に記載の構成。
【請求項５８】
前記フィードバック・システムが前記比較的薄いシリコン光導波路での入力光信号の結合効率を知られている結合効率の最大値と比較し、２つの値の差を前記調節用出力信号として使用する、請求項５６に記載の構成。
【請求項５９】
前記外部光源が光ファイバを含む、請求項３０に記載の構成。
【請求項６０】
前記光ファイバがレンズにされた光ファイバを含む、請求項５７に記載の構成。
【請求項６１】
前記受光用光学素子が光ファイバを含む、請求項４４に記載の構成。
【請求項６２】
前記受光用光ファイバがレンズにされた光ファイバを含む、請求項６１に記載の構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００３年４月２８日に提出された係属出願番号６０／４６６，３０７号の恩典を権利主張するものである。
【０００２】
本発明は、外部供給源とＳＯＩ構造内の比較的薄いシリコン導波路層との間、さらに特定すると可変波長で多数波長の供給源と薄いシリコン導波路層との間の光学的結合を行うための構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在および将来の高速用途の帯域幅の要求条件を満たすために、現状技術の通信用の部品およびシステムは光学および電子工学の領域の両方で洗練された信号処理およびルーティングの機能のホストを提供しなければならない。複雑さの度合いが増すにつれて、システムの水準の要求条件を満たすため、および最終システムの付随するサイズおよびコストを下げるために単一のパッケージの中のさらに多くの機能および部品の集積化が必要とされる。電子産業を大幅に改革した集積回路デバイス、処理法、および技術がオプトエレクトロニクス集積回路を作り出すように構成され得ることはしばしば認識されてきた。通常のオプトエレクトロニクス集積回路では、光はシリコン、ガリウム砒素、ニオブ酸リチウム、またはリン化インジウムといった高屈折率材料の導波路を通って伝搬する。さらに高い程度のモード閉じ込めおよびさらに急な屈折が受け容れられることが可能であるので、高屈折率材料の使用はさらに小さいサイズのデバイスを可能にする。送信部、信号処理部、および受信部のすべての機能が単一のオプトエレクトロニクス集積回路に組み入れられることが可能であるが、システムが複数のパッケージから構成されることもやはり可能であり、当該技術およびこれ以降は「ハイブリッド型オプトエレクトロニクス集積化」またはマルチモジュール型集積化と称される。
【０００４】
通信システム用の用途の多くを可能にするために、異なる波長がデバイスの中に発射されるときの光学デバイスの性能を考慮することが必要である。用途のいくつかについては、関心対象の波長は最小波長λｍｉｎと最大波長λｍａｘによって範囲を定められた連続した帯域に入る。例を挙げると、多くの波長分割多重（ＷＤＭ）システムは１５２５〜１５７０ｎｍの波長帯域にほぼ相当する「Ｃバンド」として規定される波長帯域全体にわたって動作する。Ｌバンド（１５７０〜１６２０ｎｍの波長帯域）、Ｓバンド（１４８０〜１５２０ｎｍの波長帯域）、ならびに他の範例の波長帯域をカバーするためにこの同じ技術が拡張されることが可能である。
【０００５】
さらに特定した表現では、光学デバイスに連結されることが可能であるように要求される２つの異なるクラスの供給源、すなわち可変波長供給源と多数波長供給源がある。可変波長供給源は波長λＣ付近に中心を置く狭い帯域の波長だけを発射する供給源として規定され、ここでλＣは同調メカニズムを介して変えられることが可能である。可変波長供給源の１つの範例の実施形態は、Ｃバンド波長範囲全体にわたって同調をとられることが可能であり、λＣの中心波長を備えて動作する可変波長レーザ・モジュールであって、類似したモジュールが他の範例の帯域全体にわたって同調を与えるであろう。そのような範例の供給源の通常の線幅は極めて狭く、０．０５ｐｍの位数であり、温度に伴なうλＣの変位は±０．０５ｎｍの位数である。多数波長供給源は波長λＣに中心を置いていくつかの波長を同時に発射する供給源として規定される。多数波長供給源の１つの範例の実施形態は隣り合う波長同士の間で０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）または０．８ｎｍの分離を伴なって１５３０〜１５６５ｎｍの帯域全体にわたって動作し、ＷＤＭ信号を搬送する光ファイバ入力である。
【０００６】
先行技術では、「突き合わせ結合」または「エンドファイア結合」と称される技術が外部供給源からの光を光学導波路へと結合させるために共通して使用されてきた。特に、端面は導波路に固着され、（焦点を絞る目的でレンズにされることが可能な）光ファイバが入り口と出口の導波路端面に位置合わせされる。これらの結合方法は比較的波長には無関係であるが、そのような構成に付随する挿入損失は導波路の厚さが２．０μｍよりも下になると大幅に増加する。サブミクロンの厚さの導波路に関すると、入力／出力ビームと導波路の厚さとの間の寸法の不一致は結果として、多くの用途にとって受容不可能な挿入損失につながる。
【０００７】
比較的薄い導波路への波長に非感受性の結合に付随する挿入損失を改善するために、ビームのサイズをその大きな外部での値からさらに密に導波路に一致する寸法へと徐々に小さくする様々なテーパ付き構造が提案されてきた。いくつかの範例は外部ビームから導波路へと１つまたは２つの寸法で縮径させるテーパ、および外部ビームで細い先端（しばしば１００ｎｍ幅の位数）を有し、その後それが導波路の幅に一致するまで寸法で横方向に増大する「逆テーパ」または「ナノテーパ」を含む。これらの範例のうち、逆テーパだけが、見分けることが可能な量の光をサブミクロンの導波路に結合させるために首尾良く使用されてきた。しかしながら逆テーパの構成は、（１）サブミクロンの位置ずれに伴なう挿入損失の急速な増大、（２）ナノテーパを加工するための電子ビーム・リソグラフィのような特殊化された技術の必要性、（３）先端の端面が入り口端面と一致しない場合のナノテーパの先端の前段での追加的な導波路構造の必要性といったいくつかの欠点が難題である。
【特許文献１】係属特許出願番号６０／４６６，３０７号
【特許文献２】係属特許出願番号６６８，９４７号
【特許文献３】係属特許出願番号１０／７２０，３７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、当該技術では、様々なタイプの多数波長外部供給源を比較的薄いプレーナシリコン導波路に結合させることが可能である丈夫で製造可能な構成を提供するニーズが残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
先行技術に残っているニーズは、可変波長および多数波長の供給源と薄いシリコン導波路との間の（プリズム結合構造を使用する）結合を行うための構成、さらに特定すると入力波長の変化に適応するためにエバネセント結合層の設計変化を利用する方法に関する本発明によって対処される。
【００１０】
本発明によると、プリズム結合構成が使用されることで自由空間の光信号を、プリズム結合配列とシリコン導波路との間に結合を達成するように配置されたエバネセント結合層でもって（例えば厚さ１ミクロン以下の）比較的薄い平板状シリコン導波路の中へ、およびそこから外へと結合させる。様々な光信号波長の外部光波供給源と平板状シリコン導波路との間の結合効率を最大限にするために、プリズム結合構成の入り口／出口端面の屈折効果、ならびにエバネセント結合層の特性が本発明に従って制御および調節される。
【００１１】
本発明の第１の実施形態では、λＣを中心として広がった波長範囲の中で光学的結合損失を下げるためにエバネセント結合層の厚さが（単一の波長λＣに付随する最適値に関して）削減される。この第１の実施形態の様々な構成では、関心対象の波長範囲および／または所定の波長範囲にわたる結合損失を変えるためにエバネセント結合層の材料と厚さの両方が変更されることが可能である。特に、比較的大きな屈折率（例えばｎ＝２）を備えた材料は結合損失を下げることが見出された。付け加えると、高屈折率材料で形成され、厚さを削減されたエバネセント結合層の使用はさらに少ない損失を示すであろう。異なる屈折率の値の多くの材料が段階的屈折率のエバネセント結合層を形成するために使用されることが可能である。プリズム結合入り口端面上への入射の角度および入り口点を最適化するためにエバネセント結合層へのこれらの改造と共に光ビーム操縦用構成もやはり使用されることが可能であり、結合効率をさらに向上させる。
【００１２】
本発明の第２の実施形態では、（ＷＤＭ用途のような）多数波長の外部供給源に関して波長変化に対する感受性はテーパ付きエバネセント結合層を利用することによって最小限にされる。エバネセント結合層はその入り口部分に沿って単調に増大する厚さを有するように形成され、それにより、入力ビームの選択された部分が不足結合の厚さを途中で捕らえ、その一方で同じビームの異なる選択部分が過結合の厚さをサンプリングする。出口場所で厚さを単調に減少させる処理は同じ機能を実行する。ここでもやはり、テーパ付きエバネセント結合層を形成するために異なる屈折率の様々な材料が使用されることが可能であり、かつ／または所望であれば波長感受性をさらに下げるために光ビーム操縦と共に多層構造が形成されることが可能である。
【００１３】
本発明のその他およびさらなる構成および実施形態は以下の検討の過程の中で、かつ添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の様々な実施形態はすべて、シリコン基板、埋め込み誘電体層、および表面ＳＯＩ層から成るＳＯＩ構造の表面単結晶シリコン層（「ＳＯＩ層」）の中に形成される薄い（例えばサブミクロンの）シリコン導波路の中に入る、およびそこから出る光のエバネセント結合の利用に向けられる。自由空間の光ビームを薄いシリコン導波路の中に入れ、かつそこから出す光学的結合を行うための好ましい構成は２００３年９月２３日に提出された出願人らの係属特許出願番号６６８，９４７号および２００３年１１月２４日に提出された特許出願番号１０／７２０，３７２号に詳細に述べられているようにプリズム結合構成を使用する。図１はＩおよびＯでそれぞれ示された自由空間の入力および出力光ビームとＳＯＩ層１２の中の薄いシリコン導波路との間の範例となるプリズム結合構成１０を例示している。図示されるように、ＳＯＩ層１２はシリコン基板２２と埋め込み誘電体層２４（ここでは層２４は、限定はされないが二酸化ケイ素のような材料を含むことが可能である）をさらに有するＳＯＩ構造２０の表層を含む。
【００１５】
ＳＯＩ層１２の上に配置されるようにエバネセント結合層２６が例示され、ここでは図１に示されるように導波路の延長に沿って導波を維持するために埋め込み誘電体層２４と組み合わされたエバネセント結合層２６はＳＯＩ層１２のそれよりも小さい屈折率を示す必要がある。例えば、エバネセント結合層２６については多くの構成で二酸化ケイ素（ｎ＝１．４５）が使用され、その一方でＳＯＩ層１２は通信波長に関して約３．５の屈折率を有する。下記で詳細に検討されるであろうが、高い屈折率を備えた材料がいくつかのケースで結合損失を下げることが見出されてきた。エバネセント結合層２６の上に配置されるようにプリズム結合構成が例示され、ここではこの実施形態は、入力ビームＩを構成の中へと結合させるための入り口端面１４および出力ビームＯを構成から外へと結合させるための出口端面１８を有する（例えばシリコンで形成された）１つの台形のプリズム１６を有する。従来式のシリコンの処理／エッチング技術を使用して形成されると、入り口端面１４および出口端面１８は両方共に水平面に関して５４．７４°の角度に配置される。
【００１６】
図１に例示されるような構成では、入力ビームＩは光の波長λ、入射光の偏光状態、ＳＯＩ層１２、埋め込み誘電体層２４、およびエバネセント結合層２６の屈折率と厚さ、およびプリズム結合器１６と周囲の媒質（例えば空気）の屈折率によって決定される入射角度で発射されなければならない。図２は入力ビームＩをプリズム１６結合器の入り口端面１４に発射するために関与する特定のパラメータを例示する図を含む（明瞭化するためにここではプリズム結合器１６の一部分だけが例示されている）。図２に示されるように、２つの関連する角度、（１）ＳＯＩ層１２に沿った信号伝搬の平面（図１参照）で図２ではプリズム結合器の表面１５として示される平面の垂線Ｎ（図２のｚ軸と一致）に相対するプリズム結合器１６内のビームの角度θＳｉ、および（２）プリズム結合器１６の入り口端面１４への入力ビームの入射角度θａｉｒがある。θａｉｒの値はよく知られているスネルの法則を空気／プリズムの界面で適用することによって決定される。
【００１７】
図３は（文字「Ｗ」で示される）３つの異なる厚さ（すなわち０．１０μｍ、０．１４μｍ、および０．２１μｍ）のＳＯＩ層１２について、θＳｉの変化を入力ビーム波長λの関数として例示するグラフを含む。これらのプロットから、θＳｉの変化は関心対象の波長の極めて広い範囲にわたってλの一次関数として近似されることが可能であり、かつ
θＳｉ（Ｗ，λ）＝θＳｉ（Ｗ，λＣ）＋ｃ（Ｗ）×（λ−λＣ）
として表わされることが可能であり、ここでＷ＝０．１４μｍと０．２１μｍについてはｃ≒−０．０１４４°／ｎｍであり、Ｗ＝０．１０μｍについてはｃ≒−０．０１２９°／ｎｍである。単一の波長λＣで動作する入力ビームＩと共に図１に示されるような構成を使用するとき、θＳｉ（Ｗ，λＣ）に関して結合効率が最大限にされるであろう。λＣの近傍の波長λに関する結合効率は波長の関数である結合曲線の幅に応じて決まるであろう。結合効率がηとして示される場合、一定の厚さおよび一定の屈折率のエバネセント結合層については波長の関数である結合効率η（λ）は以下のように表現されることが可能であり、
【００１８】
【数１】
2006526808.tif 000003
【００１９】
ここでωＰＣＳは図２に示されるようなプリズム結合器１６のプリズム結合表面１５への入射ビームＩの投影の半径として規定され、αωＰＣＳは一定の厚さおよび一定の屈折率を有するエバネセント結合層２６に関して結合効率を設定するパラメータであり、ｎＳｉはシリコンの屈折率（関心対象の波長範囲については約３．５の値）である。
【００２０】
上述したように、エバネセント結合層の厚さを付随する値から削減して所定の波長λＣで最大の結合を得ることによって、或る一定の周波数範囲にわたって削減された光学損失（高められた結合効率）が本発明に従って達成されることが可能である。図４はエバネセント結合層の厚さの３つの異なる値について結合効率を波長の関数としてプロットするこの態様を具体的に示すグラフを含む。各々のケースで偏光状態は電気的横方向（ＴＥ）モードに対応し、波長λＣ＝１５５０ｎｍであり、自由空間のビームは６３μｍのガウス・ビーム径（２ω０）を有し、比較的薄いシリコン導波路は０．１４μｍの厚さを有し、二酸化ケイ素のエバネセント結合層は１．４５の屈折率を有する。先行技術に関連するプロットＡはλＣ（１５５０ｎｍ）で最大結合効率を達成するように選択された厚さのエバネセント結合層に関するものであり、このケースでは、エバネセント結合層の厚さは約３２０ｎｍであって効率は８０％である。図示されるように、このエバネセント結合層の厚さについては効率は波長と共に急激に落ち込み、λＣから±５ｎｍの波長については５０％（３ｄＢ）未満の効率である。プロットＢはエバネセント結合層についてわずかに削減された厚さ、２９０ｎｍの値に関連するものである（このケースは「緩やかな過結合」状態と称される）。図示されるように、λＣでの結合効率はわずかに（約７５％の値へと）低下させられるが、３ｄＢ点はλＣの±８ｎｍ近傍へと広げられており、その結果、受容可能な結合効率の波長範囲を広げる。プロットＣに示されるようにエバネセント結合層の厚さを２６５ｎｍの値へとなおもさらに削減する（「中程度の過結合」状態）処理はピークの結合効率を大幅に（約５０％へと）低下させるが、しかし±１２ｎｍへの３ｄＢ点の増大を与える。したがってこのケースでは、大きな波長範囲全体にわたる結合効率の変化が大幅に削減されるが最大効率が５０％以下となる犠牲を伴なう。
【００２１】
図４に例示された結果以上に向上させるために厚さに加えてエバネセント結合層の他のパラメータが変更されることが可能である。例えば、高屈折率の材料を使用することは、上記で検討されたような結合効率の表現の中の傾きｃを小さくすることによって性能を向上させるであろう。場合によっては、多層のエバネセント結合層（異なる材料の各々の層）が使用されることが可能であり、あるいはＳＯＩ層の中の信号伝搬の方向に沿って屈折率を上げながら段階的な屈折率の構造が使用されることが可能である。図５は図４に関連して上記で検討されたそれらに類似したプロットのセットを含み、図５のプロットはエバネセント結合層としての窒化ケイ素（ｎ＝２．０）、４５°のプリズム端面角度θｐｒ、および０．１０μｍの厚さのシリコン導波路を使用して得られた。中心波長λＣおよび入力ビームの直径２ω０は同じ値、すなわち１５５０ｎｍおよび６３μｍをそれぞれ維持する。先行技術を表わすプロットＡはλＣで最大結合効率（８０％）を与える構成を例示しており、このケースではこの最大効率を与えるために４６６ｎｍのエバネセント結合層の厚さが必要とされる。小さくされた効率曲線の傾きの結果として、図４の結果に比べると先行技術の「最大結合効率」および削減された厚さのエバネセント結合層（プロットＢおよびＣ）の両方のプロットが約１．７５の因数で広げられる。例えば、プロットＢに関すると、前のプロットＢに示されたようなλＣでの最大結合効率の同じ５％の減少はここではこの緩やかな過結合の実施形態について±１４ｎｍの広がった３ｄＢ範囲を有する。プロットＢおよびＣによって示されるように、５０％を超える結合効率がここでは１５３５から１５６５ｎｍの波長範囲にわたって維持されることが可能である。通信のＣバンドに幅で匹敵する帯域幅全体にわたって信号を送信することが本発明に従って全帯域を横切って３ｄＢ未満の挿入損失の変化を伴なってここでは可能であるので、これは有意義である。もしもデバイスの制約がそのような選択を許容するのであれば比較的薄いシリコン導波路に関して適切な層の厚さ（Ｗ）を選択することによって、波長適用範囲にある程度の追加的な小さい利得もやはり達成されることが可能である。これは、傾きｃ、したがって波長に伴なうθＳｉの変化が導波路の厚さの関数であるという事実に起因する。
【００２２】
再び結合効率に関して式を参照すると、波長感受性の他の供給源が角度のθＳｉ値に波長依存性であることが明らかである。可変波長レーザを外部の信号供給源として利用するようないくつかの用途については、入力信号は可変の中心波長を備えた狭帯域の信号（このケースではレーザの線幅によって設定される）として特徴付けられる。θＳｉとθａｉｒはスネルの法則を通じて関係付けられるので、θａｉｒの値を制御／変更することによってθＳｉの値を制御／変更することが可能であり、なぜならばθＳｉ＝θｐｒ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎθａｉｒ／ｎＳｉ）であるからである。
【００２３】
図６はθａｉｒと波長との間の関係を例示するグラフを含み、データは厚さＷ＝０．１３６μｍのＳＯＩ層導波路および厚さ３９５ｎｍの一定厚さの二酸化ケイ素のエバネセント結合層を使用して収集された。この実験では、約２００μｍの直径の自由空間ビームが使用され、ＴＥモードの偏光状態が発射された。収集されたデータがシミュレーションと良好な一致であり、約０．０６±０．０１°／ｎｍの傾きを示していることが認められる。したがって、θａｉｒとθＳｉの間の密接な関係の結果として、中心波長が変化するときにθａｉｒを変えることによってθＳｉに関する値もやはり現在の中心波長にとって最適の角度を生じるように変わることは明らかである。
【００２４】
本発明によると、したがって、θａｉｒを調節することによって現在使用されている中心波長にとって最適の値に（この中心波長が変わると、すなわちレーザが同調をとられるとθＳｉを再調節する能力で）θＳｉを調節するであろう構成が開発された。図７は、適切な自由空間発射角度θａｉｒを見出し、プリズム結合器１６とＳＯＩ層１２との間の最大結合効率に付随する発射角度θＳｉを生じるであろう入り口点を見出すため入力ビームＩの入射を調節する（操縦する）ための構成５０を例示している。図７に例示される特定の構成５０はビーム操縦操作を実行するために一対のＭＥＭＳミラー５２および５４を利用するが、しかし自由空間ビームの入射角度を操縦することが可能ないずれかの他の構成もやはり使用され得ることは理解されるはずである。
【００２５】
図７を参照すると、構成５０の第１のＭＥＭＳミラー５２は第１の制御素子５６を使用して動かされる。第１のＭＥＭＳミラー５２は図７の矢印によって示されるように平行移動と回転移動の両方をすることが可能である。（例えばファイバ、好ましくはレンズになったファイバから）入来する光ビームＩは構成５０へと結合させられ、この特定の実施形態では水平方向の信号経路に追随して第１のＭＥＭＳミラー５２に衝突する。図示されるように、第１のＭＥＭＳミラー５２は入力ビームＩを反射し、プリズム結合器１６の入り口端面１４上へとビームを向け直す。入射角度θａｉｒが入り口端面１４の垂線に関して測定され、その後、関連するθＳｉの値へと翻訳されることが可能である。したがって、第１のＭＥＭＳミラー５２の平行移動および回転移動を調節することによって、所定の中心波長λＣに関して最大結合効率に付随するミラー構成が決定されることが可能である。
【００２６】
上述したように、このビーム操縦用構成は可変波長レーザ６０のような同調可能な外部の供給源と使用するために特に適しており、そこでは供給源は狭い線幅（例えば０．５ｐｍ）を示すが中心波長自体は３５ｎｍ以上の範囲にわたって「同調をとられる」ことが可能である。実際に、波長可変の供給源６０に関して考え得る中心波長の所定のセットに関連する第１のＭＥＭＳミラー５２の構成のセットを確立することが本発明に従って可能である。これらの構成の値はメモリ素子６２に保存されることが可能であり、それにより、波長可変の供給源６０の中心波長が変えられるとメモリ素子６２は第１のＭＥＭＳミラー５２に関する適切な平行移動および回転移動の値を第１の制御器５６へと送信するであろう。本発明のこの特定の態様によると、第２のＭＥＭＳミラー５４および付随する制御器５８もやはり出力ビームＯを適切に捕捉し、その出力ビームを出口の結合構成へと向けるように配置されることが可能である。実際に、第２のＭＥＭＳミラー５４に関する平行移動および回転移動の位置の値もやはりメモリ素子６２に保存されることが可能である。図７に例示されていないが、各々の素子が複数の光信号のうちの異なる入来光信号と結び付く複数のそのようなビーム操縦用素子が使用されることもやはり可能である。さらに、様々な他の実施形態では光学的反射素子に代わって光学的透過素子が使用されることも可能である。
【００２７】
図７に例示されたようなビーム操縦用構成の追加と共に、第１のＭＥＭＳミラー５２の位置を動的に調節して入力波長の（老朽化、ドリフトなどの関数となる）わずかな変化に対処するフィードバック制御メカニズムを追加することが可能である。特に、ＳＯＩ層１２に結合する入力信号の一部がタップ引き出しされて入り口の結合効率を測定するために使用されることが可能であり、その場合に結合効率を測定するために使用される測定装置６４が図７に例示されている。上記で検討したように、結合効率の間の関係、θＳｉおよびθａｉｒはすでに確立された。したがって、測定装置６４によって測定されるときに結合効率が低下し始めれば、第１のＭＥＭＳミラー５２の第１の制御器５６の中の（またはメモリ素子６２の中の）ルックアップテーブルが、最大効率に付随する値へと入射角度を修復するために必要とされる正しい平行移動および／または回転移動の値を計算するであろう。図７に例示されるような特定のフィードバック構成では、装置６４から得られる結合効率測定値が第１の入力として加算器６６に加えられ、加算器６６の第２の入力は「分かっている」最適結合効率の値６８である。したがって、これら２つの値の差が「誤差」信号εを形成し、その後、適切な補正値を選択することに使用するためにそれが第１の制御器５６へとフィードバックされる。様々な他のフィードバック構成が使用されることが可能であり、そのフィードバック技術が図７のビーム操縦用構成の出口部分でも使用され得ることは理解されるはずである。
【００２８】
波長感受性の改善を提供することが可能な他の実施形態が図８に例示されている。このケースで、かつ上記で簡単に検討されたように、テーパの付いた厚さのエバネセント結合層が入り口および出口部分で使用されることで「平坦な」エバネセント結合層で可能なそれよりも広い波長範囲にわたって結合効率を向上させる。特に、前の図面と同様に、図８は自由空間の光ビーム（ＩおよびＯ）をＳＯＩ層１２の中に形成されたサブミクロンの厚さの導波路の中、およびそこから外へと結合させるために入り口端面１４と出口端面１８を備えたプリズム結合器１６の使用を例示している。しかしながらこの実施形態では、プリズム結合器１６とＳＯＩ層１２との間の結合を行うためにテーパ付きのエバネセント結合層８０が使用される。図示されるように、テーパ付きのエバネセント結合層８０は単調に増加する厚さの入り口結合部分８２と単調に減少する厚さの出口結合部分８４を有する。１つの事例では、直線的な増加および減少が使用されることが可能である。図９は光ビームの振幅に関連したエバネセント結合領域の厚さ変化を描くグラフを含み、図９（ａ）は図８の構成の入り口部分に関し、図９（ｂ）は図８の構成の出口部分に関する。
【００２９】
下記で検討される結合効率の結果から明らかになるであろうが、テーパ付きのエバネセント結合領域を使用する少なくとも３つの主要な利点が存在する。第１に、中心波長λＣの結合効率は一定厚さのエバネセント結合層で得られるそれを上回って改善される。いくつかのケースでは、結合効率は８０％の値から約９７％へと改善されることが可能である。このようにして、λＣでの比較的高い結合効率と拡大された波長範囲にわたる結合領域の受容可能なレベルの両方を提供するためにテーパ付きのエバネセント結合層と組み合わせて（上記で検討したようなさらに薄いエバネセント結合層および／または異なる材料の使用といった）波長範囲感受性拡大技術が使用されることが可能である。また、変化する厚さのエバネセント結合層を使用すると、入力ビームは本質的に様々な厚さの値を途中で捕らえる。すなわち、入力ビームの有意の部分（５０％の位数）が入り口部分８２に沿ってエバネセント結合層の厚さを途中で捕らえ、それは最適値（この「最適」は一定厚さのエバネセント結合層に関して規定される）よりも小さい。これは図９（ａ）のグラフで明らかに認められる。図９（ｂ）に例示されるように出口で結合されるビームについても、それが出口結合部分８４に衝突するときに同じことが言える。したがって、各々のビームの少なくとも半分が削減された厚さに遭遇するので、上記で検討された理由のために波長感受性が下げられる。最後に、テーパ付きのエバネセント結合領域は入り口と出口のガウス・ビームの両方に高い度合いのモード整合を有するので、本発明の構成は光ファイバのような従来式の送受信用光学素子との使用に特に便利である。
【００３０】
図１０は図８に概略で示されたそれと同様のテーパ付きのエバネセント結合層の使用に付随する結合効率の向上を例示するグラフを含む。図１０のプロットに関する値は１５５０ｎｍの中心波長λＣとＴＥモード偏光状態での６３μｍの自由空間ビーム径２ω０、１．４５の屈折率を備えた二酸化ケイ素のエバネセント結合層および５４．７４°のプリズム結合角度θｐｒについて得られた。曲線Ａは比較の目的で（図４に例示された曲線Ａの結果と同様に）一定厚さのエバネセント結合層に関する結合効率を例示しており、このケースではその厚さは約３２０ｎｍである。曲線Ｂのプロットは１５５０ｎｍの中心波長に関して最適化されたテーパ付きのエバネセント結合層に関連している。すなわち、１５５０ｎｍで最大の結合効率（このケースでは９７．５％）を与えるようにテーパが選択された。直線的に変化するテーパ部分についてはこのテーパに付随する傾きが約０．１°であることが見受けられ得る。一定厚さのエバネセント結合層の使用に比べると波長範囲全体にわたる結合効率が改善されることに留意すべきである。曲線Ｃはビームによってサンプリングされるすべての地点で（最適値に比べて）やはりわずかに厚さで削減されるテーパ付きのエバネセント結合層に関連しており、その削減は約４０ｎｍであって傾きで約０．１５°に増加する。曲線Ｂと同様に、曲線Ｃに関する測定値に付随するエバネセント層もやはり波長範囲全体にわたって一定厚さの実施形態に付随する結合効率よりも良好な結合効率を生じる。両方のテーパ付きエバネセント結合層について、波長範囲のうちの外側領域での結合効率は２から３の因数で改善される。付け加えると、中心波長λＣでの結合効率は少なくとも１０から２０％高い。このようにして本発明のこの実施形態によると、変化する厚さのエバネセント結合層の使用は１つの波長だけではなく所定の波長範囲全体にわたって付随するＳＯＩ層を通る光の透過を大幅に改善することが可能である。すべての波長で効率が大幅に改善されるので、特定の幅の波長範囲に関して他の装置のパラメータのうちのいくつかを特別に仕立てることが可能である。例えば、帯域の中心付近の結合効率の大幅な低下を伴なうことなく波長範囲を横切る結合効率の変化が削減されることが可能である。
【００３１】
図１１のプロットは３つの異なる構成について結合効率を比較しており、１５５０ｎｍの中心波長で７５％の結合効率を生じるように全部が制約されている。前に図４で示されたように、曲線Ａは一定厚さ（３２０ｎｍ）のエバネセント結合層のケースを例示しており、この層は二酸化ケイ素を含む。曲線Ｂもやはり一定厚さ（４６６ｎｍ）のエバネセント結合層に関連しており、この曲線は窒化ケイ素の使用に付随している。最後のプロットである曲線Ｃは直線的に変化する厚さおよび１．４５の屈折率のエバネセント結合層（二酸化ケイ素）を備えた構成を表わす。図１１に示されるように、この最後の構成は曲線Ｂに付随するさらに高屈折率の材料を使用することによって達成されるそれと同じ程度のスペクトルの拡大を与える。この構成を作り出すために一層少ない材料の数が必要とされるだけであるのでこれは有意義な結果である。したがって、エバネセント結合層の厚さにテーパを付けることによって、二酸化ケイ素材料の層が使用され、かつ窒化ケイ素で構成される層と同様に機能することが可能となる。さらに、窒化ケイ素のような材料が使用されることが可能なケースについてはテーパ付きエバネセント結合層と比較的大きい屈折率との組み合わせはなおもさらに同じ波長範囲全体にわたる結合効率を向上させるであろうとさらに推定される。図１２は例えば３つの最適化された状況に関するプロットのセットを含み、曲線Ａは一定厚さの窒化ケイ素のエバネセント結合層を使用する処理に付随し、曲線Ｂは二酸化ケイ素のテーパ付きエバネセント結合層を使用する処理に付随し、曲線Ｃは窒化ケイ素のテーパ付きエバネセント結合層を使用する処理に付随し、各々の曲線は１５５０ｎｍの中心波長に関連付けて判定される。後者の構成で、波長範囲全体にわたって結合効率が平均４０〜５０％改善されたことが気付かれるはずである。
【００３２】
テーパに沿ってビームの中心がエバネセント結合層を途中で捕らえる正確な場所をさらに制御するためにテーパ付きエバネセント結合層と組み合わせてビーム操縦用構成が使用され得ることが気付かれるはずである。さらに、ＳＯＩ層の中の光信号の伝搬方向に沿ってエバネセント結合層の実効屈折率を「段階化する」ことによって、削減された波長感受性を与えるためのエバネセント結合層の他の実施形態が形成されることが可能である。特に、屈折率の変化は所望の波長範囲にわたってθＳｉの値を均等化する傾向を有するように変えられる（段階化される）。特に、実効屈折率は二重層構造を使用することによって実現されることが可能であり、第１の層は第１の材料を含み、一定の厚さを有するように形成される。別の材料の第２の層は第１の層の上でテーパとして形成される。その結果、導波路に沿って信号が伝搬するにつれて実効屈折率が（入り口に沿って）増大する。一実施形態では、テーパ層は適切な屈折率を備えた材料の交互の層を使用することによって実現されることが可能であり、それらの層は水平方向かまたは垂直方向のどちらかで交互にされることが可能である。
【００３３】
上述の本発明の実施形態が単に範例に過ぎず、本発明の範囲を規定もしくは限定するように考えられるべきでないことは理解されるはずである。実際に、本発明は添付の特許請求項によって最も適切に規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】外部の信号供給源と比較的薄い平板状シリコン光導波路との間の光信号結合を行うための範例となるプリズム結合構成を例示する図である。
【図２】自由空間ビーム（例えば「外部供給源」）と比較的薄いプレーナ光導波路との間の高い結合効率を供給するためのプリズム結合器の使用に付随する角度パラメータの詳細を示す図である。
【図３】プリズム結合器の内部の光ビーム発射角度（θＳｉ）を波長の関数として例示するグラフであって、３つの異なるサブミクロン厚さのＳＯＩ層光学導波路についてデータを例示している。
【図４】３つの異なる厚さのエバネセント結合層に関して結合効率を波長の関数として例示するグラフであって、エバネセント結合層は二酸化ケイ素で形成される。
【図５】窒化ケイ素のエバネセント結合層を使用するときの結合効率を波長の関数として例示するグラフであって、３つの異なる厚さ値のエバネセント結合層に関して結合効率を例示している。
【図６】プリズム入り口端面での入射角度（θａｉｒ）の変化のシミュレーション結果と測定データの両方を波長の関数としてプロットしたグラフである。
【図７】プリズム結合器の入り口端面での光ビームの入射角度を修正／操縦するために本発明に従って使用されることが可能な範例のビーム操縦用構成を示す図である。
【図８】結合構成の波長感受性を下げるためにテーパ付きエバネセント結合層を利用する、本発明の第２の実施形態を例示する図である。
【図９】入り口（図９（ａ））と出口（図９（ｂ））の両方でテーパ付きエバネセント結合層とビームの振幅との間の関係を例示する単純化したグラフのセットである。
【図１０】「一定厚さの」エバネセント結合層、およびテーパ付きエバネセント結合層の２つの異なる実施形態の両方について効率を例示する結合効率のグラフである。
【図１１】テーパ付きエバネセント結合層の使用に付随する結合効率の向上を２つの異なる「一定厚さの」エバネセント結合層に対して比較するグラフである。
【図１２】本発明に従って形成された３つの「最適の」エバネセント結合構成のセットに付随する結合効率を比較するグラフである。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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