(57)【要約】  広帯域光学出力を生成する技術が、シリコン基板内に形成され狭帯域光学出力を生成する複数の狭帯域光学源と、狭帯域光学出力を転送する複数の入力光学導波管と、シリコン基板内に形成され転送された狭帯域光学出力を反射する光学マルチプレクサと、反射された狭帯域光学出力を収集して広帯域光学出力を生成する出力光学導波管とを含む。出力光学導波管は、広帯域光学出力をフォトニック集積回路の出力へと転送することができる。
2017525991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域光学出力を生成するフォトニック集積回路であって、
シリコン基板と、
各々が励起信号に応答して狭帯域光学出力を生成する、複数の狭帯域光学源と、
各々が前記シリコン基板内に形成され、対応する狭帯域光学源からの狭帯域光学出力を受信する、複数の入力光学導波管と、
前記シリコン基板内に形成された光学マルチプレクサと、
前記シリコン基板内に形成された出力光学導波管と、
を含み、
(i) 前記複数の入力光学導波管の各々が、対応する狭帯域光学源から受信した狭帯域光学出力を前記光学マルチプレクサへと方向付け、
(ii) 前記光学マルチプレクサが、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を前記出力光学導波管へと方向付けて、広帯域光学出力を生成する、
フォトニック集積回路。
【請求項２】
前記シリコン基板がシリコンオンインシュレータ基板である、
請求項１記載のフォトニック集積回路。
【請求項３】
前記複数の狭帯域光学源が、前記シリコン基板の頂部表面上に形成された複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子を含む、
請求項１記載のフォトニック集積回路。
【請求項４】
前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子の各々が、燐化インジウム基板を有する、
請求項３記載のフォトニック集積回路。
【請求項５】
前記複数の狭帯域光学源の各々が、励起信号に応答して増大した自発発光を生成する、
請求項１記載のフォトニック集積回路。
【請求項６】
各入力光学導波管がシリコンオンインシュレータリブ入力光学導波管である、
請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項７】
各入力光学導波管が前記光学マルチプレクサへと方向付けられた出力端を含み、各入力光学導波管の前記出力端がテーパーを有する、
請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項８】
各入力光学導波管が、前記出力端とは反対側の対応する狭帯域光学源側に位置された入力端を含み、
当該フォトニック集積回路がさらに、各入力光学導波管の前記入力端に位置された非反射性散乱体を含む、
請求項７記載のフォトニック集積回路。
【請求項９】
前記光学マルチプレクサが、前記シリコン基板内に形成されたエシェル格子鏡体を含む、
請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項１０】
前記エシェル格子鏡体が、当該エシェル格子鏡体の内壁に適用された反射性被覆を含む、
請求項９記載のフォトニック集積回路。
【請求項１１】
各入力光学導波管が前記エシェル格子鏡体へと方向付けられた出力端を含み、
前記エシェル格子鏡体への各入力光学導波管の入射角が前記エシェル格子鏡体の全反射のための角度よりも大きくなるように各入力光学導波管の出力端が前記エシェル格子鏡体に関して位置づけられている、
請求項９記載のフォトニック集積回路。
【請求項１２】
前記出力光学導波管が、前記複数の入力光学導波管の各狭帯域光学出力を受信する、テーパーを有する入力端を含む、
請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項１３】
さらに、各狭帯域光学源に電気的に結合され、前記励起信号を生成する駆動回路を含む、請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項１４】
前記広帯域光学出力が少なくとも200ナノメートルのスペクトル帯域幅を含む、
請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項１５】
前記シリコン基板が２センチメートル未満の大寸法を有する、
請求項１乃至５の何れか１項記載のフォトニック集積回路。
【請求項１６】
広帯域光学出力を生成するシリコン系フォトニック集積回路であって、
シリコンオンインシュレータ基板と、
前記シリコンオンインシュレータ基板内に形成されたエシェル格子鏡体と、
前記シリコンオンインシュレータ基板の頂部表面上に形成され、各々が励起信号に応答して増大した自発発光を生成する、複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、
前記シリコンオンインシュレータ基板内に形成された複数の入力光学導波管であり、
(i) 各入力光学導波管の一部が、前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子のうち対応する利得素子の下に形成され、該対応する利得素子により生成された増大した自発発光光学出力を受信し、
複数の入力光学導波管の各々が、対応する狭帯域光学源から受信した狭帯域光学出力を光学マルチプレクサへと方向付け、
(ii) 各入力光学導波管が、前記エシェル格子鏡体へと方向付けられ、増大した自発発光光学出力を前記エシェル格子鏡体へと方向付けるテーパー付き出力端と、シリコン基板内に形成された出力光学導波管とを含み、
前記出力光学導波管が、前記エシェル格子鏡体により反射された各増大した自発発光光学出力の少なくとも一部を受信するようにテーパー付けされた入力端を含み、前記広帯域光学出力を生成する、
シリコン系フォトニック集積回路。
【請求項１７】
前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子の各々が、燐化インジウム基板を有する、
請求項１６記載のシリコン系フォトニック集積回路。
【請求項１８】
各入力光学導波管がシリコンオンインシュレータリブ入力光学導波管である、
請求項１６記載のシリコン系フォトニック集積回路。
【請求項１９】
各入力光学導波管が、前記テーパー付き出力端に関して、対応するIII−Ｖ属化合物光学利得素子の反対側に位置された入力端を有し、
当該シリコン系フォトニック集積回路がさらに、各入力光学導波管の前記入力端に位置された非反射性散乱体を含む、
請求項１６乃至１８のうち何れか１項記載のシリコン系フォトニック集積回路。
【請求項２０】
前記エシェル格子鏡体が、当該エシェル格子鏡体の内壁に適用された反射性被覆を含む、
請求項１６乃至１８のうち何れか１項記載のシリコン系フォトニック集積回路。
【請求項２１】
各入力光学導波管の前記出力端が、前記エシェル格子鏡体への各入力光学導波管の入射角が前記エシェル格子鏡体の全反射のための角度よりも大きくなるように、前記エシェル格子鏡体に関して位置づけられている、
請求項１６乃至１８のうち何れか１項記載のシリコン系フォトニック集積回路。
【請求項２２】
前記シリコンオンインシュレータ基板が２センチメートル未満の大寸法を有する、
請求項１６乃至１８の何れか１項記載のシリコン系フォトニック集積回路。
【請求項２３】
フォトニック集積回路から広帯域光学出力を生成するための方法であって、
当該フォトニック集積回路の複数の狭帯域光学源の各々から狭帯域光学出力を生成する工程と、
前記複数の狭帯域光学源の各々により生成された前記狭帯域光学出力を、当該フォトニック集積回路の対応する入力光学導波管を経由させる工程と、
各入力光学導波管により経由された前記狭帯域光学出力を当該フォトニック集積回路の光学マルチプレクサへと方向付ける工程と、
前記光学マルチプレクサによって、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を当該フォトニック集積回路の出力光学導波管へと反射する工程と、
前記出力光学導波管によって、前記光学マルチプレクサにより反射された各狭帯域光学出力の前記一部を収集して、前記広帯域光学出力を生成する工程と、
を含む、方法。
【請求項２４】
前記の狭帯域光学出力を生成する工程が、III−Ｖ属化合物光学利得素子の各々から増大した自発発光光学出力を生成する工程を含む、
請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記の各狭帯域光学出力の少なくとも一部を反射する工程が、エシェル格子鏡体によって、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を反射する工程を含む、
請求項２３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
広帯域光学出力を生成するフォトニック集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、「広帯域光学出力を生成する技術」と題し２０１４年６月２７日に出願された米国特許出願１４／３１８，１３９号に基づく優先権を主張している。
【０００３】
代表的な広帯域光学源が、比較的に広いスペクトル帯域幅を有する光学出力を生成し、広範囲の様々な応用に用いられている。例えば、広帯域光学源は、スペクトロスコピー、光学コヒーレンストモグラフィー、光学通信テスト及び測定、並びに広スペクトル光が要求されあるいは望まれるその他の応用に用途が見出されている。代表的な市販の広帯域光学源は、発光ダイオード（LEDs）のアレイから形成される。そのようなデバイスにおいて、光学ファイバー又は自由空間光学成分を用いて各LEDの光学出力が組み合わされる。LEDは互いに独立であり、追加的な整合ハードウェアを要求することから、標準的な広帯域光学源の全体的寸法が、いくつかの応用において極めて大きくなる場合がある（例えば、典型的な広帯域光学源は数十センチメートルの寸法を有し得る）。
【０００４】
フォトニック集積回路又は光学集積回路が多重光学成分を組み合わせて、光学増幅、光学フィルタリング、光学ルーティング（routing）及び光学変調を非制限的に含む様々な光学的機能をもたらす。光学成分は、例えば、光学増幅器、光学ファイバー、レーザー、光学検出器及び光学信号を転送（routing）する導波管を含み得る。フォトニック集積回路は、様々な材料を用いて形成することができる。最近では、フォトニック集積回路がシリコン内に形成されてきている。そのようなシリコン系フォトニック集積回路は、フォトリソグラフィなどのような伝統的なシリコン製造技術を用いて形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本明細書で開示する概念が、非制限的な例示の方法により添付図面に示されている。簡単及び図示の明瞭性のために、図面中に示される要素は必ずしも寸法どおりに描かれていない。適切な場合には、対応する又は類似の要素を指示するために、参照符号が図面を通じて繰り返されている。
【図１】広帯域光学出力を有するフォトニック集積回路の少なくとも一つの実施形態の単純化したブロック図である。
【図２】広帯域光学出力を有するフォトニック集積回路の少なくとも他の実施形態の単純化したブロック図である。
【図３】図１及び図２のフォトニック集積回路の単純化した部分断面図であり、シリコンリブ入力光学導波管及び関連するIII−Ｖ属化合物光学源の少なくとも一つの実施形態を示す。
【図４】広帯域光学出力を生成するための方法の少なくとも一つの実施形態の単純化したフローチャートである。
【図５】図４の方法のシミュレーション結果を示す単純化したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本開示の概念は多様な修正及び変形を受けるけれども、その特定実施形態が図面中に例示的方法により示され、詳細に説明される。しかしながら、本開示の概念を開示した特定形態に制限する意図はなく、反対に、本発明は、本開示及び添付の特許請求の範囲に一致する全ての修正、均等物及び変形を含むものである。
【０００７】
本明細書における「一実施形態」、「実施形態」、「例示的実施形態」等への参照は、説明した実施形態が特定の特徴、構造又は特性を含み得るが、必ずしもすべての実施形態がその特定の特徴、構造又は特性を含む訳ではないことを意味する。さらに、そのような用語は必ずしも同じ実施形態を参照している訳ではない。さらに、ある実施形態に関して特定の特徴、構造又は特性が説明されるときには、明示的に又は明示的でなく説明するにせよ、他の実施形態に関してそのような特徴、構造又は特性を効果あらしめることは、当業者の知識範囲である。さらに、「少なくとも一つのＡ，Ｂ及びＣ」は、Ａと、Ｂと、Ｃと、Ａ及びＢと、Ａ及びＣと、Ｂ及びＣと、Ａ及びＢ及びＣとを意味することを理解されたい。同様にして、「Ａ、Ｂ及びＣのうち少なくとも一つ」という形式のリスト化アイテムは、Ａと、Ｂと、Ｃと、Ａ及びＢと、Ａ及びＣと、Ｂ及びＣと、Ａ及びＢ及びＣとを意味することを理解されたい。
【０００８】
開示した実施形態は、ある場合には、ハードウェア内で、ファームウェア内で、ソフトウェア内で、又はこれらの組合せとして、実現できる。開示した実施形態は、１つ又はそれ以上のプロセッサにより読み出され実行され得る、一時的又は非一時的な機械読み取り可能な（例えばコンピュータ読み取り可能な）記憶媒体上で記憶され或いは実行される命令として実現することもできる。機械読み取り可能な記憶媒体は、機械により読み取り可能な形式で情報を記憶或いは送信するための如何なる記憶デバイス、機構その他の物理的な構造（例えば、揮発性メモリ若しくは不揮発性メモリ、メディアディスクその他のメディアディバイス）としても実現できる。
【０００９】
図面において、いくつかの構造上又は方法上の特徴が特定の配列及び／又は順序で示されている。しかしながら、そのような特定の配列及び／又は順序が要求される訳ではないことを理解されたい。むしろ、いくつかの実施形態において、そのような特徴は、例示的図面で示されたものとは異なる方式及び／又は順序で配列され得る。さらに、特定図面内に構造上又は方法上の特徴を含むことは、そのような特徴がすべての実施形態において要求されることを意味せず、そのような特徴は、いくつかの実施形態において、含まれなかったり、他の特徴と組み合わせられたりすることがある。
【００１０】
図１を参照すると、一つの例示的実施形態において、フォトニック集積回路１００が、対応する狭帯域光学源により生成された多重の別個の複数の狭帯域光学出力を結合（又は組合せ）することにより、広帯域光学出力を生成する。図示のフォトニック集積回路１００は、シリコン系フォトニック集積回路として実現され、シリコンオンインシュレータ基板（ＳＯＩ）上又は内に形成される多数の光学集積要素を含む。フォトニック集積回路１００がシリコン系であるので、標準的な半導体製造技術（例えば、フォトリソグラフィ）を用いて、フォトニック集積回路１００の個々の光学集積要素を形成することができる。そのようにして、半導体製造技術の許容誤差によって、機械的パッケージングによらず、個々の光学集積要素の整合が決定され、フォトニック集積回路１００の全体寸法の減少が可能となる。後述するように、フォトニック集積回路１００により生成される広帯域光学出力は、800ナノメートルまでの又はそれ以上のスペクトル帯域幅を有することができる。
【００１１】
図示したフォトニック集積回路１００は、２個以上の光学源１０２と、２個以上の入力光学導波管１０４と、光学マルチプレクサ１０６と、出力光学導波管１０８とを含む。例えば、図１の例示的実施形態において、フォトニック集積回路１００は、６個の光学源１０２（１０２ａ〜１０２ｆ）及び対応する６個の入力光学導波管１０４（１０４ａ〜１０４ｆ）を含む。もちろん、フォトニック集積回路１００は、例えば、広帯域光学出力の所望のスペクトル帯域幅及びフォトニック集積回路１００の寸法制約に依存する他の実施形態において、追加的な又はより少ない光学源１０２及び対応する入力光学導波管１０４を含んでも良い。
【００１２】
励起信号に応答して対応する狭帯域光学出力を生成するように、光学源１０２の各々が設計される。ここで述べる例示的実施形態において、各光学源はIII−Ｖ属化合物利得素子として実現される。すなわち、各入力源１０２は３元及び４元化合物から形成される。例えば、例示的実施形態において、各入力源１０２は、リン化インジウム（InP）基板を含み、典型的な半導体製造技術（例えば、化学蒸着技術を用いてInP基板上に追加的なIII−Ｖ属化合物を成長することができる。）を用いて該リン化インジウム基板上に追加的なIII−Ｖ属化合物を確立することができる。後に詳述するように、各光学源１０２が、フォトニック集積回路１００のシリコンオンインシュレータ基板の（対応する入力光学導波管１０４上方の）頂部表面上に例示的に確立され、それにより励起中に各光学源の狭帯域光学出力が対応する入力光学導波管１０４へと注入される。
【００１３】
各光学源１０２の狭帯域光学出力が異なるように、各光学源１０２を製作するのに用いるIII−Ｖ属化合物の特定組合せが選択される。例えば、例示的実施形態において、各狭帯域光学出力は、異なる中心周波数を有する。追加的に、各狭帯域光学出力は同様な又は異なるスペクトル帯域幅（すなわち、３dB すなわち、）を有しても良い。ここで、光学源１０２の出力を「狭帯域」光学出力として記述するけれども、そのような名称はフォトニック集積回路１００の広帯域光学出力に対する相対的なものであることを理解すべきである。例示的実施形態において、光学源１０２（例えば、III−Ｖ属化合物利得素子）は、増大した自発発光（amplified spontaneous emission, ASE）光学出力を生成するように構成される。その増大した自発発光光学出力は、レージングモード（lasing mode）で動作する光学源に比較して広帯域なスペクトル帯域幅（低振幅であるが）を有する。例示的に、光学源１０２は、シリコンオンインシュレータ基板の頂部上のIII−Ｖ属化合物の製作に基づき増大した自発発光光学出力のために構成される。
【００１４】
いくつかの実施形態において、フォトニック集積回路１００は、各入力光学導波管１０４の入力端に結合された非反射性散乱体１２０（１２０ａ〜１２０ｆ）を含んでもよい。非反射性散乱体１２０は、各入力光学導波管１０４の入力端で受信した狭帯域光学出力を散乱し、狭帯域光学出力が光学源１０２へと反射されないことを保証する。そうでないと、光学源１０２をレージング（lase）させてしまうかも知れない。例示的実施形態において、非反射性散乱体１２０の各々が、各入力光学導波管１０４の入力端でテーパーを付けて形成されるものとして実現される。他の実施形態においては、他のメカニズムを用いて、光学源１０２がレージングしないことを保証し、あるいはレージングの可能性を低減する。例えば、いくつかの実施形態において、非反射性散乱体１２０を光学吸収素子に置換することができる。さらに他の実施形態において、非反射性散乱体１２０を省略できる。
【００１５】
上述したように、各光学源１０２は、対応する入力光学導波管１０４の上に形成され、対応する入力光学導波管１０４へ狭帯域光学出力を出射する。各入力光学導波管１０４は、受信した狭帯域光学出力を光学マルチプレクサ１０６へと転送（route）する。光学マルチプレクサ１０６において、狭帯域光学出力が他の狭帯域光学出力と結合され又は組み合わされて（combine）、広帯域光学出力を生成する。入力光学導波管１０４は、光学信号又は光学出力を転送し或いは方向付けることが可能な如何なるタイプの光学導波管であっても良い。例示的実施形態において、入力光学導波管１０４は、シリコンリブ導波管として実現される。シリコンリブ導波管は、所望の導波管の片側でトレンチをエッチング（埋め込み酸化にエッチング）し、基板上にシリコン導波管を付着し或いは建造することによって形成することができ、或いは他の製造技術により形成することもできる。シリコンの光学特性のために、光学信号又は光学出力が低損失でシリコンを通って（ファイバー光学ワイヤと同様に）伝搬される。
【００１６】
光学マルチプレクサ１０６は、各入力光学導波管１０４から転送された狭帯域光学出力を受信し、各狭帯域光学出力（又は各狭帯域光学出力の一部）を組み合わせて、出力光学導波管１０８において広帯域光学出力を生成する。例示的実施形態において、光学マルチプレクサ１０６は、各狭帯域光学出力の一部を出力光学導波管１０８へと反射するように構成されたエシェル格子鏡体（echelle grating mirror）として実現される。エシェル格子鏡体は、エシェル格子鏡体をシリコンオンインシュレータ基板へとエッチング（例えば、埋め込み酸化にエッチング）し、基板上にエシェル格子鏡体を付着或いは建造することにより形成することができ、或いは他の製造技術により形成することもできる。エシェル格子鏡体は、鏡体と同様に機能し、シリコン基板の特性に従って光学ビームを反射する。
【００１７】
光学マルチプレクサ１０６によって反射された狭帯域光学出力の一部は、出力光学導波管１０８によって受信される。狭帯域光学出力の各々が出力光学導波管１０８へと反射されるので、個々の狭帯域光学出力が組み合わされてフォトニック集積回路１００の広帯域光学出力を形成する。出力光学導波管１０８は、広帯域光学出力をフォトニック集積回路１００の出力へと転送する。例えば、光学カップラー１１０を出力光学導波管１０８に結合することができ、それによりファイバー光学ケーブルをフォトニック集積回路１００に結合することができる。ある実施形態において、光学カップラー１１０がフォトニック集積回路１００の一部を形成しても良い。
【００１８】
入力光学導波管１０４と同様に、出力光学導波管１０８は、例示的実施形態において、シリコンリブ導波管として実現される。出力光学導波管１０８は、入力光学導波管１０４を形成するのに用いた技術と同様な製造技術を用いて形成することができる。すなわち、所望の導波管の片側でトレンチをエッチングし、基板上にシリコン導波管を付着し或いは建造することによって形成することができ、或いは他の製造技術により形成することもできる。再び、シリコンの光学特性のために、広帯域光学出力が低損失でフォトニック集積回路１００の出力へと転送される。
【００１９】
図２を参照すると、特定の実施形態、フォトニック集積回路１００はシリコンオンインシュレータ（SOI）基板２００を含み、基板２００は頂部表面を有し、頂部表面上に６個の光学源１０２（１０２ａ〜１０２ｆ）が形成される。図２の例示的実施形態において、光学源１０２の各々が、励起信号に応答して増大した自発発光（ASE）光学出力を生成するように構成されたIII−Ｖ属化合物利得素子として実現される。図２のフォトニック集積回路１００は、SOI基板２００のシリコン層中にエッチングされた６個の光学導波管１０４（１０４ａ〜１０４ｆ）を含み、各光学源１０２が、対応する入力光学導波管１０４の一部上に確立される。例えば、図３に示されるように、入力光学導波管１０４（出力光学導波管１０８と同様に）の各々が、インシュレータ３１２上に形成されたSOI基板２００のシリコン層３１０中にトレンチ３００、３０２をエッチングすることにより形成することができる。トレンチ３００、３０２は、図３に示されるようにシリコン層３１０全体に亘って完全にエッチングすることができ、或いは他の実施形態においてシリコン層３１０を部分的にのみ通してエッチングすることもできる。対応するIII−Ｖ属化合物利得素子光学源１０２が、入力光学導波管１０４の一部の上に確立され、光学出力（すなわち、ASE光学出力）を関連する入力光学導波管１０４中に出射する。
【００２０】
インシュレータ３１２上に形成したシリコン層３１０を有するシリコンオンインシュレータ（SOI）基板として基板２００を説明してきたけれども、基板２００は他の実施形態において他の材料から形成することも可能である。例えば、基板２００の層３１０は、他の実施形態において、シリコン化合物から、又はシリコン以外の材料から形成することができる。
【００２１】
図２を参照すると、各入力光学導波管１０４は、関連する光学源１０２の一方の側に位置する入力端２１０（２１０ａ〜２１０ｆ）と、関連する光学源１０２の他方の側に位置する出力端２１２（２１２ａ〜２１２ｆ）とを含む。非反射性散乱体１２０（１２０ａ〜１２０ｆ）が各入力光学導波管１０４の各入力端２１０において形成される。上述したように、非反射性散乱体１２０の各々が、対応する入力光学導波管１０４のテーパー付けされた端部として例示的に実現され、入力端２１０で受信したASE光学出力を散乱するように構成される。同様にして、各出力端２１２が、テーパー付けしたものとして実現され、SOI基板内に形成されることにより、各出力端２１２が光学マルチプレクサ１０６に向かって狙いを付けられ或いは方向付けられる。
【００２２】
図２のフォトニック集積回路１００の光学マルチプレクサ１０６は、SOI基板２００のシリコン層３１０中へエッチングされたエシェル格子鏡体として実現される。図２に示されるように、例示的なエシェル格子鏡体１０６は、全体的にカーブした形状を有し、複数の歯２２２を有する前方内壁２２０を含む。複数の歯２２の各々は、出力光学導波管１０８に向かって角度づけられて、入力光学導波管１０４から受信したASE光学出力の少なくとも一部を反射する。例示的に、全（内部）反射（total internal reflection）をなすようにエシェル格子鏡体１０６が設計されるが、他の実施形態においてはそうでなくとも良い。変形的には、エシェル格子鏡体１０６の反射特性は内壁２２０における境界面によって決定される。内壁２２０は、金属被覆などの反射性材料で被覆されても良い。図２に示されるように、例示的なエシェル格子鏡体１０６が、全体的に円２３０の弧長に沿って形成される。円２３０は、各出力光学導波管の出力端２１２を規定する（Rowland circleとして知られる）円２３２の半径よりも大きな半径を有する。いくつかの実施形態において、円２３０の半径は、円２３２の半径の２倍である。もちろん、他の実施形態において、光学マルチプレクサ１０６は他の構成及び構造を有することができる。
【００２３】
上述したように、エシェル格子鏡体１０６は、各入力光学導波管１０４のASE光学出力の少なくとも一部を出力光学導波管１０８へと反射し、広帯域光学出力を生成する。反射されたASE光学出力を増大或いは最大化するために、入力光学導波管１０４の出力端２１２をエシェル格子鏡体１０６に対して基板２００内に位置づけ、それにより各入力光学導波管１０４の円２３２の法線直径２４２に対する入射角２４０（２４０ａ〜２４０ｆ）が、エシェル格子鏡体１０６の全反射の角度よりも大きくなる。円２３２で全体を示された空間がシリコンの無い自由空間領域を形成することを理解されたい。その自由空間領域内で、各入力光学導波管１０４のASE光学出力は（各入力光学導波管１０４内部とは異なり）横方向に拘束されない。
【００２４】
上述したように、各出力光学導波管１０８は、エシェル格子鏡体１０６により反射されたASE光学出力の一部を受信するように構成されている。図２に示されるように、例示的な出力光学導波管１０８は、（入力光学導波管１０４の出力端２１２と同様に）円２３２上に位置づけられた入力端２５０と、出力端２５２とを有する。出力光学導波管１０８の入力端２５０は、エシェル格子鏡体１０６に向かう方向にテーパー付けされたものとして実現され、反射されたASE光学出力を受信する。ASE光学出力がエシェル格子鏡体１０６により組み合わされ、広帯域光学出力を形成する。出力光学導波管１０８は、広帯域光学出力を出力端２５２へと転送する。広帯域光学出力の使用を容易にするために、出力端２１２は、光学カップラー又は他のデバイス若しくは相互接続部に結合することができる。
【００２５】
再び、図２のフォトニック集積回路１００は代表的な半導体製造技術を用いて製作することができることを理解すべきである。そのように、フォトニック集積回路１００は、比較的小面積を有するSOI基板２００上に確立することができる。例えば、図２の特定実施形態において、SOI基板２００が約２センチメートル未満の幅２６０及び長さ２６２を有するように、フォトニック集積回路１００を製作する。フォトニック集積回路１００のそのような寸法は、広範な応用範囲における、特に寸法に制限のある応用範囲における使用を容易にする。
【００２６】
図４を参照すると、一実施形態において、フォトニック集積回路１００が、広帯域光学出力を生成するための方法４００を実行可能である。方法４００は、ブロック４０２で開始し、そこでは各狭帯域光学源１０２が狭帯域光学出力を生成する。上述したように、いくつかの実施形態において、狭帯域光学源１０２は、ASE光学出力を生成するように、製作され或いは構成されることができる。ブロック４０４において、各狭帯域光学出力が、対応する入力光学導波管１０４により受信される。入力光学導波管１０４は、受信した狭帯域光学出力をフォトニック集積回路１００内部で転送する。ブロック４０６において、各入力光学導波管１０４は、その狭帯域光学出力を光学マルチプレクサ１０６へと方向付ける。マルチプレクサ１０６は、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を出力光学導波管１０８へと反射し、広帯域光学出力を生成する。出力光学導波管１０８は広帯域光学出力を収集し、広帯域光学出力をフォトニック集積回路の出力へと転送する。このようにして、広帯域光学出力がシリコン系フォトニック集積回路１００から生成され得る。
【００２７】
図５を参照すると、グラフ５００が、図１及び図２のフォトニック集積回路１００の例示的実施形態により生成されるシミュレーション結果を図示する。図５の例示的実施形態において、フォトニック集積回路１００は、異なる中心周波数を有する狭帯域光学出力を生成するように構成された６個の光学源１０２を含む。特に、光学源１０２は、約1500ナノメートルの中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅（すなわち、３ｄＢのスペクトル帯域幅）を有する第１の光学出力５０２と、約1540ナノメートルの中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する第２の光学出力５０４と、約1580ナノメートルの中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する第３の光学出力５０６と、約1620ナノメートルの中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する第４の光学出力５０８と、約1660ナノメートルの中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する第５の光学出力５１０と、約1700ナノメートルの中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する第６の光学出力５１２とを生成するように構成されている。グラフ５００にも示されるように、結果としてのフォトニック集積回路１００の広帯域光学出力５２０は、約1500ナノメートルから約1700ナノメートルまでの範囲の約200ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する。追加的に、図示するように、シミュレートされた広帯域光学出力５２０は、光学損失３ｄＢ未満を伴う、０．２ｄＢ未満のリップルを有する。
【００２８】
もちろん、図５のシミュレーション結果は、図５に関して説明した詳細に従って、フォトニック集積回路１００の例示的な設計及び構成に基づいて生成されたものである。さらに、ここで説明した技術及び技法は、用いるIII−Ｖ属化合物材料に依存して800ナノメートルスペクトル帯域幅までの広帯域光学出力を生成可能なフォトニック集積回路１００を建造するのにも用いることができる。すなわち、図１及び図２のフォトニック集積回路の広帯域光学出力は、一般的に、シリコンオンインシュレータ入力光学導波管に結合できる狭帯域利得素子によってのみ制限される。そのように、狭帯域利得素子が改良し、1250ナノメートルから2000ナノメートル以上までの狭帯域光学出力を生成する狭帯域利得素子を、800ナノメートル以上のスペクトル帯域幅を有する広帯域光学出力を生成するフォトニック集積回路１００内で用いることができる。
実施例
ここで開示した技術の例示的な実施例を以下に説明する。当技術の実施形態は、以下で説明する１つ又は複数の実施例およびそれらの如何なる組合せをも含む。
【００２９】
実施例１は、広帯域光学出力を生成するフォトニック集積回路を含む。該フォトニック集積回路は、シリコン基板と、各々が励起信号に応答して狭帯域光学出力を生成する、複数の狭帯域光学源と、各々が前記シリコン基板内に形成され、対応する狭帯域光学源からの狭帯域光学出力を受信する、複数の入力光学導波管と、前記シリコン基板内に形成された光学マルチプレクサと、前記シリコン基板内に形成された出力光学導波管とを含み、(i) 前記複数の入力光学導波管の各々が、対応する狭帯域光学源から受信した狭帯域光学出力を前記光学マルチプレクサへと方向付け、(ii) 前記光学マルチプレクサが、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を前記出力光学導波管へと方向付けて、広帯域光学出力を生成する。
【００３０】
実施例２は、実施例１の主題を含み、前記シリコン基板がシリコンオンインシュレータ基板である。
【００３１】
実施例３は、実施例１及び２の何れかの主題を含み、前記複数の狭帯域光学源が、前記シリコン基板の頂部表面上に形成された複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子を含む。
【００３２】
実施例４は、実施例１〜３の何れかの主題を含み、前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子の各々が、燐化インジウム基板を有する。
【００３３】
実施例５は、実施例１〜４の何れかの主題を含み、前記複数の狭帯域光学源の各々が、励起信号に応答して増大した自発発光を生成する。
【００３４】
実施例６は、実施例１〜５の何れかの主題を含み、各狭帯域光学出力が異なる中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する。
【００３５】
実施例７は、実施例１〜６の何れかの主題を含み、複数の狭帯域光学源は、励起信号に応答して約1500ナノメートルの中心周波数を有する第１の狭帯域光学出力を生成する第１の狭帯域光学源と、励起信号に応答して約1540ナノメートルの中心周波数を有する第２の狭帯域光学出力を生成する第２の狭帯域光学源と、励起信号に応答して約1580ナノメートルの中心周波数を有する第３の狭帯域光学出力を生成する第３の狭帯域光学源と、励起信号に応答して約1620ナノメートルの中心周波数を有する第４の狭帯域光学出力を生成する第４の狭帯域光学源と、励起信号に応答して約1660ナノメートルの中心周波数を有する第５の狭帯域光学出力を生成する第５の狭帯域光学源と、励起信号に応答して約1700ナノメートルの中心周波数を有する第６の狭帯域光学出力を生成する第６の狭帯域光学源とを有する。
【００３６】
実施例８は、実施例１〜７の何れかの主題を含み、各入力光学導波管がシリコンオンインシュレータリブ入力光学導波管である。
【００３７】
実施例９は、実施例１〜８の何れかの主題を含み、各入力光学導波管が前記光学マルチプレクサへと方向付けられた出力端を含み、各入力光学導波管の前記出力端がテーパーを有する。
【００３８】
実施例１０は、実施例１〜８の何れかの主題を含み、各入力光学導波管が、前記出力端とは反対側の対応する狭帯域光学源側に位置された入力端を含み、当該フォトニック集積回路がさらに、各入力光学導波管の前記入力端に位置された非反射性散乱体を含む。
【００３９】
実施例１１は、実施例１〜１０の何れかの主題を含み、前記光学マルチプレクサが、前記シリコン基板内に形成されたエシェル格子鏡体を含む。
【００４０】
実施例１２は、実施例１〜１１の何れかの主題を含み、前記エシェル格子鏡体が、当該エシェル格子鏡体の内壁に適用された反射性被覆を含む。
【００４１】
実施例１３は、実施例１〜１２の何れかの主題を含み、各入力光学導波管が前記エシェル格子鏡体へと方向付けられた出力端を含み、前記エシェル格子鏡体への各入力光学導波管の入射角が前記エシェル格子鏡体の全反射のための角度よりも大きくなるように各入力光学導波管の出力端が前記エシェル格子鏡体に関して位置づけられている。
【００４２】
実施例１４は、実施例１〜１３の何れかの主題を含み、前記出力光学導波管が、前記複数の入力光学導波管の各狭帯域光学出力を受信する、テーパーを有する入力端を含む。
【００４３】
実施例１５は、実施例１〜１４の何れかの主題を含み、さらに、各狭帯域光学源に電気的に結合され、前記励起信号を生成する駆動回路を含む。
【００４４】
実施例１６は、実施例１〜１５の何れかの主題を含み、前記広帯域光学出力が少なくとも200ナノメートルのスペクトル帯域幅を含む。
【００４５】
実施例１７は、実施例１〜１６の何れかの主題を含み、前記広帯域光学出力は、200ナノメートルと800ナノメートルとの間のスペクトル帯域幅を有する。
【００４６】
実施例１８は、実施例１〜１７の何れかの主題を含み、前記広帯域光学出力は、約1500ナノメートルから約1700ナノメートルまでの範囲の中心周波数を有する。
【００４７】
実施例１９は、実施例１〜１８の何れかの主題を含み、前記シリコン基板が２センチメートル未満の大寸法を有する。
【００４８】
実施例２０は、広帯域光学出力を生成するシリコン系フォトニック集積回路を含み、該フォトニック集積回路は、シリコンオンインシュレータ基板と、前記シリコンオンインシュレータ基板内に形成されたエシェル格子鏡体と、前記シリコンオンインシュレータ基板の頂部表面上に形成され、各々が励起信号に応答して増大した自発発光を生成する、複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、前記シリコンオンインシュレータ基板内に形成された複数の入力光学導波管であり、(i) 各入力光学導波管の一部が、前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子のうち対応する利得素子の下に形成され、該対応する利得素子により生成された増大した自発発光光学出力を受信し、複数の入力光学導波管の各々が、対応する狭帯域光学源から受信した狭帯域光学出力を前記光学マルチプレクサへと方向付け、(ii) 各入力光学導波管が、前記エシェル格子鏡体へと方向付けられ、増大した自発発光光学出力を前記エシェル格子鏡体へと方向付けるテーパー付き出力端と、前記シリコン基板内に形成された出力光学導波管とを含み、前記出力光学導波管が、前記エシェル格子鏡体により反射された各増大した自発発光光学出力の少なくとも一部を受信するようにテーパー付けされた入力端を含み、前記広帯域光学出力を生成する。
【００４９】
実施例２１は、実施例２０の主題を含み、前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子の各々が、燐化インジウム基板を有する。
【００５０】
実施例２２は、実施例２０及び２１の何れかの主題を含み、各増大した自発発光光学出力は、異なる中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する。
【００５１】
実施例２３は、実施例２０〜２２の何れかの主題を含み、前記複数のIII−Ｖ属化合物光学利得素子が、励起信号に応答して約1500ナノメートルの中心周波数を有する第１の増大した自発発光光学出力を生成する第１のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、励起信号に応答して約1540ナノメートルの中心周波数を有する第２の増大した自発発光光学出力を生成する第２のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、励起信号に応答して約1580ナノメートルの中心周波数を有する第３の増大した自発発光光学出力を生成する第３のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、励起信号に応答して約1620ナノメートルの中心周波数を有する第４の増大した自発発光光学出力を生成する第４のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、励起信号に応答して約1660ナノメートルの中心周波数を有する第５の増大した自発発光光学出力を生成する第５のIII−Ｖ属化合物光学利得素子と、励起信号に応答して約1700ナノメートルの中心周波数を有する第６の増大した自発発光光学出力を生成する第６のIII−Ｖ属化合物光学利得素子とを有する。
【００５２】
実施例２４は、実施例２０〜２３の何れかの主題を含み、各入力光学導波管がシリコンオンインシュレータリブ入力光学導波管である。
【００５３】
実施例２５は、実施例２０〜２４の何れかの主題を含み、各入力光学導波管が、前記テーパー付き出力端に関して、対応するIII−Ｖ属化合物光学利得素子の反対側に位置された入力端を有し、当該シリコン系フォトニック集積回路がさらに、各入力光学導波管の前記入力端に位置された非反射性散乱体を含む。
【００５４】
実施例２６は、実施例２０〜２５の何れかの主題を含み、前記エシェル格子鏡体が、当該エシェル格子鏡体の内壁に適用された反射性被覆を含む。
【００５５】
実施例２７は、実施例２０〜２６の何れかの主題を含み、各入力光学導波管の前記出力端が、前記エシェル格子鏡体への各入力光学導波管の入射角が前記エシェル格子鏡体の全反射のための角度よりも大きくなるように、前記エシェル格子鏡体に関して位置づけられている。
【００５６】
実施例２８は、実施例２０〜２７の何れかの主題を含み、さらに、各III−Ｖ属化合物光学利得素子に電気的に結合され、励起信号を生成する駆動回路を含む。
【００５７】
実施例２９は、実施例２０〜２８の何れかの主題を含み、前記広帯域光学出力が少なくとも200ナノメートルのスペクトル帯域幅を含む。
【００５８】
実施例３０は、実施例２０〜２９の何れかの主題を含み、前記広帯域光学出力は、200ナノメートルと800ナノメートルとの間のスペクトル帯域幅を有する。
【００５９】
実施例３１は、実施例２０〜３０の何れかの主題を含み、前記広帯域光学出力は、約1500ナノメートルから約1700ナノメートルまでの範囲の中心周波数を有する。
【００６０】
実施例３２は、実施例２０〜３１の何れかの主題を含み、前記シリコンオンインシュレータ基板が２センチメートル未満の大寸法を有する。
【００６１】
実施例３３は、フォトニック集積回路から広帯域光学出力を生成するための方法を含み、該方法は、当該フォトニックの複数の狭帯域光学源の各々から狭帯域光学出力を生成する工程と、前記複数の狭帯域光学源の各々により生成された前記狭帯域光学出力を、当該フォトニック集積回路の対応する入力光学導波管を経由させる工程と、各入力光学導波管により経由された前記狭帯域光学出力を当該フォトニック集積回路の光学マルチプレクサへと方向付ける工程と、前記光学マルチプレクサによって、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を当該フォトニック集積回路の出力光学導波管へと反射する工程と、前記出力光学導波管によって、前記光学マルチプレクサにより反射された各狭帯域光学出力の前記一部を収集して、前記広帯域光学出力を生成する工程とを含む。
【００６２】
実施例３４は、実施例３３の主題を含み、前記の狭帯域光学出力を生成する工程が、III−Ｖ属化合物光学利得素子の各々から増大した自発発光光学出力を生成する工程を含む。
【００６３】
実施例３５は、実施例３３及び３４の何れかの主題を含み、狭帯域光学出力を生成する工程が複数の狭帯域光学出力を生成する工程を含み、各狭帯域光学出力が異なる中心周波数及び約60ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する。
【００６４】
実施例３６は、実施例３３〜３５の何れかの主題を含み、狭帯域光学出力を生成する工程が、各狭帯域光学源により受信される励起信号に応答する。
【００６５】
実施例３７は、実施例３３〜３６の何れかの主題を含み、狭帯域光学出力を転送する工程が、当該フォトニック集積回路の対応するシリコンオンインシュレータリブ入力光学導波管を通して、複数の狭帯域光学源の各々により生成される狭帯域光学出力を転送する工程を含む。
【００６６】
実施例３８は、実施例３３〜３７の何れかの主題を含み、前記の各狭帯域光学出力の少なくとも一部を反射する工程が、エシェル格子鏡体によって、各狭帯域光学出力の少なくとも一部を反射する工程を含む。
【００６７】
実施例３９は、実施例３３〜３８の何れかの主題を含み、各狭帯域光学出力の一部を収集する工程が、光学マルチプレクサにより反射された各狭帯域光学出力の一部を収集して約200ナノメートルのスペクトル帯域幅を有する広帯域光学出力を生成する工程を含む。
【００６８】
実施例４０は、実施例３３〜３９の何れかの主題を含み、各狭帯域光学出力の一部を収集する工程が、光学マルチプレクサにより反射された各狭帯域光学出力の一部を収集して200ナノメートルと800ナノメートルとの間のスペクトル帯域幅を有する広帯域光学出力を生成する工程を含む。
【００６９】
実施例４１は、実施例３３〜４０の何れかの主題を含み、各狭帯域光学出力の一部を収集する工程が、光学マルチプレクサにより反射された各狭帯域光学出力の一部を収集して1500ナノメートルから1700ナノメートルまでの範囲のスペクトル帯域幅を有する広帯域光学出力を生成する工程を含む。
【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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【国際調査報告】
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