特開 2021-196610 フォトニック集積回路と光プリント基板との整列のためのシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-196610(P2021-196610A)

(43)【公開日】2021年12月27日

(54)【発明の名称】フォトニック集積回路と光プリント基板との整列のためのシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20211129BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20211129BHJP

   G02B 6/34 20060101ALI20211129BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20211129BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20211129BHJP

   G02F 1/29 20060101ALN20211129BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12 361

   G02B6/124

   G02B6/12 301

   G02B6/12 371

   G02B6/34

   G02B6/42

   G02B6/32

   G02F1/29

【審査請求】未請求

【請求項の数】19

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2021-97736(P2021-97736)

(22)【出願日】2021年6月11日

(31)【優先権主張番号】63/038,004

(32)【優先日】2020年6月11日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】17/331,534

(32)【優先日】2021年5月26日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】390005049

【氏名又は名称】ヒロセ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(74)【代理人】

【識別番号】100167911

【弁理士】

【氏名又は名称】豊島 匠二

(72)【発明者】

【氏名】キホン キム

(72)【発明者】

【氏名】ジェレミー ブアン

(72)【発明者】

【氏名】松尾 勉

(72)【発明者】

【氏名】大志田 直

【テーマコード（参考）】

2H137

2H147

2K102

【Ｆターム（参考）】

2H137AB01

2H137BA34

2H137BB14

2H137BC03

2H137BC16

2H137BC51

2H137CB01

2H137CB06

2H137CB32

2H147AB05

2H147AB15

2H147AB31

2H147AC01

2H147AC09

2H147AC12

2H147AC17

2H147BA02

2H147BC05

2H147BG04

2H147CA08

2H147CA13

2H147CA18

2H147EA13D

2K102AA17

2K102BA07

2K102BB04

2K102BC04

2K102CA00

2K102DA03

2K102DA04

2K102DC05

2K102DD03

2K102EA02

2K102EA16

2K102EA19

2K102EB10

2K102EB22

(57)【要約】      （修正有）

【課題】フォトニック集積回路（ＰＩＣ）と光プリント基板（ＰＯＢ）への接合部とを正しく整列させることができるフォトニック集積回路と光プリント基板との整列のためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】光導波路を介してＰＯＢ２００に接続されたコネクタ２０１とＰＩＣ２０１との間で光をリダイレクトするように構成された接合部２０３であって、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を有する２次元分散波長板（ＴＤＷ）を含み、これらのＴＤＷが、受光した光がＴＤＷ上の２次元場所でリダイレクトされるように２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光導波路を介して光プリント基板（ＰＯＢ）に接続されたコネクタとフォトニック集積回路（ＰＩＣ）パッケージとの間で光をリダイレクトするように構成されたシステムであって、前記システムが、
１又は２以上の２次元分散波長板（ＴＤＷ）を備え、前記１又は２以上のＴＤＷの各々が、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を含み、前記１又は２以上のＴＤＷで受光された光が前記１又は２以上のＴＤＷ上の２次元場所において垂直格子結合器に向かってリダイレクトされるように、前記２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成されている、ことを特徴とするシステム。

【請求項2】

前記１又は２以上のＴＤＷは、電圧変化によって駆動されるように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記１又は２以上のＴＤＷは、超音波信号によって駆動されるように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記１又は２以上のＴＤＷは、電気光学表面プラズモンポラリトンによって駆動されるように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記１又は２以上のＴＤＷは、前記コネクタ内に配置されて前記単一モード導波路に接続され、
前記１又は２以上のＴＤＷは、前記単一モード導波路から受光する光が前記２次元場所において前記垂直格子結合器に向かって実質的に直交方向にリダイレクトされるように前記２次元場所における前記誘電率を変化させるよう駆動されるように構成され、
前記ＶＧＣは、前記ＰＩＣパッケージ内に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記コネクタ上に配置された１又は２以上のフォトダイオードセンサを更に備え、前記１又は２以上のフォトダイオードセンサが、前記１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた前記光のうちで前記ＰＩＣパッケージで反射された光を受光するように構成される、ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

１又は２以上のフォトダイオードセンサを備え、前記ＰＩＣパッケージによって受光される光を測定するように構成された導波路タップモニタを更に備える、ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。

【請求項8】

前記１又は２以上のＴＤＷは、前記ＰＩＣパッケージ内に配置され、
前記１又は２以上のＴＤＷは、前記ＰＩＣパッケージから受光した光が、前記２次元場所において前記垂直格子結合器に向かって実質的に直交方向にリダイレクトされるように、前記２次元場所における前記誘電率を変化させるよう駆動されるように構成され、
前記垂直格子結合器は、前記コネクタ内に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記ＰＩＣパッケージ上に配置され、前記１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた前記光のうちで前記コネクタで反射された光を受光するように位置決めされた１又は２以上のフォトダイオードセンサを更に備える、ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

１又は２以上のフォトダイオードセンサを備え、前記コネクタが受光する光を測定するように構成された導波路タップモニタを更に備える、ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。

【請求項11】

前記ＰＩＣパッケージと前記コネクタとの間に挟まれ、前記１又は２以上のＴＤＷからリダイレクトされた前記光を前記垂直格子結合器に向かって集束するように構成されたレンズを更に備え、
前記１又は２以上のＴＤＷは、前記１又は２以上のＴＤＷにおいて受光された前記光が前記２次元場所において傾斜ガウスビームとして前記レンズに向かってリダイレクトされるように前記２次元場所における前記誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記１又は２以上のＴＤＷは、前記コネクタ内に配置されて前記単一モード導波路に接続され、
前記１又は２以上のＴＤＷは、前記単一モード導波路から受光した前記光が前記２次元場所において前記傾斜ガウスビームとして前記レンズに向かってリダイレクトされ、それによって前記レンズが、前記傾斜ガウスビームを前記単一モード導波路から受光した前記光から実質的に直交方向になるように前記垂直格子結合器に向かってリダイレクトするように前記２次元場所における前記誘電率を変化させるよう駆動されるように構成され、
前記垂直格子結合器は、前記ＰＩＣパッケージ内に配置される、
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記コネクタ上に配置され、前記１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた前記光のうちで前記ＰＩＣパッケージで反射された光を受光するように構成された１又は２以上のフォトダイオードセンサを備える、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

１又は２以上のフォトダイオードセンサを備え、前記ＰＩＣパッケージによって受光される光を測定するように構成された導波路タップモニタを備える、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。

【請求項15】

前記１又は２以上のＴＤＷは前記ＰＩＣパッケージ上に配置され、
前記１又は２以上のＴＤＷは、前記ＰＩＣパッケージから受光した前記光が前記２次元場所において前記傾斜ガウスビームとして前記レンズに向かってリダイレクトされ、それによって前記レンズが、前記傾斜ガウスビームを前記ＰＩＣパッケージから受光した前記光から実質的に直交方向になるように前記垂直格子結合器に向かってリダイレクトするように前記２次元場所における前記誘電率を変化させるよう駆動されるように構成され、
前記垂直格子結合器は、前記コネクタ内に配置される、
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【請求項16】

前記ＰＩＣパッケージ上に配置され、前記１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた前記光のうちで前記コネクタから反射された光を受光するように位置決めされた１又は２以上のフォトダイオードセンサを更に備える、ことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

１又は２以上のフォトダイオードセンサを備え、前記コネクタが受光する光を測定するように構成された導波路タップモニタを更に備える、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。

【請求項18】

ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層が、可能な２次元場所を示す碁盤格子構成で配列される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項19】

光導波路を介して光プリント基板（ＰＯＢ）に接続されるように構成されたコネクタと、
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）パッケージと、
前記コネクタと前記ＰＩＣパッケージとの間で光をリダイレクトするように構成された１又は２以上の２次元分散波長板（ＴＤＷ）であって、前記１又は２以上のＴＤＷの各々が、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を含み、前記１又は２以上のＴＤＷで受光された光が、前記１又は２以上のＴＤＷ上の２次元場所において垂直格子結合器に向かってリダイレクトされるように、前記２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成された１又は２以上のＴＤＷと、
を備える、ことを特徴とするシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願に対する相互参照）
本特許出願は、２０２０年６月１１日に出願された米国仮特許出願第６３／０３８，００４号に基づいており、その優先権の利益を主張し、当該仮特許出願の開示内容は、その全部が全ての目的で引用によって本明細書に組み込まれている。

【0002】

本開示は、一般的に、フォトニック（光）集積回路（ＰＩＣ）を有する電子システムに関し、より具体的には、ＰＩＣと光プリント基板とを整列させるためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

最近では、光を電気信号に、及びその逆に変換することを可能にする組み込み型（embedded）光導波路を有する電気プリント回路基板の開発が続いている。かかるシステムは光プリント回路基板として公知であり、本明細書では光プリント基板（printed optical board）（ＰＯＢ）と呼ぶ。

【0004】

以下で「ＰＩＣシステム」と呼ぶ、ＰＯＢ上にＰＩＣを有するシステムでは、ＰＩＣシステムの銅トレースがゼロに向かって崩壊するにつれて、システムオンチップ（ＳｏＣ）の直近に光コネクタが密集することになる。残念ながら、この密集バス環境に対する光入力／出力（Ｉ／Ｏ）規格は存在しない。オフチップ光バスとしても公知である、ＰＩＣの入力及び出力（電気システムのＩ／Ｏバッファ及びボンディングパッドにあたる）は、何らかの候補解、業界の一致した意見、又は規格化の動きがない。かかる解決策の欠如は、ＰＩＣ構成要素に携わるコネクタ製造業者が直面する当面の課題である。

【0005】

光プリント基板（ＰＯＢ）の設計では、回路基板の中に組み込み型導波路を含めるという最近の開発がある。図１は、例示的ＰＯＢシステムを示している。具体的には、図１は、プリント回路基板（ＰＣＢ）材料内に埋め込まれた光導波路コア層と、プロセスとを例示している。矢印は、光モジュールからＳｏＣへの光経路の方向を示している。光学層と電気層とは製造時に整列されることから、組み立て業者が、追加の整列を施す必要はない。しかしながら、材料系は新しい積層プロセスを必要とし、それによってコストが上昇し、製品の不明なフィールド信頼性が生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国仮特許出願第６３／０３８，００４号広報

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の態様は、コネクタからの光をリダイレクトし、単一モード導波路の光を光プリント基板からフォトニック集積回路（ＰＩＣ）へと推進するように構成された接合部であって、例としてｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層で構成することができる２次元分散波長板（ＴＤＷ）を有する接合部を含むシステムを含む。一般的に、ＴＤＷは、ＰＩＣの内部機能ＩＰから導波路を通して受光した光が２次元場所でリダイレクトされるように全ての２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される。

【0008】

本開示の態様は、光導波路を介して光プリント基板（ＰＯＢ）に接続されたコネクタとフォトニック集積回路（ＰＩＣ）パッケージとの間で光をリダイレクトするように構成されたシステムであって、１又は２以上の２次元分散波長板（ＴＤＷ）を含むことができ、１又は２以上のＴＤＷの各々が、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を有し、１又は２以上のＴＤＷにおいて受光された光が１又は２以上のＴＤＷ上にある２次元場所において垂直格子結合器に向かってリダイレクトされるように、１又は２以上のＴＤＷが、これらの２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成されるシステムを含む。

【0009】

本発明の態様は、光導波路を介して光プリント基板（ＰＯＢ）に接続されるように構成されたコネクタと、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）パッケージと、ＰＯＢとＰＩＣパッケージとの間で光をリダイレクトするように構成された１又は２以上の２次元分散波長板（ＴＤＷ）であって、１又は２以上のＴＤＷの各々が、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を有し、１又は２以上のＴＤＷにおいて受光された光が１又は２以上のＴＤＷ上にある２次元場所において垂直格子結合器に向かってリダイレクトされるように、１又は２以上のＴＤＷが、これらの２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成されるシステムを含む。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】例示的光プリント基板（ＰＯＢ）システムを示す図である。

【図2】ある例示的実装によるＰＯＢとＰＩＣとを含む例示的システムを示す図である。

【図3(a)】ある例示的実装による、複数の層を有するＴＤＷを含むＰＩＣ接合部の例示的構成を示す図である。

【図3(b)】ある例示的実装による、複数の層を有するＴＤＷを含むＰＩＣ接合部の例示的構成を示す図である。

【図4(a)】ある例示的実装による、ＴＤＷを含むＰＩＣ接合部の例示的構造を示す図である。

【図4(b)】ある例示的実装による、ＴＤＷを含むＰＩＣ接合部の例示的構造を示す図である。

【図5】ある例示的実装による、レンズを有するＴＤＷのＭＩＭＯ型実装に関する例示的実装を示す図である。

【図6(a)】所望の実装による、ＰＩＣ接合部とＰＩＣとの間の整列を決定するための例示的構成を示す図である。

【図6(b)】所望の実装による、ＰＩＣ接合部とＰＩＣとの間の整列を決定するための例示的構成を示す図である。

【図7(a)】ある例示的実装による、ＰＩＣ上にＰＩＣパッケージの一部として組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図7(b)】ある例示的実装による、ＰＩＣ上にＰＩＣパッケージの一部として組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図7(c)】ある例示的実装による、ＰＩＣ上にＰＩＣパッケージの一部として組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図8(a)】ある例示的実装による、ＰＩＣパッケージの一部として組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図8(b)】ある例示的実装による、ＰＩＣパッケージの一部として組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図8(c)】ある例示的実装による、ＰＩＣパッケージの一部として組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図9(a)】ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である（光線を示す線を遠端まで完成されたい）。

【図9(b)】ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である（光線を示す線を遠端まで完成されたい）。

【図9(c)】ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である（光線を示す線を遠端まで完成されたい）。

【図10(a)】ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図10(b)】ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【図10(c)】ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に続く詳細説明は、本出願の図及び例示的実装の更なる詳細を提示する。これらの図の間で重複する要素の参照番号及び説明を明瞭化の目的で省略する。本明細書の全体を通して用いる用語は、例として提示するものであり、限定的であることを意図したものではない。本明細書で説明する例示的実装は、単独で、或いは本明細書で説明する他の例示的実装又はいずれか他の所望の実装との組み合わせで用いることができる。

【0012】

一般的に、本明細書で説明する例示的実装は、本明細書で光プリント基板（ＰＯＢ）と呼ぶ、組み込み型光導波路を有する電気プリント回路基板等の第２のレベルの集積手段の上にフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を含む電子システムに関する。より具体的には、例示的実装は、かかるシステム（以下で「ＰＩＣシステム」と呼ぶ）と、ＰＩＣと光プリント基板とを整列させるための方法に関する。ＰＩＣは、電気集積回路と光集積回路とを単一のチップとして一体的に、又はマルチチップモジュールとして基板上に個別に含む電気光学機能回路パッケージである。

【0013】

組み込み型導波路を有するＰＯＢを含むＰＩＣシステムでは、垂直格子結合器の所望の変位に依存して基板からＰＩＣへの接合又はＰＩＣと基板との間の接合を容易にするために光コネクタが必要とされる。銅トレース長は最終的にはゼロになることから、光から電気へのシステム及び接合部は、チップレットが最終的にパッケージ上に直に配置されることになり、それによってＰＩＣが、現存の電気接合部と本明細書で説明する光接合部とによって電子系と光学系との両方を取り扱うことができる単一チップになるようなものになる。

【0014】

図２は、ある例示的実装によるＰＯＢとＰＩＣとを含む例示的システムを示している。ＰＯＢ２００とＰＩＣ２０２とは、チップから基板への接続を容易にするコネクタ２０１によって接続される。ＰＩＣ２０２は、ＰＯＢ２００にボンディング（例えば、ワイヤボンディング、電気ボンディング）されたＩＣパッケージ内に組み込まれる。コネクタ２０１は、ＰＯＢ接合部２０４を介してＰＯＢ２００に接続し、更にＰＩＣ接合部２０３を介してＰＩＣ２０２に接続する。このシステムの例では、光は、ＰＯＢの導波路を通して、又はＰＩＣからＰＯＢの導波路への反対方向の信号の流れの場合にはＰＩＣ２０２の導波路を通して供給される。

【0015】

かかるシステムの製造では、ＰＩＣ２０２は、ＰＩＣ接合部２０３上に配置される。ＰＩＣ２０２の下面は、吸収部分と反射部分とを含むことができる結合器を含み、吸収部分は、コネクタ２０１からＰＩＣ２０２に向けられた光を吸収するように構成され、反射部分は、光をコネクタ２０１に反射し戻すように構成される。信号の流れを逆転することもでき、この場合にはＰＩＣ２０２からＰＯＢ２００に光が伝達され、コネクタ２０１によって吸収されて単一モード導波路を通してＰＯＢ２００へとリダイレクトされる。

【0016】

しかしながら、かかるシステムの組み立てでは、ＰＩＣ２０２の吸収部分とＰＩＣ接合部２０３との整列を決定するのが困難である可能性がある。特に、不適切な整列の場合には、ＰＩＣ接合部２０３からＰＩＣに向けられた光が失われる恐れがある。更に、機械的調節による場合には、ＰＩＣ接合部２０３からの光が何処でＰＩＣ２０２に向けられるか、又はＰＩＣ接合部２０３からの光が何処でコネクタ２０１に向けられるかを知ることが困難である可能性があることから、ＰＩＣ２０２とＰＩＣ接合部２０３との再整列を果たすのが困難である可能性がある。

【0017】

例示的実装は、入射光ビームを２つの異なる媒体の間の垂直出力光ビームへと成形して場所決めする複数の層を有する１又は２以上の２次元分散波長板（ＴＤＷ）を含むＰＩＣ接合部２０３を導入することによって上記の問題に対処する。

【0018】

本明細書で説明する例示的実装では、１又は２以上のＴＤＷを有する本提案のＰＩＣ接合部２０３は、（ｘ，ｙ）が、所望の実装に従って設定されたピクセルを用い、所望の実装に依存して２Ｄ格子構造又はメタ表面を用いることによってＴＤＷ板上でピクセル分割された座標である時に、誘電率（ｄ（ｘ，ｙ））の電気制御可能な誘電率分布関数を有するように構成される。本明細書に提示する例では、（ｘ，ｙ）ピクセル分割座標は、ｎドープシリコンとｐドープシリコンとに基づく碁盤格子構成として形成されるが、所望の実装に従って他の実装を利用することもできる。かかる例示的実装によって、入射／射出光は、強め合うように干渉して自由空間又は導波路内への所望のサイズ及び形状を有するガウス波形の射出／入射ビームへの実質的に直交方向への回転を形成することができる。

【0019】

本明細書で説明する例示的実装では、ＴＤＷは、付随する誘電率ｄｎ（ｘ，ｙ）（ｎは層ｎ＝１，２，…である）の分布関数によって各々が別個に定義された複数の層を含むことができる。このサンドイッチ構造は、導波路からの入射光ビームと空間的に干渉して総合チャネル性能が最高目標値に達するように空間への射出光ビームの場所及び形状を微調整する、又は空間からの入射光ビームと空間的に干渉して総合チャネル性能が最高目標値に達するように導波路への射出光ビームの場所及び形状を微調整する。

【0020】

複数の例示的実装において、物理的光経路の相反性によってＰＩＣ２０２とＰＩＣ接合部２０３との間の双方向性が概ね保証される。

【0021】

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ある例示的実装による、複数の層を有する１又は２以上のＴＤＷを含むＰＩＣ接合部の例示的構成を示している。図３（ａ）及び図３（ｂ）に例示しているように、光は、光ビームを空間３０１の中へとリダイレクトするように構成されたＴＤＷ３０２、３０３に導波路３００を通して向けられる。

【0022】

図３（ａ）に記載の例では、ＴＤＷの２Ｄ格子構造又はメタ表面の電気制御によって射出ビームの中心をＰＩＣ接合部３０２上のいずれかの所望の場所（ｘ，ｙ）へと移動させることができる。図３（ｂ）に記載の例では、ＰＩＣ接合部３０３は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）実装と、パラメータを形成するＭＩＭＯビームが（ｘ，ｙ）２次元座標ではなく方位角及び極角を含むことからｄｎ（ｘ，ｙ）について制御するには限られた範囲しか有さないＰＩＣ接合部を補償するためのレンズ３０４とを含む。ビームの角度制御は、「ｄ」がＰＩＣ接合部からこの非球面レンズまでの距離である時にビーム中心を（ｄ＊ｓｉｎ（ｑ）＊ｃｏｓ（ｆ），ｄ＊ｓｉｎ（ｑ）ｓｉｎ（ｆ））に場所決めすることができる。従って、電気制御によって射出ビーム中心をあらゆる所望の場所（ｘ，ｙ）に移動させて所望の方向に照準することができる。かかる例示的実装では、ＰＩＣ接合部３０３は、光ビームを誘導操作角度（θ）及び角度（φ）に向き決めするように構成される。対象範囲を、所望の実装に従って「ｄ」だけ直線的に延ばすことができる。

【0023】

図４（ａ）及び４（ｂ）は、ある例示的実装による、ＴＤＷを含むＰＩＣ接合部の例示的構造を示している。図４（ａ）に例示しているように、誘電率の調節に基づいてＴＤＷピクセル同士の間の任意の場所（ｘ，ｙ）に中心が定められ、拡大及び分散された直角上向きのガウスビーム４０２を容易にするピクセル分割様式で配列される。複数の例示的実装において、光経路の相反性は、逆方向を成り立たせる。

【0024】

図４（ａ）に例示しているように、ＴＤＷは、光導波路４０１を通してＰＩＣ接合回路に接続され、それによってＰＩＣ接合回路からＴＤＷ層への単一モード光４００が容易になる。光導波路４０１は、所望の実装に依存して先細る又は先細らない光がＴＤＷに入射するのを容易にすることができる。所望の実装に依存して、光導波路４０１は、単一モード導波路又は多モード導波路の形態にすることができる。

【0025】

各層における誘電率を制御するために、ＴＤＷは、図４（ａ）に例示しているように層の行と列とに沿って電圧駆動されるように構成される。各行及び列の両端の電圧を調節することによって、所望の実装に従って特定のピクセルにおける電圧を制御することができ、それによって特定の場所（ｘ，ｙ）における誘電率を調節することができる。誘電率の調節によって、ＴＤＷに入射する光を、ＴＤＷの隣接ピクセルを通り抜けるか、又は、所望の実装に従って実質的に直交方向上向きにリダイレクトされるかのどちらかに向けることができる。

【0026】

所望の実装に依存して、ＴＤＷは、電圧以外の他の方法によって制御されるように構成することができる。例えば、誘電率を調節する上で超音波信号を用いることもできる。別の例では、当該技術分野で公知のいずれか所望の実装に従って、電気光学グラフェン構造上の表面プラズモンポラリトンに対して調節を加えることができる。本開示は、これらの方法に限定されず、誘電率を変化させる他の方法を所望の実装に従って利用することもできる。

【0027】

図４（ｂ）は、ある例示的実装によるＴＤＷの例示的断面を示している。図４（ｂ）に記載の例示的断面は、ＰＣＢ上に固定されて垂直線への光経路を有する垂直格子結合器（ＶＧＣ）４１０を含む。かかるＶＧＣは、所望の実装に依存して二酸化シリコン又はシリコン被覆で構成することができ、当該技術分野で公知のＶＧＣのいずれかの形態にすることができる。

【0028】

中間層４１１が光をシリコン表面へと推進し、中間層４１１はシリコンで構成することができ、それを通して電気接続（例えばチップから電気基板への）が容易になり、中間層４１１は、光経路がＰＯＢを接続するのを容易にするコアを含むこともできる。中間層４１１は、ピクセル分割構成にあるｐドープシリコンとｎドープシリコンとを有する層、並びにｐドープ又はｎドープのどちからのものである下層シリコン層を更に含む。

【0029】

図５は、ある例示的実装による、レンズ５０１を有するＴＤＷのＭＩＭＯ型実装に関する例示的実装を示している。図５に記載の例示的実装では、ＴＤＷ５００は、ＰＩＣ５２０から単一モード導波路５３０を通して光を受光し、拡大されて誘電率ｄ（ｘ，ｙ）に基づく任意角度（θ，φ）方向を有するガウスビーム５１０を形成するように構成されたコヒーレント光ＭＩＭＯとして機能する。所望の角度に基づいて、ビーム５１０は、離れた平面にある所望の場所（ｘ，ｙ）へとコリメーターレンズ５０１によって処理される。

【0030】

所望の実装に依存して、レンズ５０１は、ガラス又はプラスチックで作製された非球面レンズとすることができる。レンズ５０１は、傾斜光を所望の場所に実質的に直交する向きで向けるように構成される。図５に例示しているように、レンズ５０１は、パッケージ５０２内に埋め込むこともできる。

【0031】

更に、信号の流れを、ＴＤＷ５００の中へのレンズ５０１を介してＰＩＣ５２０及び単一モード導波路５３０に戻るように逆転させることもできる。かかる状況では、光の流れは、ＰＩＣから非球面レンズ５０１の中に垂直に向けられ、ある角度でＴＤＷ５００に向かって戻るようにリダイレクトされる（例えば、図５に例示している矢印５１０、５１１の逆方向に）。

【0032】

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、所望の実装による、ＰＩＣ接合部とＰＩＣとの間の整列を決定するための例示的構成を示している。

【0033】

複数の例示的実装において、光経路内のセンサの場所に依存して用いることができる様々な種類のフィードバック機構がある。フィードバック機構の一例は、反射信号の量がＰＩＣと接合部との間の不整列の量を示すようにセンサが光源側に場所決めされる反射法である。それに対して、別の例示的フィードバック機構は、光源とセンサとの対を用いて受光要素にとって最大のパワーに達するまで２つの光学構成要素を能動的に整列させる透過法を含む。図６（ａ）は、反射法に利用することができる例示的構成を示し、図６（ｂ）は、透過法に利用することができる例示的構成を示している。

【0034】

図６（ａ）に記載の例では、ターゲット導波路／ＰＩＣは、ターゲット結合器６０２に隣接する反射部分６０１を含む。ターゲット結合器６０２は、それに向かって向けられた光を吸収し、それに対して反射部分６０１は、それらに向かって向けられた光を矢印で示しているように反射する。反射光は、フィードバック信号に対する最小値を取得するという目的で反射フィードバック信号としての役割を果たすように用いられる。この反射は、ＰＩＣコネクタ側に取り付けられたフォトダイオードセンサ６００を有する導波路タップモニタによって監視される。反射部分は、反射特性を有する材料で作製することができる、又は、反射特性を有するいずれかの種類の被覆とすることができるが、特にこれらに限定さることはない。

【0035】

図６（ｂ）に記載の例では、透過光が、光信号の最大値に対するフィードバックとしての役割を果たすことになる。この信号は、ターゲット導波路／ＰＩＣ側に取り付けられたフォトダイオードセンサ６０３を有する導波路タップモニタによって監視される。従って、整列された時に、この導波路タップモニタによって、ＰＩＣコネクタからターゲット導波路／ＰＩＣ側へと透過される光の最大信号値を把握することができる。このようにして、図６（ａ）及び図６（ｂ）に例示しているフォトダイオードセンサを用いることによって、反射光の測定値に基づいて整列較正を把握することができ、それによって、ＰＩＣパッケージが既にコネクタにボンディング済みである場合であっても誘電率を適宜変化させるようにＴＤＷを駆動することができる。

【0036】

従って、本明細書で説明する例示的実装を用いることによって、接合部のＴＤＷ上での誘電率調節を通じてＰＩＣとＰＯＢへの接合部とを正しく整列させることができる。従って、ＰＩＣが接合部上に配置された時に整列が最適ではなかった場合でも、光をＴＤＷ上の所望の２Ｄ座標の場所から所望の実装に従ってリダイレクトすることができる。

【0037】

更に、本明細書で説明するように反射光を測定するためにフォトダイオードセンサを用いることによって、反射光の測定値に基づいて整列を決定することができる。従って、組み立て及び整列が完了した後に整列が改変される場合であっても、組み立て後及び整列後に１又は２以上のフォトダイオードセンサによって供給される測定値を用いてＴＤＷの誘電率を適宜変化させ、ＰＩＣパッケージをコネクタに対して再整列させることができる。

【0038】

それに加えて、１又は２以上のフォトダイオードセンサを有する導波路タップモニタの使用は、所望の実装に依存してコネクタ又はＰＩＣパッケージのどちらかが受信する信号の測定を可能にする。従って、組み立て及び整列が完了した後に整列が改変される場合であっても、最大信号値が既知であることから、導波路タップモニタの測定値を用いてＴＤＷの誘電率を組み立て後に適宜変化させてＰＩＣパッケージをコネクタに対して再整列させることができる。

【0039】

本明細書で説明する例示的実装は、コネクタ又はＰＯＢ上に設けられたＴＤＷ接合部に関するものであるが、ＴＤＷ接合部は、光をＰＯＢ表面の所望の場所の上へと向けるためにＰＩＣ内に配置することもできる。かかる例示的実装では、図５に記載のレンズを、ＰＯＢ表面の所望の場所に光ビームを集束するように構成することができ、この場合、コネクタから受光された光が２次元場所において接合部からレンズへとある角度でリダイレクトされるように、ＴＤＷに対して直角なビーム角度が、この２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される。従って、ＴＤＷの実装は、所望の実装に従ってコネクタ内又はＰＩＣパッケージ内に配置することができ、その他の構造要素は、かかる実装を容易にするように適宜修正される。

【0040】

図７（ａ）から図７（ｃ）は、ある例示的実装による、ＰＩＣ上にＰＩＣパッケージの一部として組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示している。図７（ａ）において、まずＰＩＣパッケージ７０５がＰＩＣコネクタ７０２上に組み付けられ、はんだボール７０４を用いてボンディングされる。この最初の組み立てでは、ＰＩＣパッケージ７０５のＴＤＷ７０６の部分が、後に整列されることになるＰＩＣコネクタ７０２のＶＧＣ７０３に被さるように配置される。

【0041】

図７（ｂ）では、光が、導波路／ＰＩＣ７０７を通してＴＤＷ７０６に透過される。本明細書における例示的実装で説明するＴＤＷの構成に基づいて、光は、ＴＤＷの中の（ｘ，ｙ）ピクセル座標においてＰＩＣコネクタ７０２に対して実質的に直交方向７０８に向けられる。ＶＧＣ７０３に到達しない光がＰＩＣコネクタ７０２の表面から反射され、図６（ａ）で説明したようにＰＩＣパッケージ７０５に付着されたフォトダイオードセンサによって受光されるように、ＰＩＣコネクタ７０２は、図６（ａ）で説明した反射部分（例示していない）と整列される。

【0042】

図７（ｃ）では、反射光がフォトダイオードセンサによって測定された後に、フォトダイオードセンサからの測定値に基づいて光を様々な（ｘ，ｙ）座標へとリダイレクトするようにＴＤＷを調節することができる。光は、それがＶＧＣ７０３に対して整列されるまで調節される。光は、整列されると７０９、ＶＧＣ７０３中を通って進むことができ、所望の実装に従ってＰＯＢ又はその他の場所へと導波路７０１によって適宜リダイレクトされる。

【0043】

図８（ａ）から図８（ｃ）は、ある例示的実装による、ＰＩＣパッケージの一部として組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示している。図８に記載の構造及び組み立ては、ＶＧＣ７０３とは対照的にＰＩＣパッケージ７０５のＴＤＷ８０１の部分が、ＶＧＣ７０３ではなくレンズ８００の場所に被さるように設けられ、更にレンズ８００がＶＧＣ７０３に被さるように位置決めされるようにＰＩＣパッケージ７０５が位置決めされる点を除いて図７（ａ）に記載のものと同様である。ＰＩＣパッケージ７０５のＴＤＷ８０１の部分は、構成に基づく任意の角度（θ，φ）でレンズ８００に光を向けるコヒーレント光ＭＩＭＯとして構成される。

【0044】

図８（ｂ）では、実装は、ＶＧＣ７０３を通して吸収されなかった光がＰＩＣコネクタ７０２の反射部分（例示していない）によって反射されてフォトダイオードセンサによって測定される点で図７（ｂ）に記載のものと同様である。レンズ８００を通して投影される光は、図７（ｂ）に記載のものと同じ方式で、８０２に示しているようにＰＩＣコネクタ７０２に向かって実質的に直交方向に向けられる。続いて、フォトダイオードセンサの測定値に基づいて、光が図８（ｃ）に示しているように整列される８０３まで、光をレンズ８００に向かって別の角度で透過させるようにＴＤＷ７０６が駆動される。

【0045】

図９（ａ）から図９（ｃ）は、ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれたＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示している。図９（ａ）に記載の例示的組み立てでは、構造は、ＰＩＣコネクタ９０２が、導波路７０１に接続されたＴＤＷ９０１を有し、ＰＩＣパッケージ９０５が、導波路／ＰＩＣ９０７に接続されたＶＧＣ９０３を有する点を除いて図７（ａ）に記載のものと同様である。光は、導波路７０１からＴＤＷ９０１へと向けられてＶＧＣ９０３に向かって実質的に直交方向に向けられる。

【0046】

図９（ｂ）に例示しているように、図７（ｂ）に記載の実装と同様に、光９０４は、ＰＩＣコネクタ９０２上のフォトダイオードセンサに光を反射し戻す反射部分（例示していない）が設けられたＰＩＣパッケージ９０５に向かって実質的に直交方向に向けられる。続いて、フォトダイオードセンサの測定値に基づいて、光が、図９（ｃ）に示しているように整列される９０８までＴＤＷ９０１の様々な（ｘ，ｙ）ピクセル座標からの光を透過させるようにＴＤＷ９０１が駆動される。

【0047】

図１０（ａ）かから図１０（ｃ）は、ある例示的実装による、コネクタ上に組み込まれた非球面レンズ及びＴＤＷ板接合部の例示的組み立てを示している。図１０（ａ）に記載の例示的組み立てでは、構造は、ＰＩＣコネクタ１００２が、導波路７０１並びにレンズ１０００に接続されたコヒーレント光ＭＩＭＯ ＴＤＷ１００１を有する点を除いて図８（ａ）及び図９（ａ）に記載のものと同様である。光は、導波路７０１からＴＤＷ１００１に向けられ、レンズ１０００によってＶＧＣ９０３に向かって実質的に直角に向けられる。

【0048】

図１０（ｂ）に例示しているように、図８（ｂ）に記載の実装と同様に、光１００３は、ＴＤＷ１００１からレンズ１０００へと構成に基づく任意の角度（θ，φ）で向けられ、レンズ１０００の後に、ＰＩＣコネクタ１００２上のフォトダイオードセンサに光を反射し戻す反射部分（例示していない）が設けられたＰＩＣパッケージ９０５に向かって実質的に直交方向に向けられる。続いて、フォトダイオードセンサの測定値に基づいて、光が図１０（ｃ）に示しているように整列される１００４まで、光をレンズ１０００へと様々な角度から透過させるようにＴＤＷ１００１が駆動される。

【0049】

図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）、及び図１０（ａ）は、ＰＩＣとコネクタとがある程度不整列状態にある例示的最初の組み立ての完了を示している。図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）、及び図１０（ｂ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に関して説明した整列プロセスを実行する段階を例示している。すなわち、図７（ｃ）、図８（ｃ）、図９（ｃ）、及び図１０（ｃ）に例示しているように最終整列設定に達するまで、上記の例示的実装で説明したように誘電率を修正するようにＴＤＷが駆動される。ＴＤＷ構成設定プロセスが完了すると、構成設定（値を有する）が記憶され、相反性に起因してどちらかの信号方向経路（すなわち双方向）の実際の動作中に用いられる。こうして、本明細書で説明する例示的実装による整列及び組み立てによって双方向信号を容易にすることができる。

【0050】

本明細書で説明するように、上記の例示的実装は、光導波路を介して光プリント基板（ＰＯＢ）に接続されたコネクタとフォトニック集積回路（ＰＩＣ）パッケージとの間で光をリダイレクトするように構成されたシステムであって、１又は２以上の２次元分散波長板（ＴＤＷ）を含み、１又は２以上のＴＤＷの各々が、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を有し、１又は２以上のＴＤＷにおいて受光された光が２次元場所において垂直格子結合器に向かってリダイレクトされるように、１又は２以上のＴＤＷが、これらの２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成されるシステムを含むことができる。垂直格子結合器は、コネクタ又はＰＩＣパッケージのどちらに配置することもできる。

【0051】

本明細書で説明するように、１又は２以上のＴＤＷは、１又は２以上のＴＤＷ上にある所望の２次元場所における誘電率を改変するような電圧、超音波信号、及び／又は電気光学表面プラズモンポラリトンの変化によって駆動されるように構成することができる。誘電率の改変は、所望の実装に従って、受光光をＴＤＷから実質的に直交方向にリダイレクトさせることができる、又はレンズに向かって向けられることになる傾斜ガウスビームを形成するために用いることができる。

【0052】

本明細書で説明するように、１又は２以上のＴＤＷは、コネクタ内に配置し、単一モード導波路に接続することができる。かかる例示的実装では、１又は２以上のＴＤＷは、単一モード導波路から受光する光が２次元場所において、ＰＩＣパッケージ内に配置された垂直格子結合器に向かって実質的に直交方向にリダイレクトされるように２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される。かかる例示的実装では、整列較正を決定するために、１又は２以上のフォトダイオードセンサをコネクタ上に配置し、１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた光のうちでＰＩＣパッケージで反射された光を受光するように位置決めすることができる。適正な整列が決定されると、所望の実装に依存して、１又は２以上のフォトダイオードセンサを有する導波路タップモニタを、ＰＩＣパッケージが受光した光を測定して最大信号値を決定するように構成することができる。

【0053】

本明細書で説明するように、１又は２以上のＴＤＷは、ＰＩＣパッケージ内に配置することができる。かかる例示的実装では、１又は２以上のＴＤＷは、ＰＩＣパッケージから受光した光が、２次元場所において、コネクタ内に配置された垂直格子結合器に向かって実質的に直交方向にリダイレクトされるように２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成することができる。かかる例示的実装では、整列較正を決定するために、１又は２以上のフォトダイオードセンサをＰＩＣパッケージ上に配置し、１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた光のうちでコネクタから反射された光を受光するように位置決めすることができる。適正な整列が決定されると、所望の実装に依存して、１又は２以上のフォトダイオードセンサを有する導波路タップモニタを用いてコネクタが受光する光を測定することができる。

【0054】

本明細書で説明するように、複数の例示的実装が、ＰＩＣパッケージとコネクタとの間に挟まれたレンズを含むこともでき、このレンズは、１又は２以上のＴＤＷからリダイレクトされた光を垂直格子結合器（コネクタ内又はＰＩＣパッケージ内のどちらかに配置された）に向かって集束するように構成され、１又は２以上のＴＤＷは、それらにおいて受光された光が２次元場所において傾斜ガウスビームとしてレンズに向かってリダイレクトされるように２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される。

【0055】

本明細書で説明するように、１又は２以上のＴＤＷは、コネクタ内に配置し、単一モード導波路に接続することができる。かかる例示的実装では、１又は２以上のＴＤＷは、単一モード導波路から受光した光が２次元場所において傾斜ガウスビームとしてレンズに向かってリダイレクトされ、それによってレンズが、傾斜ガウスビームを単一モード導波路から受光した光から実質的に直交方向になるように、ＰＩＣパッケージ内に配置された垂直格子結合器に向かってリダイレクトするように２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成される。かかる例示的実装では、整列較正を決定するために、１又は２以上のフォトダイオードセンサをコネクタ上に配置し、１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた光のうちでＰＩＣパッケージで反射された光を受光するように位置決めすることができる。所望の実装に依存して、１又は２以上のフォトダイオードセンサを有する導波路タップモニタを用いてＰＩＣパッケージが受光した光を測定し、最大信号値を決定することができる。

【0056】

本明細書で説明するように、１又は２以上のＴＤＷは、ＰＩＣパッケージ内に配置される。かかる例示的実装では、１又は２以上のＴＤＷは、ＰＩＣパッケージから受光した光が２次元場所において傾斜ガウスビームとしてレンズに向かってリダイレクトされ、それによってレンズが、傾斜ガウスビームをＰＩＣパッケージから受光した光から実質的に直交方向になるように、コネクタ内に配置された垂直格子結合器に向かってリダイレクトするように２次元場所における誘電率を変化させるよう駆動されるように構成することができる。かかる例示的実装では、整列較正を決定するために、１又は２以上のフォトダイオードセンサをＰＩＣパッケージ上に配置し、１又は２以上のＴＤＷから透過されリダイレクトされた光のうちでコネクタから反射された光を受光するように位置決めすることができる。所望の実装に依存して、１又は２以上のフォトダイオードセンサを有する導波路タップモニタを、コネクタが受光した光を測定して最大信号値を決定するように構成することができる。

【0057】

本明細書で説明するように、ｐドープシリコンとｎドープシリコンの複数の層を、可能な２次元場所を示す碁盤格子構成で配列することができる。

【0058】

更に、当業者には、本明細書の考察及び本出願の教示の実践から本出願の他の実装が明らかになろう。説明した例示的実装の様々な態様及び／又は構成要素を、単独で又はいずれかの組み合わせで用いることができる。本明細書及びこれらの例示的実装を単なる例と見なすべきであり、本出願の真の範囲及び創意は、以下に続く特許請求によって示されることを意図している。

【符号の説明】

【0059】

２０３ ＰＩＣ接合部
２０４ ＰＯＢ接合部
２０１ コネクタ

【図1】

【図2】

【図3(a)】

【図3(b)】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図5】

【図6(a)】

【図6(b)】

【図7(a)】

【図7(b)】

【図7(c)】

【図8(a)】

【図8(b)】

【図8(c)】

【図9(a)】

【図9(b)】

【図9(c)】

【図10(a)】

【図10(b)】

【図10(c)】

【外国語明細書】

2021196610000001.pdf