特許 6683535 光結合方式

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6683535

(24)【登録日】2020年3月30日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】光結合方式

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/125 20060101AFI20200413BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20200413BHJP

   G02B 6/13 20060101ALI20200413BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/125 301

   G02B6/122 311

   G02B6/13

【請求項の数】14

【外国語出願】

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2016-92362(P2016-92362)

(22)【出願日】2016年5月2日

(65)【公開番号】特開2016-212415(P2016-212415A)

(43)【公開日】2016年12月15日

【審査請求日】2016年6月10日

【審判番号】不服2018-16372(P2018-16372/J1)

【審判請求日】2018年12月7日

(31)【優先権主張番号】15166333.3

(32)【優先日】2015年5月5日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503433420

【氏名又は名称】華為技術有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＨＵＡＷＥＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100140534

【弁理士】

【氏名又は名称】木内 敬二

(72)【発明者】

【氏名】トム・コリンズ

(72)【発明者】

【氏名】マルコ・ランポニ

【合議体】

【審判長】 小松 徹三

【審判官】 星野 浩一

【審判官】 山村 浩

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／０１１８４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−５２３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７９７８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G02B6/12-6/14

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光結合のための導波管構造であって、
第１の導波管であって、前記第１の導波管より低い屈折率のクラッディングに組み込んだ第１の導波管と、
前記クラッディングより高い屈折率を有する第２の導波管と、
少なくとも一部が前記第１の導波管および前記第２の導波管の間で配置された、中間導波管と、
を備え、
前記第１の導波管および前記第２の導波管はそれぞれ、前記中間導波管へおよび／または前記中間導波管から光を結合するためのテーパ・エンドを含み、
前記第１の導波管の前記テーパ・エンドと、前記第２の導波管の前記テーパ・エンドと、前記中間導波管とは、前記第１および第２の導波管の延伸方向で重なり合い、前記第１の導波管および前記第２の導波管は、前記第１の導波管および前記第２の導波管のテーパ部分のみで重なり合い、
前記中間導波管は、前記クラッディングの一部において形成され、かつ、前記第１および第２の導波管の前記テーパ・エンドの間に配置され、
前記中間導波管は、前記クラッディングよりは高い屈折率を有するが、前記第１の導波管および第２の導波管よりは低い屈折率を有する、
導波管構造。

【請求項2】

前記導波管構造は、一部が除去された基板上に形成され、
前記中間導波管は、前記クラッディングの一部において形成され、かつ、前記導波管構造は、梁風の構造を有し、
前記梁風の構造の中央部分は、前記除去された部分上に形成される、請求項１に記載の導波管構造。

【請求項3】

前記第１の導波管の前記テーパ・エンドは前記梁風の構造に組み込まれている、請求項２に記載の導波管構造。

【請求項4】

前記梁風の構造の少なくとも一部はそれぞれ前記第１の導波管および第２の導波管の前記テーパ・エンドの間に配置され、前記クラッディングより低い屈折率の材料に接している、請求項２または３に記載の導波管構造。

【請求項5】

前記中間導波管は前記クラッディング内で充填トレンチにより形成され、前記トレンチの充填材料は、前記クラッディングよりは高い屈折率を有するが、前記第１の導波管および第２の導波管よりは低い屈折率を有する、請求項１に記載の導波管構造。

【請求項6】

前記クラッディングは下方クラッディング層と上方クラッディング層を含み、前記下方クラッディング層と前記上方クラッディング層は前記第１の導波管を挟み、
前記充填トレンチは完全に前記上方クラッディング層内で提供され、それぞれ前記第１の導波管および第２の導波管の前記テーパ・エンドの間に配置される、
請求項５に記載の導波管構造。

【請求項7】

前記第２の導波管および／または前記第１の導波管は１．８以上の屈折率を有し、
前記クラッディングは１．５以下の屈折率を有する、
請求項１乃至６の何れか１項に記載の導波管構造。

【請求項8】

前記第１の導波管および第２の導波管の前記テーパ・エンドは、大よそ２００乃至８００μｍの長さにわたって大よそ０．４乃至１μｍの幅から大よそ０．１乃至０．２μｍの幅に先細りする、請求項１乃至７の何れか１項に記載の導波管構造。

【請求項9】

前記中間導波管は大よそ２μｍ乃至４μｍの幅を有し、かつ／または
前記第１の導波管および第２の導波管はそれぞれ大よそ０．２乃至１μｍの幅および大よそ０．０５乃至０．４μｍの厚さを有し、かつ／または
前記第１の導波管および前記第２の導波管の間の距離は大よそ２乃至４μｍ、好ましくは大よそ３μｍである、請求項１乃至８の何れか１項に記載の導波管構造。

【請求項10】

前記第２の導波管および／または前記第１の導波管は窒化ケイ素から作られている、請求項１乃至９の何れか１項に記載の導波管構造。

【請求項11】

前記第１の導波管および第２の導波管は１つのチップに属し、
前記第２の導波管は前記チップの表面の近くまたは前記チップの表面の上で提供される、
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の導波管構造。

【請求項12】

前記第１の導波管は第１のチップに属し、
前記第２の導波管は第２のチップに属し、前記第２のチップは前記第１のチップに転写印刷されている、
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の導波管構造。

【請求項13】

チップであって、前記チップは、少なくとも１つの導波管を含む物に、前記チップを光学的に結合するための請求項１乃至１１の何れか１項に記載の導波管構造を含む、チップ。

【請求項14】

光結合のための導波管構造の製造方法であって、
テーパ・エンドを有する第１の導波管を形成するステップと、
前記第１の導波管を前記第１の導波管より低い屈折率のクラッディングに組み込むステップと、
テーパ・エンドを有する第２の導波管を形成するステップと、
中間導波管を形成するステップであって、前記中間導波管の少なくとも一部は前記第１の導波管および前記第２の導波管の間で形成されている、ステップと、
を含み、
前記第１の導波管および第２の導波管の前記テーパ・エンドはそれぞれ、前記中間導波管へおよび／または前記中間導波管から光を結合するために設計されており、
前記第１の導波管の前記テーパ・エンドと、前記第２の導波管の前記テーパ・エンドと、前記中間導波管とは、前記第１および第２の導波管の延伸方向で重なり合い、前記第１の導波管および前記第２の導波管は、前記第１の導波管および前記第２の導波管のテーパ部分のみで重なり合い、
前記中間導波管は、前記クラッディングの一部において形成され、かつ、前記第１および第２の導波管の前記テーパ・エンドの間に配置され、
前記中間導波管は、前記クラッディングよりは高い屈折率を有するが、前記第１の導波管および第２の導波管よりは低い屈折率を有する、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はフォトニック集積回路（ＰＩＣ）の分野に関する。特に、本発明は、光結合方式、好ましくはチップからチップへの光結合のための方式を説明する。この目的のため、本発明では、光結合のための導波管構造、かかる導波管構造を含むチップ、および当該導波管構造の製造方法を提供する。

【背景技術】

【0002】

シリコン・フォトニクスは広範囲の応用例に対する汎用的な技術プラットフォームとして急速に重要性が高まっている。かかる応用例には、例えば、電気通信、データ通信、相互接続およびセンシングがある。シリコン・フォトニクスにより、ＣＭＯＳ互換ウェハ・スケール技術を高品質で低コストのシリコン基板で利用することによってフォトニック機能を実現することができる。

【0003】

しかし、特に電気通信の適用例では、従来のシリコン・パッシブ装置を用いたとき、全ての性能要件を満たすことは困難である。寧ろ、依然としてＣＭＯＳ互換ウェハ・スケール技術である高品質窒化ケイ素（ＳｉＮ）技術を用いることにより、劇的に改善された性能を実現できることが分かっている。欠点として、ＳｉＮを用いてアクティブ装置を製造することはできない。

【0004】

この欠点を克服するための１つの選択肢は、シリコンを用いて製造されたアクティブ装置、即ち、シリコン導波管で形成された装置とＳｉＮ導波管をモノリシックに統合することである。しかし、ＳｉＮ導波管の高品質性を保証するには高温が必要である。これはまた、シリコン・アクティブ装置をＳｉＮ上に形成しなければならないことを意味する。これには一般的に、当該アクティブ装置のシリコン層をパターン化したＳｉＮ ＰＩＣウェハに追加するために、少なくとも１つのウェハ結合動作が必要である。それにも関わらず高いウェハ結合量を実現するために、厳格な清浄度および平面化が必要であり、これは、かかる集積装置の製造を困難かつ高価にする。

【0005】

例えば、非特許文献１において、様々なグループが様々なチップ間で光を伝送するためにグレーティング結合器を使用することを試みている。

【0006】

しかし、これらのグレーティング結合器の報告された結合性能はあまり良好ではなく、光損失は８ｄＢの範囲である。このレベルの光損失は大抵の電気通信の応用例にはあまりに過大である。

【0007】

他のグループは、鏡を用いて様々なチップ間で光を結合することを試みている。しかし、ほぼ３ｄＢの光損失は依然として低損失の応用例には許容できない。さらに、鏡の製造はＣＭＯＳ互換のプロセスではない。

【0008】

Ｓｏｇａｎｃｉらは非特許文献２において、シリコン導波管とポリマ導波管で製造された反転テーパ間の光の結合を報告している。当該ポリマ導波管はＰＣＢ上に提供される。光結合器あたり１ｄＢ程度の損失が特定の波長で実現されており、優れた性能を示し、導波管の間の断熱結合を実現することができる。

【0009】

同様に、Ｄ．Ｗ．Ｖｅｒｎｏｏｙらは非特許文献３で、ＩＩＩ−ＶチップとシリカＰＬＣの間の断熱結合を使用する方法を開発している。当該アプローチにより、０．５ｄＢ未満の光損失でＰＬＣプラットフォームへのＩＩＩ−Ｖ構成要素の表面実装フリップ・チップが可能となる。

【0010】

当該ＩＩＩ−Ｖチップは低屈折率コントラストの出力導波管を有し、光はリン化インジウム（ＩｎＰ）導波管から当該出力導波管に伝送される。当該伝送により、当該モードを大幅に延伸でき、（低屈折率コントラストの）ＰＬＣ上に導波管を、当該表面実装がそれらを十分に近接させることを前提に、結合することができる。

【0011】

しかし、導波管の近接性の要件には複雑な製造プロセスが必要である。通常、導波管は導波管コアより低い屈折率を有する厚いオーバクラッド材料で被覆される。このオーバクラッド材料を除去し導波管上で停止させること、または、オーバクラッド材料の薄膜層を残すことは、必要ではあるが複雑である。さらに、この除去により、数ミクロンの高さのステップがウェハ表面上に残る。反対に、正確なＣＭＯＳ処理には、平面表面または１ミクロン未満のステップが必要である。

【0012】

非特許文献４において、ＳｉまたはＳｉＮ導波管から、アンダークラッドおよびオーバクラッドのシリカ層により形成された導波管に光を伝送できることもＣｈｅｎらにより示されている。高反射シリコンがこの「片持ち梁」導波管の近くで除去されている。包囲材料は大気または低屈折率コントラストのポリマの何れかであることができる。４乃至９μｍのモード・サイズをこの技術で実現することができる。今日、この技術は、具体的には光をシリコン・フォトニクス・チップからファイバに結合するために提案されている。

【0013】

さらに、導波管の夫々の幅を設計することで或る導波管から別の導波管に同一のチップ上で光を伝送できることが特許文献１で知られている。このアプローチは一般にＩＩＩ−Ｖチップ上で利用されており、或る層はアクティブ領域であり、その他の層はパッシブ導波管であり、光をファイバに結合するのにより適している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】米国特許公報第US 6,282,345号

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】Zhang et al., in “Inter-layer grating coupler on double-layer silicon nanomembranes”, DOI: 10.1109/OIC.2013.6552911, Optical Interconnects Conference, 2013 IEEE

【非特許文献2】“Flip-chip optical couplers with scalable I/O count for silicon photonics”, July 1, 2013, Vol. 21, No. 13, DOI: 10.1364/OE.21.016075, Optics Express 16075 IBM

【非特許文献3】“Alignment-Insensitive Coupling for PLC-Based Surface Mount Photonics”, IEEE PTL, 2004

【非特許文献4】“Low-Loss and Broadband Cantilever Couplers Between Standard Cleaved Fibers and High-Index-Contrast SiN or Si Waveguides”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 22, No. 23, December 1, 2010

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0016】

上述の従来の光結合方式の説明から明らかなように、現在のところ、第１に、必要な全ての追加的な処理が（例えば、シリコン・フォトニクス・チップに対して適切な）ＣＭＯＳ互換であり、第２に、当該結合の効率が広帯域波長帯にわたって高い（即ち、光結合損失が低い）ように光結合が実現されていないことが課題である。

【0017】

これらの欠点に鑑み、本発明の目的は従来の光結合方式を改善することである。本発明は特に、低光損失の光結合のための構造を提供することを目的とする。当該構造はまた、ＣＭＯＳ処理と互換である。

【0018】

本発明の上述の目的は、添付の独立請求項で提供される解決策により実現される。本発明の有利な実装はさらに従属請求項で定義される。

【0019】

特に、本発明は、新規な低損失光結合方式を実現するための、導波管構造、当該導波管構造を含むチップ、および当該導波管構造の製造方法を提供する。当該結合方式は、具体的にはアクティブ装置をＳｉＮ ＰＩＣに転写印刷またはフリップ・チップ接着するのに適している。この目的のため、本発明では導波管構造を実現する。当該導波管構造により、クラッディングで被覆された第１の導波管から第２の導波管、特に表面導波管へ光を伝送すること、特に、光を断熱的に伝送することができる。このように、全ての必要な処理をＣＭＯＳ互換としつつ、チップ内での、または、チップからチップへの光断熱結合を実現することができる。

【0020】

本発明の第１の態様では、光結合のための導波管構造であって、第１の導波管より低い屈折率のクラッディングに組み込んだ第１の導波管と、当該クラッディングより高い屈折率を有し第１の導波管から離れている第２の導波管と、少なくとも一部が第１の導波管と第２の導波管の間で配置された中間導波管とを備え、第１の導波管と第２の導波管はそれぞれ、当該中間導波管へおよび／または当該中間導波管から光を結合するためのテーパ・エンドを含む、導波管構造を提供する。

【0021】

第１の態様の導波管構造の３つの導波管により、光を、特に断熱的に超低結合損失で、第１の導波管から第２の導波管に伝送することができる。当該結合損失と整合許容値は、正しく設計された断熱性テーパを使用すると１ｄＢ未満である。かかる性能は従来の端結合、グレーティング結合器または鏡では実現できない。

【0022】

第１の態様の導波管構造により、光を例えば、チップ内部から当該チップの表面に伝送することができる。換言すれば、光をチップの表面にもってくることができる。これにより、より効率的な光チップ間結合が、特に本質的に平面のウェハ上で可能となる。あるいは、或るチップから別のチップに超低光結合損失で光を直接伝送することができる。

【0023】

第１の態様の導波管構造を光チップ間結合に使用したとき、第１のチップ上の領域の大部分は、取付けた第２のチップの下にあり、回路を集積するために依然として使用することができる。なぜならば、一般的に、機械的安定性の理由で、当該２つのチップの取付け領域は光結合に実際に使用される領域より大幅に大きいからである。

【0024】

実際、第１の態様の導波管構造により、光を、５００μｍ未満の長さにわたって第１の導波管から第２の導波管に効率的に伝送することができる。それにより、第１の導波管および第２の導波管が、互いに１方向に少なくとも実質的に平行に延伸し、第１の導波管のテーパ・エンドが第２の導波管のテーパ・エンドと当該延伸方向で重なり合うことが好ましい。より好ましくは、第１の導波管のテーパ・エンドは、当該延伸方向で第２の導波管のテーパ・エンドと、大よそ５００μｍ以下だけ、さらにより好ましくは大よそ４００μｍ以下だけ、最も好ましくは大よそ３００μｍ以下だけ重なり合う。

【0025】

第１の態様の導波管構造を製造するのに必要な全てのプロセスを、ＣＭＯＳ処理および鋳造と、例えばそれぞれＳｉＮ導波管および二酸化ケイ素クラッディング（ＳｉＯ２）が使用されるときに、互換とすることができる。当該処理により、追加の処理ステップなしにチップ・オン・ボードの高帯域ファイバ結合方式に使用される導波管構造を製造することができる。

【0026】

第１の態様の導波管構造の第１の実装形態では、中間導波管はクラッディングの一部によってまたは当該クラッディングの一部の中で形成される。

【0027】

当該中間導波管を構成するために第１の導波管のクラッディングを用いることにより、即ち、当該クラッディングを用いて光を第１の導波管から第２の導波管に伝送することによって、第１の態様の導波管構造を高速に、ＣＭＯＳ互換で、少ない必要な材料で、処理することができる。さらに、よりコンパクトな導波管構造を実現することができる。

【0028】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の第１の実装形態に従う導波管構造の第２の実装形態では、当該中間導波管は片持ち梁風の構造を有するクラッディングの一部により形成される。

【0029】

当該片持ち梁風の構造を、クラッディングが第１の導波管を囲む水平距離を限定することで、少なくとも専用結合領域で形成することができる。当該専用結合領域は導波管構造内の領域であり、当該領域は２つの先細りした導波管の端を含み、光は実際には、第１の導波管から第２の導波管に使用中に伝送される。さらに、基板が、当該クラッディングから当該基板への光漏洩を防止するために、当該専用結合領域において除去されている。

【0030】

当該片持ち梁風の構造により、当該２つの導波管の間の低損失断熱結合を良好に実現することができる。

【0031】

第１の態様の第２の実装形態に従う導波管構造の第３の実装形態では、第１の導波管のテーパ・エンドは当該片持ち梁風の構造に組み込まれている。

【0032】

結果として、光を非常に低い損失で中間導波管に断熱的に結合することができる。

【0033】

第１の態様の第２の実装形態または第３の実装形態に従う導波管構造の第４の実装形態では、当該片持ち梁風の構造の少なくとも一部は第１の導波管と第２の導波管のテーパ・エンドの間にそれぞれ配置され、当該クラッディングより低い屈折率の材料、好ましくはポリマ材料に組み込まれている。

【0034】

当該ポリマ材料は、例えば、片持ち梁風の構造の下に提供され、除去された基板を置換え、それにより、当該導波管構造を形成できる基板への光損失が回避される。

【0035】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の第１の実装形態に従う導波管構造の第５の実装形態では、中間導波管はクラッディング内で充填トレンチにより形成され、トレンチ充填材料は、当該クラッディングよりは高い屈折率を有するが、第１の導波管および第２の導波管よりは低い屈折率を有する。

【0036】

当該アプローチでは、クラッディングの下に低屈折率材料を提供して基板への光損失を回避する必要性を回避する。当該クラッディングの屈折率はトレンチ充填材料より低いはずであるので、当該基板への光損失が本質的に回避される。

【0037】

第１の態様の第５の実装形態に従う導波管構造の第６の実装形態では、当該クラッディングは下方クラッディング層と上方クラッディング層を含み、当該クラッディング層は第１の導波管を挟み、充填トレンチは完全に当該上方クラッディング層内で提供され、それぞれ第１の導波管と第２の導波管のテーパ・エンドの間に配置される。

【0038】

したがって、当該上方クラッディング層のみを当該トレンチで構成するだけでよく、その結果、処理が高速になり生産量が多くなる。

【0039】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の以前の実装形態の何れかに従う導波管構造の第７の実装形態では、第２の導波管および／または第１の導波管は１．８以上の屈折率を有し、クラッディングは１．５以下の屈折率を有する。

【0040】

その結果、少なくとも第１の導波管が、しかし好ましくは第２の導波管も、中程度または高程度の屈折率コントラストの導波管であり、即ち、導波管とクラッディングの間の高屈折率コントラストを有する。

【0041】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の以前の実装形態の何れかに従う導波管構造の第８の実装形態では、第１の導波管および第２の導波管のテーパ・エンドは、大よそ２００乃至８００μｍの長さにわたって大よそ０．４乃至１μｍの幅から大よそ０．１乃至０．２μｍの幅に先細りする。

【0042】

かかるテーパ・エンドにより、特に低光結合損失の断熱結合が可能となる。

【0043】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の以前の実装形態の何れかに従う導波管構造の第９の実装形態では、中間導波管は大よそ２μｍ乃至４μｍの幅を有し、かつ／または第１の導波管および第２の導波管はそれぞれ大よそ０．２乃至１μｍの幅および大よそ０．０５乃至０．４μｍの厚さを有し、かつ／または第１の導波管と第２の導波管の間の距離は大よそ２乃至４μｍ、好ましくは大よそ３μｍである。

【0044】

かかる導波管構造により、良好な光送信性能が可能となり、低光損失での導波管の間の光結合が可能となる。

【0045】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の以前の実装形態の何れかに従う導波管構造の第１０の実装形態では、第２の導波管および／または第１の導波管は窒化ケイ素から作られている。

【0046】

窒化ケイ素により、特に電気通信の適用例に対して、性能を大幅に改善することができ、さらにＣＭＯＳ処理と完全に互換である。

【0047】

第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の以前の実装形態の何れかに従う導波管構造の第１１の実装形態では、第１の導波管と第２の導波管は１つのチップに属し、第２の導波管は当該チップの表面の近くまたは当該チップの表面の上で提供される。

【0048】

このように、光をチップの内部から当該チップ表面にもってくることができる。光は主に第１の導波管におけるチップ内部で誘導される。したがって、当該チップの光送信性能が改善する。さらに、専用結合領域とは別に、当該チップの表面をより平面にでき、他の装置、例えば、パッシブ装置またはアクティブ装置または他のチップの構成または結合に使用することができる。光をチップ表面にもってくることにより、それにも関わらず光をチップからより容易に結合することができる。例えば、光を第２のチップに結合することができる。第２のチップを、フリップ・チップ技術によりまたは転写印刷技術により第１のチップに取り付けてもよい。光を、少なくとも１つの導波管を有する他の任意の適切な物に結合することもできる。例えば、光を、チップから、当該チップを何らかの距離離れた何らかの地点に光学的に接続するよう設計された導波管、例えば、クラッディングを除去したポリマ導波管または光ファイバに容易に結合することができる。

【0049】

で第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様の第１乃至第１０の実装形態の何れかに従う導波管構造の第１２の実装形態では、第１の導波管は第１のチップに属し、第２の導波管は第２のチップに属し、第２のチップは第１のチップに転写印刷されている。

【0050】

それにより、低損失の光チップ間結合が最も直接的な方式で実現される。転写印刷を用いる代わりに、第２のチップを、他の適切な技術により、例えばフリップ・チップにより、第１のチップに提供してもよい。

【0051】

本発明の第２の態様ではチップを提供する。当該チップは、当該チップを少なくとも１つの導波管を含む物例えば別のチップに光学的に結合するための、第１の態様自体に従う導波管構造または第１の態様任意の実装形態に従う導波管構造を含む。

【0052】

このように、第２の態様ではチップを提供する。当該チップは低損失の光チップ間結合を可能とする。例えば、第２の類似または同一のチップを、反転し、正しく整列し、第１のチップに取り付けてもよい。当該２つのチップ間の任意のギャップが、クラッディング層のものと類似または同一の反射材料で充填されることが好ましい。あるいは、少なくとも１つの導波管を含む物がポリマ導波管であってもよい。

【0053】

本発明の第３の態様では、光結合のための導波管構造の製造方法であって、テーパ・エンドを有する第１の導波管を形成するステップと、第１の導波管を第１の導波管より低い屈折率のクラッディングに組み込むステップと、第１の導波管と離れて、テーパ・エンドを有する第２の導波管を形成するステップと、中間導波管を形成するステップであって、当該中間導波管の少なくとも一部は第１の導波管と第２の導波管の間で形成されている、ステップとを含み、第１の導波管および第２の導波管のテーパ・エンドはそれぞれ、当該中間導波管へおよび／または当該中間導波管から光を結合するために設計されている、方法を提供する。

【0054】

第３の態様の方法の第１の実装形態では、当該中間導波管は当該クラッディングの一部によってまたは当該クラッディングの一部の中で形成される。

【0055】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の第１の実装形態に従う方法の第２の実装形態では、当該中間導波管は片持ち梁風の構造を有するクラッディングの一部により形成される。

【0056】

第３の態様の第２の実装形態に従う方法の第３の実装形態では、第１の導波管のテーパ・エンドは片持ち梁風の構造に組み込まれている。

【0057】

第３の態様の第２の実装形態または第３の実装形態に従う方法の第４の実装形態では、当該片持ち梁風の構造の少なくとも一部は第１の導波管と第２の導波管のテーパ・エンドの間にそれぞれ配置され、クラッディングより低い屈折率の材料、好ましくはポリマ材料に組み込まれている。

【0058】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の第１の実装形態に従う方法の第５の実装形態では、中間導波管はクラッディング内で充填トレンチにより形成され、トレンチ充填材料は、当該クラッディングよりは高い屈折率を有するが、第１の導波管および第２の導波管よりは低い屈折率を有する。

【0059】

第３の態様の第５の実装形態に従う方法の第６の実装形態では、当該クラッディングは下方クラッディング層と上方クラッディング層を含み、当該クラッディング層は第１の導波管を挟み、充填トレンチが完全に当該上方クラッディング層内で提供され、それぞれ第１の導波管と第２の導波管のテーパ・エンドの間に配置される。

【0060】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の以前の実装形態の何れかに従う方法の第７の実装形態では、第２の導波管および／または第１の導波管は１．８以上の屈折率を有し、クラッディングは１．５以下の屈折率を有する。

【0061】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の以前の実装形態の何れかに従う方法の第８の実装形態では、第１の導波管および第２の導波管のテーパ・エンドは、大よそ２００乃至８００μｍの長さにわたって大よそ０．４乃至１μｍの幅から大よそ０．１乃至０．２μｍの幅に先細りする。

【0062】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の以前の実装形態の何れかに従う方法の第９の実装形態では、中間導波管は大よそ２μｍ乃至４μｍの幅を有し、かつ／または第１の導波管および第２の導波管はそれぞれ大よそ０．２乃至１μｍの幅および大よそ０．０５乃至０．４μｍの厚さを有し、かつ／または第１の導波管と第２の導波管の間の距離は大よそ２乃至４μｍ、好ましくは大よそ３μｍである。

【0063】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の以前の実装形態の何れかに従う方法の第１０の実装形態では、第２の導波管および／または第１の導波管は窒化ケイ素から作られている。

【0064】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の以前の実装形態の何れかに従う方法の第１１の実装形態では、第１の導波管および第２の導波管は１つのチップに属し、第２の導波管は当該チップの表面の近くまたは当該チップの表面の上で提供される。

【0065】

第３の態様自体に従う方法または第３の態様の第１乃至第１０の実装形態の何れかに従う方法の第１２の実装形態では、第１の導波管は第１のチップに属し、第２の導波管は第２のチップに属し、第２のチップは第１のチップに転写印刷されている。

【0066】

第３の態様に従う方法およびその実装形態は、第１の態様の導波管構造およびその夫々の実装形態と同一の利点および技術的効果を実現する。

【0067】

本願で説明する全ての装置、要素、ユニットおよび手段をソフトウェアまたはハードウェア要素またはそれらの任意の種類の組合せで実装できることに留意されたい。本願で説明する様々なエンティティにより実施される全てのステップならびに当該様々なエンティティにより実施されるとして説明される機能は、夫々のエンティティが夫々のステップおよび機能を実施するように適合または構成されることを意味するものである。以下の特定の実施形態の説明において、外部エンティティにより完全に生成される具体的な機能またはステップが当該具体的なステップまたは機能を実施する当該エンティティの特定の詳細な要素の説明において反映されていないとしても、これらの方法および機能を夫々のソフトウェアまたはハードウェア要素、またはそれらの任意の種類の組合せで実装できることは当業者には明らかである。

【0068】

本発明の上述の態様および実装形態を、添付図面と関連して特定の実施形態の以下の説明において説明する。

【図面の簡単な説明】

【0069】

【図1】本発明の基本実施形態に従う導波管構造を示す図である。

【図2】チップ内の、本発明の第１の特定の実施形態に従う導波管構造を示す図である。

【図3】チップ内の、本発明の第２の特定の実施形態に従う導波管構造を示す図である。

【図4】本発明の第１の特定の実施形態に従う導波管構造を両方とも有する２つのチップ間の光チップ間結合を示す図である。

【図5】本発明の第１の特定の実施形態に従う導波管構造に対する適用シナリオを示す図である。

【図6】本発明の第２の特定の実施形態に従う導波管構造に対する適用シナリオを示す図である。

【図7】本発明の第１の特定の実施形態に従う導波管構造に対する適用シナリオを示す図である。

【図8】本発明の第２の特定の実施形態に従う導波管構造に対する適用シナリオを示す図である。

【図9】本発明の第１の特定の実施形態に従う導波管構造のシミュレーション結果を示す図である。

【図10】本発明の第２の特定の実施形態に従う導波管構造のシミュレーション結果を示す図である。

【図11】本発明の１実施形態に従うフリップ・チップ接着および導波管構造を用いた光チップ間結合方式のシミュレーション結果を示す図である。

【図12】本発明の１実施形態に従うフリップ・チップ接着および導波管構造を用いた光チップ間結合方式のシミュレーション結果を示す図である。

【図13】本発明の１実施形態に従うフリップ・チップ接着および導波管構造を用いた光チップ間結合方式のシミュレーション結果を示す図である。

【図14】本発明の１実施形態に従う方法の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0070】

図１は本発明の基本実施形態に従う導波管構造１００を示す。特に、図１は、（ａ）で導波管構造１００の側面図を示し、（ｂ）で同一の導波管構造１００の上面図を示す。導波管構造１００は第１の導波管１０１を含む。第１の導波管１０１はクラッディング１０２に組み込まれている。クラッディング１０２は、第１の導波管１０１の材料より低い屈折率を有する材料から作製されている。第１の導波管１０１の材料は例えば、ＳｉＮまたはＳｉである。クラッディング１０２の材料は例えばＳｉＯ２である。クラッディング１０２が単一のクラッディング層であってもよく、または幾つかのクラッディング層、例えば第１の導波管１０１を挟む下方クラッディング層と上方クラッディング層から構成してもよい。クラッディング１０２を、基板、例えば、シリコン基板に提供してもよい。

【0071】

導波管構造１００はまた第２の導波管１０３を含む。第２の導波管１０３は、好ましくはその延伸方向に直角な方向に、第１の導波管１０１から離れている。当該２つの導波管１０１および１０３が同一の延伸方向を有し、互いに対して実質的に平行でもあることが好ましい。第２の導波管１０３をクラッディング１０２に組み込んでもよく、または、クラッディング１０３の上端に提供してもよい。第２の導波管１０３は、クラッディング１０２の材料より高い屈折率を有する材料から作製されている。その屈折率がさらに第１の導波管１０１の屈折率と同じかまたは異なって（低いかまたは高いかの何れか）もよい。第２の導波管１０３を例えばＳｉＮまたはＳｉから作製してもよい。第２の導波管材料および／または第１の導波管材料が１．８以上の屈折率を有し、クラッディング材料が１．５以下の屈折率を有することが好ましい。これは、第１の導波管１０１と第２の導波管１０３がクラッディング１０２に関して中程度または高程度の屈折率コントラストであるのが好ましいことを意味する。

【0072】

導波管構造１００はさらに中間導波管１０４（図１の点線）を含む。中間導波管１０４（図１の点線）は、少なくとも部分的に第１の導波管１０１と第２の導波管１０３の間に配置される。中間導波管１０４は、例えば、クラッディング１０２の一部により形成され、または、例えば、クラッディング１０２の一部の内部で形成される。中間導波管１０４は光を第１の導波管１０１から第２の導波管１０３に伝送するように設計および適合されている。

【0073】

この目的のため、図１の（ｂ）から分かるように、第１の導波管１０１と第２の導波管１０３の両方はそれぞれテーパ・エンド１０１ｅと１０３ｅを含む。これらのテーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅは光を中間導波管１０４と交換するように適合される。即ち、光を、好ましくは断熱的に、中間導波管１０４におよび／または中間導波管１０４から結合するように設計される。したがって、光を、中間導波管１０４を介して、１ｄＢ未満の非常に低い損失で第１の導波管１０１と第２の導波管１０３の間で伝送することができる。

【0074】

図１に示すように、２つの導波管１０１および１０３が共通の延伸方向を有してもよい。中間導波管１０４およびテーパ・エンド１０１ｅおよび１０４ｅは特に、大よそ５００μｍ以下の導波管１０１および１０３の延伸方向で遷移長にわたって第１の導波管１０１と第２の導波管１０３の間で光を伝送するように設計される。この目的のため、好ましくはテーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅが、導波管１０１および１０３の延伸方向で（即ち、上から見たとき。図１の（ｂ）を参照）５００μｍ以下だけ、好ましくは大よそ４００μｍ以下だけ、より好ましくは大よそ３００μｍ以下だけ重なり合う。

【0075】

図２は本発明の第１の特定の実施形態を示し、図１に示す基本実施形態を基に構成されている。図２に示す実施形態は「片持ち梁結合器」を使用し、これは、中間導波管１０４（図２の点線）が片持ち梁風の構造を有するクラッディング１０２の一部により形成されることを意味する。図２に示すように第２の導波管１０３がさらに表面導波管であることが好ましい。当該実施形態に関して示されるように、導波管構造１００を基板２０５上に提供してもよい。

【0076】

中間導波管１０４の片持ち梁風の構造は図２の（ｂ）において良く理解することができる。当該片持ち梁風の構造を、クラッディング１０２が第１の導波管１０１を囲む水平距離を制限することによって、即ち、第１の導波管１０１に水平なクラッディング１０２の一部を、少なくとも専用結合領域で除去することによって、形成することができる。特に、当該専用結合領域で第１の導波管１０１を囲むクラッディング１０２は、図２（ｂ）に示すように、好ましくは１乃至５μｍ、より好ましくは３μｍの幅Ｗｃに狭められる。

【0077】

図２に示すように、第１の導波管１０１のテーパ・エンド１０１ｅを片持ち梁風の構造に組み込んでもよい。テーパ・エンド１０１ｅはさらに、上から見たとき、第２の導波管１０３のテーパ・エンド１０３ｅと重なり合う。第２の導波管１０３は、クラッディング１０２の片持ち梁風の構造の表面にまたは当該表面の近くに提供される。当該片持ち梁風の構造の少なくとも一部はしたがって、それぞれ、２つのテーパ・エンド１０１ｅと１０３ｅの間に配置される。さらに、特定の領域（図２の参照符号２０６）において、光が中間導波管１０４から基板２０５に漏れるのを回避するために当該基板を除去してもよい。

【0078】

図２に示すように、片持ち梁風の構造が、クラッディング１０２より屈折率が低い材料２０６、好ましくはポリマ材料に少なくとも部分的に組み込まれるかまたはそれにより囲まれることが好ましい。材料２０６は特に基板とクラッディングを置き換え、ウェハを平坦化するのを支援する。当該基板および当該クラッディングは中間導波管の周囲で除去されている。

【0079】

第１の特定の実施形態の導波管構造１００の利用において、まず光が、第１の導波管１０１、例えば、シリコンまたは中程度の屈折率コントラストの導波管から、クラッディング１０２により形成された片持ち梁風の中間導波管１０４に結合される。次いで、光をさらに第２の導波管１０３、例えば、ウェハ表面上の薄膜媒体または高屈折率コントラストの導波管に結合することができる。

【0080】

図３は本発明の第２の特定の実施形態を示し、図１に示す基本実施形態を基に構成されている。当該実施形態では「バック・エンド・オープン」を使用する。これは、トレンチがプロセスの流れの後半部分または「バック・エンド」でオープンであることを意味する。次いで、当該トレンチが適切な材料で充填される。その結果、中間導波管１０４（図３の点線）が、クラッディング１０２の一部において、即ち充填トレンチにより形成される。図３（ａ）に示すように、第２の導波管１０３が表面導波管であることが好ましい。当該実施形態に関して図３（ａ）に示すように、当該導波管構造を基板２０５上で提供してもよい。

【0081】

導波管構造１００の製造プロセスの終了に向かって、クラッディング１０２は、トレンチを形成するために部分的に専用結合領域内で除去される。クラッディング１０２が下方クラッディング層１０２ｌと上方クラッディング層１０２ｕを含むのが好ましい。クラッディング層１０２ｌおよび１０２ｕは第１の導波管１０１を挟み、トレンチが主に（または図３に示すように完全に）上方クラッディング層１０２ｕ内において提供される。当該トレンチはさらに、少なくとも部分的にそれぞれ第１の導波管１０１および第２の導波管１０３のテーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅの間に配置されるのが好ましい。特に、上方クラッディング層１０２ｕは部分的に除去されており、第１の導波管１０１のコア材料、例えば、シリコンまたは中程度の屈折率コントラストの導波管コアを露出する。上方クラッディング層１０２ｕを除去するためのエッチ・ステップを実行してもよい。エッチ停止層は、第１の導波管１０１のちょうど上に前もって蒸着されている。当該層でのエッチングを停止した後、当該エッチ停止層自体が除去される。

【0082】

トレンチは、ラッディング１０２より幾分高い屈折率を有する材料（例えば、ＳｉＯＮまたはポリマ）で充填される。次いで、第２の導波管１０３が、例えば、薄膜表面導波管として定義される。最終的な構造では、中間導波管１０４はしたがって、クラッディング１０２内で提供される充填トレンチを通じて形成される。トレンチ充填材料の屈折率はクラッディング１０２より高いが、それぞれ第１の導波管１０１および第２の導波管１０３よりは低い。

【0083】

第２の特定の実施形態の導波管構造１００の利用において、光が中間導波管１０４を介して第２の導波管１０３に伝送される。当該実施形態に関して説明するアプローチは、クラッディング１０２の下、例えば、専用結合領域で基板２０５を除去する必要性を回避する。しかし、中間導波管１０４が、基板２０５に対する光損失を防ぐのに十分なほど高い屈折率を有するのが好ましい。

【0084】

図４は、チップ間結合に対する第１の特定の実施形態に従う導波管構造１００の例示的な利用を示す。しかし、第２の特定の実施形態に従う導波管構造１００を同じ方法で使用することができる。

【0085】

第１の導波管１０１、第２の導波管１０３、および中間導波管１０４（図４の点線）を含む導波管構造１００はこの場合、第１のチップ４００の一部である。第２の導波管１０３は当該チップの表面に提供され、第１の導波管１０１はチップ４００に組み込まれる。即ち、導波管構造１００は、中間導波管１０４を介して当該チップの表面に光をもってくるように機能する。次いで、チップ間結合を、別の類似または同一のチップ４０１を反転することによって、および、第２の導波管１０３を夫々のチップ表面上に正しく整列することによって、実現することができる。

【0086】

チップ４００および４０１の両方が同一であることができ、または、異なる材料系から作製することができる。例えば、第１のチップ４００がＳｉおよびＳｉＮに基づいてもよく、第２のチップ４０１はＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ材料系を利用する。２つのチップ４００および４０１間の任意のギャップが、クラッディング１０２と同様な屈折率をもつ材料４０２で充填されることが好ましい。例えば、チップ４００のクラッディング１０２がＳｉＯ２である場合、材料４０２の屈折率は大よそ１．４４５であるべきである。

【0087】

図５はチップ間結合に対する別の具体的な適用例を示し、第１の特定の実施形態に従う導波管構造１００に関して例示的に示されている。この実施例は、例えば、高品質のＳｉＮ導波管を用いることによって製造された導波管構造１００および１つまたは複数のパッシブ装置を含む第１のチップ５００を必要とする。かかるパッシブ装置は、シリコン導波管を用いて製造されたものに対してかなり高い性能を有する。即ち、第１のチップ５００をＳｉＮ ＰＩＣと称することができる。

【0088】

モノリシックに第１のチップ５００を（ＳＯＩまたはＩＩＩ−Ｖ材料系の何れかでの）１つまたは複数のアクティブ装置と統合するのではなく、１つまたは複数のアクティブ装置を、チップ間結合を用いて第１のチップ５００と統合してもよい。これは本発明の導波管構造１００により可能となる。

【0089】

特に、図５に示すアクティブ装置は導波管検出器５０２である。導波管検出器は３０ＧＨｚを超えるために不可欠である。例えば、ＳＯＩ上に製造されたＧｅ導波管検出器は容易に必要な帯域幅を得ることができる。本発明の導波管構造１００は、かかる導波管検出器５０２を低損失で第１のチップ５００（即ち、ＳｉＮ ＰＩＣ）に結合する単純な可能性を提供する。この目的のため、導波管検出器５０２は、同様な導波管構造１００を第１のチップ５００として含む、第２の物またはチップ５０１に組み込まれる。導波管構造１００を結合することによって、導波管検出器５０２を第１のチップ５００に結合することができる。

【0090】

標準的なフリップ・チップ技術を、２つのチップ５００および５０１を取り付け、結合するために使用することができる。同様なアプローチは、変調器または他のアクティブ装置に対して有効である。

【0091】

図６は、チップ間結合に関する別の具体的な適用例を示し、第２の特定の実施形態に従う導波管構造１００に関して例示的に示されている。フリップ・チップの代わりに、転写印刷をこの実施例に用いる。

【0092】

特に、検出器６０２または検出器アレイ、例えば、Ｇｅ導波管検出器を含む転写印刷層６０１を第１のチップ６００に提供する。第１のチップ６００が再びＳｉＮ ＰＩＣであってもよい。転写印刷層６０１は、第１のチップ６００の導波管構造１００に接続された少なくとも１つの導波管６０３を含む。

【0093】

転写印刷は特にＳＯＩアクティブ装置に対して良く使用することができる。かかるＳＯＩアクティブ装置に対して、ＳＯＩ処理が完了すると、転写印刷技術は、上面層を元のシリコン基板とアンダークラッド酸化物から解放することができる。解放された層が、任意のアクティブ装置（例えば、検出器、レーザ、変調器またはヒータ）を含んでもよい。次いで当該層を、第１のチップ６００の導波管構造１００に結合するための少なくとも１つの導波管６０３が提供された物または第２のチップ６０１に転送してもよい。

【0094】

光を中間導波管１０４（本例では、トレンチ充填によって形成された中間導波管１０４）から第２のチップ６０１の導波管６０３に直接結合できるので、図６に示した第１のチップ６００に対して、チップ表面上の中間導波管１０４（図６の点線）の上に提供された第２の導波管１０３は実際には任意であることに留意されたい。導波管６０３は第１のチップ６００に転写印刷される。この場合、本発明の導波管構造１００は実際には２つのチップ６００および６０２にわたる。即ち、導波管構造１００は、第１のチップ６００に属する第１の導波管１０１および中間導波管１０４と、第２のチップ６０２に属する第２の導波管６０３を含む。第２のチップ６０２は第１のチップ６００に転写印刷されている。

【0095】

図７および８は、レーザに対して好適な具体的な例を示す。図７は、具体的には高屈折率コントラストの第１の導波管１０１、中間導波管１０４（図７の点線）、および第２の導波管１０３を含むモノリシックに統合された導波管構造１００を有するレーザ・チップ７００を示す。かかるレーザ・チップ７００を生成する１つの方法は、レーザ装置７０１またはレーザのアレイをシリコン基板７０３に形成するために不均一統合を使用するものである。導波管構造１００の導波管１０１および１０３はシリコンまたはＳｉＮから作製されている。

【0096】

図８に示すように、導波管構造１００は、フリップ・チップ技術を用いて、光をレーザ・チップ７００から別のチップ８００、例えば、ＳｉＮ ＰＩＣに伝送するために使用される。光をレーザ・チップ７００の第１の導波管１０１から直接第２のチップ８００の中間導波管１０４（図８の点線）に結合できるので、レーザ・チップ７００内の導波管構造１００の第２の導波管１０３は任意である。しかし、レーザ・チップ表面上の第２の導波管１０３の利用により、２つのチップ７００および８００の間の整合が容易になり、整合許容値が改善する。さらに、２つのチップ７００および８００の間で許容される空間が増大する。

【0097】

クラッディング１０２、例えば、第２のチップ８００の二酸化ケイ素の上方クラッディングと下方クラッディングが除去される。レーザ・チップ７００はフリップ・チップ接着される。これにより、レーザ７０１の冷却を支援する効率的な熱経路がもたらされる。さらに、基板／クラッディングインタフェースのステップが基準を提供する。当該基準により、２つのチップ７００および８００の結合が効率的に動作するために正しい高さでレーザ・チップ７００またはレーザのアレイをフリップ・チップするのが容易になる。

【0098】

結合損失は、特に断熱結合を使用するとき、代替的な従来の端結合アプローチより少ない屈折をもたらす。図８に提供する結合アプローチはさらに非密封環境と互換である。

【0099】

以下で、上述の導波管構造およびチップ間結合方式に関するシミュレーション結果を提供する。

【0100】

図９は、第１の特定の実施形態の導波管構造１００における結合、特にＳｉＯ２片持ち梁タイプの中間導波管１０４（図９の点線）によりＳｉＮ第１の導波管１０１から第２の表面ＳｉＮ導波管１０３に結合することに関するシミュレーション結果を示す。導波管構造１００を図２に示し、より具体的には図９の（ａ）に示す。

【0101】

即ち、第１の導波管１０１は第２の導波管１０３から距離ｄだけ離れている。距離ｄはしたがって中間導波管１０４の厚さに対応する。距離ｄは好ましくは大よそ２乃至４μｍであり、より好ましくは大よそ３μｍである。第１の導波管１０１は厚さｔ１を有し、０．０５乃至０．４μｍの範囲にあることが好ましく、第２の導波管１０３は厚さｔ２を有し、ｔ１と同一の範囲にあることが好ましい。第１の導波管１０１のテーパ・エンド１０１ｅは好ましくは０．４乃至１μｍの範囲で導波管の幅ｗ１から、好ましくは０．１乃至０．２μｍの範囲でテーパ・エンドの幅ｗｔ１に先細る。当該先細りは（好ましくは線形に）長さｌ１にわたって生じ、それが２００乃至８００μｍの範囲であることが好ましい。第２の導波管１０３のテーパ・エンド１０３ｅは、好ましくはｗ１と同一の範囲で導波管幅ｗ２から、好ましくはｗｔ１と同一の範囲でテーパ・エンド幅ｗｔ２に、好ましくはｌ１と同一の範囲で長さｌ２にわたって（好ましくは線形に）先細る。テーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅは長さＯＬにわたって重なり合う。長さＯＬは、好ましくは５００μｍ以下、さらにより好ましくは大よそ４００μｍ以下、最も好ましくは大よそ３００μｍ以下である。

【0102】

得られたシミュレーション結果を図９の（ｂ）に示す。ｘ軸は遷移長を示し、それにわたって光が伝送され（テーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅの重複の長さを示す）、ｙ軸は伝送された（即ち、２つの導波管１０１および１０３の間で結合された）光の割合（０、即ち、光無しから１、即ち、光の全部まで）を示す。当該結果は、ＴＥモードおよびＴＭモードの両方の光を大よそ５００μｍの遷移長で導波管１０１と１０３の間で効率的に伝送できることを示す。

【0103】

図１０は、第２の特定の実施形態の導波管構造１００における結合、特に、ＳｉＯＮトレンチ中間導波管１０４（図１０の点線）によるＳｉＮの第１の導波管１０１から第２の表面ＳｉＮ導波管１０３への結合に対するシミュレーション結果を示す。導波管構造１００は図３に示され、より具体的には図１０の（ａ）に示されている。

【0104】

即ち、第１の導波管１０１は、第２の導波管１０２から１．５の屈折率を有する充填トレンチだけ離れており、中間導波管１０４を形成する。第１の導波管１０１は再度ｔ１の厚さを有し、第２の導波管１０３は再度ｔ２の厚さを有する。第１の導波管１０１のテーパ・エンド１０１ｅは再度、導波管の幅ｗ１からテーパ・エンドの幅ｗｔ１に先細りする。第２の導波管１０３のテーパ・エンド１０３ｅは再度、導波管の幅ｗ２からテーパ・エンドの幅ｗｔ２に先細りする。ｔ１、ｔ２、ｗ１、ｗｔ１、ｗ２およびｗｔ２の値が図９に関して上述したのと同じ範囲にあるのが好ましい。充填トレンチ中間導波管１０４の幅はＷとして示され、２μｍ乃至４μｍの範囲にあることが好ましい。

【0105】

当該シミュレーションの結果を図１０の（ｂ）に示す。これは、ＴＥモードおよびＴＭモードの両方の光が大よそ５００μｍの遷移長で非常に低い損失で上手く伝送されることを示す。

【0106】

光を第１の導波管１０１から第２の導波管１０３に伝送することに加えて、チップ間結合は、２つの異なるチップの第２の（好ましくは表面）導波管１０３の間での光伝送も必要とする。かかる伝送は図１１の（ａ）に示す構造を用いてシミュレートされている。

【0107】

特に、光を第１のチップから第２のチップに伝送するために、当該２つのチップ間のギャップが、当該チップの導波管１０３（図４を参照）より低い屈折率、例えば、（硬化されたとき）熱酸化物に近い屈折率を有するスペーサ材料４０２（例えば、エポキシ）で充填されることが好ましい。図１１は、ＳｉＮ表面導波管１０３およびＳｉＯ２スペーサ４０２を厚さＤの間でそれぞれ有する２つのチップの間のそのような結合を示す。厚さＤは例えば１μｍに選ばれる。導波管１０３は両方ともｔ２の厚さを有し、両方とも、導波管の幅ｗ２からテーパ・エンドの幅ｗｔ２に先細りするテーパ・エンド１０３ｅを有する。ｔ２、ｗ２およびｗｔ２の値が図９に関して上述したのと同じ範囲にあるのが好ましい。スペーサ４０２は２つの導波管１０３の間で中間導波管１０４として動作し、その結果、２つの導波管１０３とスペーサ４０２により形成された中間導波管とは本質的に一体となって、本発明に従う導波管構造１００を構成する。

【0108】

当該シミュレーションの結果を図１１の（ｂ）に示す。当該結果は、整合許容値に依存して２００乃至３００μｍのみの遷移長で光を伝送できることを示す。即ち、図１１（ｂ）の左側に示すように、２つのチップの完全整合に対しては２００μｍの遷移長で十分であり、当該２つのチップの間の１μｍの不整合に対しては、３００μｍの遷移長で十分である。

【0109】

同様に、図１２の（ａ）の導波管構造１００で示すように、２つのチップの間のギャップ／スペーサ４０２が例えば０．５μｍの厚さＤに削減された場合、図１２の（ｂ）に示すように当該チップ間に１μｍの不整合があっても、遷移長が２００μｍ未満であってもよいことが図１２で示されている。

【0110】

図１３は、第２の特定の実施形態の導波管構造１００における結合、特にＳｉＯＮトレンチ中間導波管１０４（図１３の点線）による第１のＳｉＮ導波管１０１から第２の転写印刷されたシリコン導波管１０３への結合に対するシミュレーション結果を示す。導波管構造１００は（第２の導波管１０３は転写印刷層に属するが）図３に示されており、より具体的には図１３の（ａ）に示されている。

【0111】

即ち、第１の導波管１０１は、第２の導波管１０３から１．５５の屈折率を有する充填トレンチだけ離れており、中間導波管１０４を形成する。第１の導波管１０１は再度厚さｔ１を有し、第２の導波管１０３は再度ｔ２の厚さを有する。第１の導波管１０１のテーパ・エンド１０１ｅは導波管の幅ｗ１から例えば、長さｌ１にわたってテーパ・エンドの幅ｗｔ１に先細りする。第２の導波管１０３のテーパ・エンド１０３ｅは導波管の幅ｗ２から例えば、長さｌ２にわたってテーパ・エンドの幅ｗｔ２に先細りする。ｔ１、ｔ２、ｗ１、ｗｔ１、ｗ２、ｗｔ２、ｌ１およびｌ２の値が図９に関して上述したのと同じ範囲にあるのが好ましい。

【0112】

中間導波管１０４を形成する充填トレンチがテーパ・エンドを有することができること、即ち、中間導波管１０４が図１３の（ａ）に示すように導波管１０１および１０３の周囲に可変幅を水平に有することができることに留意されたい。

【0113】

第２のチップを第１のチップに転写印刷する場合に、第２のチップは第１のチップの中間導波管１０４と密着し、第２のチップの導波管は導波管構造１００の第２の導波管１０３として機能することに留意されたい。

【0114】

当該シミュレーションの結果を図１３の（ｂ）に示す。このケースはＴＥモードに対してのみ最適化されていることが分かる。この場合、当該チップの間で１μｍの不整合があっても、合計で６００μｍの遷移長で十分である。

【0115】

図９乃至１３に示すシミュレーションは、本発明の導波管構造１００により、中間導波管１０４を介して５００μｍ未満の長さで光を第１の導波管１０１（または１０３）から第２の導波管１０３に効率的に伝送できることを示す。光を、３００μｍの遷移長にわたって（１μｍのギャップで）２つのチップの間で伝送することができ、１μｍの不整合すら許容される。当該２つのチップの間のギャップを０．５μｍ以下で制御できる場合には、当該長さを２００μｍに削減することができる。

【0116】

転写印刷技術を用いて、光を、第１のチップ内の第１の導波管１０１から第２の転写印刷チップ内の第２の導波管１０に７００μｍ未満で伝送することができる。

【0117】

図１４は、本発明の１実施形態に従う方法１４００の流れ図を示す。当該方法の第１のステップ１４０１では、テーパ・エンド１０１ｅを有する第１の導波管１０１が形成され、第２のステップ１４０２で、第１の導波管より低い屈折率１０１のクラッディング１０２に組み込まれる。第３のステップ１４０２で、テーパ・エンド１０３ｅを有する第２の導波管１０３が第１の導波管１０１から離れて形成される。さらに、第４のステップ１４０４で、中間導波管１０４が形成される。中間導波管１０４の少なくとも一部が第１の導波管１０１と第２の導波管１０３の間に形成される。第１の導波管１０１および第２の導波管１０３のテーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅを形成するとき、テーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅはそれぞれ、中間導波管１０４へおよび／または中間導波管１０４から光を結合するために設計されている。テーパ・エンド１０１ｅおよび１０３ｅにより、光を特に当該中間導波管と断熱的に交換することができる。

【0118】

本発明により、新たな結合方式が提供された。これは特にチップ間結合に対して適切である。様々な機能に関して最適化されたチップ、例えば、パッシブ光機能に対するＳｉＮ導波管チップ、レーザに対するＩＩＩ−ＶＩｎＰ、高速変調器／検出器に対するＳＯＩチップを、低い光結合損失で共に容易に結合することができる。本発明の結合方式は従来のＣＭＯＳ技術と互換である。

【0119】

本発明を、例として様々な実施形態ならびに実装と関連して説明した。しかし、図面、本開示、および添付の諸請求項の教示事項から、当業者は他の変形を理解し実施でき、クレームした発明を実施することができる。特許請求の範囲ならびに明細書において「含む」という用語は、他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除しない。単一の要素または他のユニットが、特許請求の範囲に記載した幾つかのエンティティまたは項目の機能を満足してもよい。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利な実装で使用できないということは意味しない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】