特開 2022-189814 拡大された光ビームを有する集積光学素子

(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】P2022189814

(43)【公開日】2022-12-22

(54)【発明の名称】拡大された光ビームを有する集積光学素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/26 20060101AFI20221215BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20221215BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20221215BHJP

   G02B 6/34 20060101ALI20221215BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20221215BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20221215BHJP

【ＦＩ】

G02B6/26

G02B6/124

G02B6/42

G02B6/34

H01S5/183

H01S5/026 610

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022094387

(22)【出願日】2022-06-10

(31)【優先権主張番号】2106181

(32)【優先日】2021-06-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(71)【出願人】

【識別番号】502124444

【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(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】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】オリヴィエ・カスタニー

【テーマコード（参考）】

2H137

2H147

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H137AB01

2H137AB05

2H137AB06

2H137BA01

2H137BA34

2H137BA52

2H137BA53

2H137BB03

2H137BB13

2H137BC06

2H137BC10

2H137BC51

2H137BC52

2H137CA15A

2H137CA62

2H137CC02

2H137CC03

2H137EA01

2H137EA04

2H137EA06

2H147AB24

2H147BG04

2H147CA11

2H147CA13

2H147CA15

2H147CB01

2H147CC12

2H147CC13

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14B

2H147EA16D

2H147FC01

2H147FC07

2H147FD02

2H147FD15

5F173AC00

5F173MF03

5F173MF28

5F173MF38

(57)【要約】

【課題】従来技術における必要性を満たし、欠点のいくつかを少なくとも部分的に克服する集積光学素子を提案する。
【解決手段】本発明は、基本光学部品の上面に配置された透明パッドを含むことを特徴とする集積光学素子に関し、透明パッドはその上面に平面ミラーを備え、基本光学部品はその上面に収束ミラーを備え、前記平面ミラーおよび収束ミラーは、平面ミラーでの反射によっておよび収束ミラーでの反射によって透明パッドを通過することによって、光ビームが内部光ゲートと外部光ゲートとの間を伝播するように配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のいわゆる内部光ゲート（２１）と第２のいわゆる外部光ゲート（３１）との間の光ビーム（Ｆ）の伝播を確実にするように構成された集積光学素子（１）であって、
光ビーム（Ｆ）は、光軸、内部光ゲート（２１）で光ビーム（Ｆ）の光軸に対して横方向に決定される第１の表面（Ｓ_１）、および第２の光ゲート（３１）で光ビーム（Ｆ）の光軸に対して横方向に決定される第２の表面（Ｓ’）を有し、第２の表面（Ｓ’）の寸法が、第１の表面（Ｓ_１）の寸法よりも厳密に大きく、好ましくは少なくとも３倍大きく、
前記集積光学素子（１）は、前記内部光ゲート（２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）を含む基本光学部品（２０）を含み、
基本光学部品（２０）は、下面（２０１）と呼ばれる第１の面と、下面（２０１）とは反対側にある上面（２０２）と呼ばれる第２の面とを有し、
内部光ゲート（２１）は、基本光学部品（２０）の上面（２０２）を通過する軌道に沿って、それぞれ発散または収束する光ビーム（Ｆ）を放出または受け取るように構成されており、
集積光学素子（１）は、基本光学部品（２０）の上面（２０２）に配置された透明層（３０）をさらに含み、前記透明層（３０）は、基本光学部品（２０）の上面（２０２）の反対側に、上面（２０２）と平行な第３の面（３０２）を有し、前記透明層（３０）は、前記第３の面（３０２）に外部光ゲート（３１）を含み、
透明層（３０）は、第３の面（３０２）に配置され、基本光学部品（２０）の上面（２０２）と向かい合った平面ミラー（３２）を含み、基本光学部品（２０）は、透明層（３０）の第３の面（３０２）と向かい合った収束ミラー（２２、２２ａ、２２ｂ）を含み、
前記平面ミラー（３２）および収束ミラー（２２）は、平面ミラー（３２）での反射によっておよび収束ミラー（２２）での反射によって透明層（３０）を通過することによって、光ビーム（Ｆ）が内部光ゲート（２１）と外部光ゲート（３１）との間を伝播するように配置される、
集積光学素子（１）。

【請求項2】

平面ミラー（３２）が、内部光ゲート（２１）と収束ミラー（２２）との間の光ビーム（Ｆ）の軌道上に挿入され、収束ミラー（２２）が、外部光ゲート（３１）と平面ミラー（３２）との間の光ビームの軌道上に挿入される、請求項１に記載の素子。

【請求項3】

内部光ゲート（２１）が、光ビーム（Ｆ）が、内部光ゲート（２１）と平面ミラー（３２）との間および平面ミラー（３２）と収束ミラー（２２）との間で、互いに平行ではない光線を有するように構成される、請求項１または２に記載の素子。

【請求項4】

収束ミラー（２２）が、光ビーム（Ｆ）が、外部光ゲート（３１）と前記収束ミラー（２２）との間で互いに平行な光線を有するように構成される、請求項１から３の何れか一項に記載の素子。

【請求項5】

収束ミラー（２２）が、０．８．Ｌから１．２．Ｌの間の焦点距離ｆを有し、Ｌは、内部光ゲート（２１）と前記収束ミラーとの間で伝搬される光ビーム（Ｆ）の軌道の長さである、請求項１から４の何れか一項に記載の素子。

【請求項6】

内部光ゲート（２１）と平面ミラー（３２）との間の光ビーム（Ｆ）の軌道が、収束ミラー（２２）の周辺で第２の面（２０２）を通過するように構成される、請求項１から５の何れか一項に記載の素子。

【請求項7】

外部光ゲート（３１）が、平面ミラー（３２）の周辺に配置される、請求項１から６の何れか一項に記載の素子。

【請求項8】

内部光ゲート（２１）が、第２の面および第３の面（２０２、３０２）の法線方向に関して５°から２０°の間、典型的には８°の角度θを有する光軸に沿って光ビーム（Ｆ）を放出または受け取るように構成される、請求項１から７の何れか一項に記載の素子。

【請求項9】

収束ミラー（２２）が、球面または放物線状の曲面ミラー（２２ａ）、フレネルミラー、回折ミラー（２２ｂ）の中から選択される、請求項１から８の何れか一項に記載の素子。

【請求項10】

内部光ゲート（２１）が、回折ネットワーク（２１ａ）、導波路（２１ｂ）の端部に関連付けられたデフレクタミラー、光検出器（２１ｃ）、垂直共振器面発光レーザーの中から選択される、請求項１から９の何れか一項に記載の素子。

【請求項11】

透明層（３０）が、第３の面（３０２）に垂直な方向に沿って決定された、５０μｍから３００μｍの間の高さｈを有する、請求項１から１０の何れか一項に記載の素子。

【請求項12】

光ビームの第２の表面（Ｓ’）の寸法は、第１の表面（Ｓ_１）の寸法よりも少なくとも３倍、好ましくは少なくとも５倍大きい、請求項１から１１の何れか一項に記載の素子。

【請求項13】

透明層（３０）と基本光学部品（２０）との間にポリマー介在層（２０３）を含む、請求項１から１２の何れか一項に記載の素子。

【請求項14】

透明層（３０）および基本光学部品（２０）が、屈折率ｎを有するシリカ系であり、ポリマー介在層（２０３）が、０．９．ｎ≦ｎ_ｐ≦１．１．ｎであるような屈折率ｎ_ｐを有する透明ポリマー系である、請求項１３に記載の素子。

【請求項15】

ポリマー介在層（２０３）が、基本光学部品（２０）の収束ミラー（２２）および透明層（３０）の間の空間（Ｅ）を満たす、請求項１３または１４に記載の素子。

【請求項16】

透明層（３０）が、基本光学部品（２０）および収束ミラー（２２）と直接接触している、請求項１から１２の何れか一項に記載の素子。

【請求項17】

請求項１から１６の何れか一項に記載の少なくとも１つの集積光学素子（１）と、外部光ゲート（３１）と結合された光コネクタ（２）とを含むシステム。

【請求項18】

請求項１３から１５の何れか一項に記載の素子の製造方法であって、
第１の基板上に基本光学部品（２０）および収束ミラー（２２）を形成すること、および第２の基板上に透明層（３０）および平面ミラー（３２）を形成することを含み、基本光学部品（２０）上での前記透明層（３０）の追加および取付けを含み、前記取付けは、ポリマー介在層（２０３）を使用して行われる、製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の分野は、オンチップ集積フォトニクスの分野である。本発明は、より詳細には、フォトニックチップと外部デバイス、例えば、別のフォトニックチップ、光ファイバ、または一組の光ファイバとの光結合に関する。

【背景技術】

【0002】

集積光学素子、特にオンシリコンフォトニック部品は、ＰＩＣ（フォトニック集積回路）とも呼ばれ、１つの同じチップ上に多数の機能を組み合わせることができる。これらの部品において、光は、ＰＩＣ内に密に分散された機能ブロック間で、典型的には１マイクロメートル未満の幅の小さな光ガイドに送られる。

【0003】

これらの集積光学素子は、光結合によって光を交換することによって外部システムと通信することを目的としている。光結合に関連する課題は、光損失を制限することである。シングルモードの光ビームの場合、例えば光ファイバにおける結合を目的としたとき、作用する光ビームの直径が小さいことに起因して、結合は特に困難である。

【0004】

オンシリコンフォトニクスでは、ＰＩＣの平面内を輸送される光は、例えば回折ネットワークなどの専用の機能要素によって平面の外側に向けられ、典型的には垂直方向と約８°の角度をなす切断または研磨されたシングルモードファイバと結合される。

【0005】

これらの光学部品から来るシングルモード光ビームは、一般的に、１０マイクロメートルに近い直径を有する。シングルモード光ファイバとの直接結合は可能であるが、しかしながら、光ファイバを十分な結合比で配置し、光損失を制限する必要があるため、困難である。

【0006】

この配置精度を実現することは困難であり、高価かつ低速である専用の機械を使用する必要がある。結合を容易にし、位置決めの許容範囲を大きくするための解決策は、集積光学素子から出る光ビームの直径を数十ミクロンまで拡大することである。例えば、直径５０μｍの光ビームを使用すると、位置決めの許容範囲を±１０μｍに増やすことができる。位置合わせおよび位置決めの制約が緩和され、もはや高精度の機械を使用する必要がない。組み立ては、より安価でより高速な機械で続けて行うことができる。

【0007】

仏国特許出願公開第３０６６６１７号明細書は、集積光学素子が製造される基板の厚さから利益を得ることによってビームを広げることを可能にする解決策を開示している。基板はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）タイプであり、ＢＯＸ（埋め込み酸化物）と呼ばれる埋め込みシリカ層で構成されている。基板の裏の反対側のミラーは、光コネクタにより結合が与えられる前面の方向に光ビームを反射することを可能にする。ビームの自然な回折は、これが基板を通って伝播するときにビームの拡大をもたらす。したがって、基板内のビームの軌道の長さは、前面で得られるビームの寸法を決定する。その結果、前面におけるビームの直径は大幅に増加する。

【0008】

実際には、この解決策には製造が複雑であるという欠点があり、比較的高いコストが発生する。そのような集積光学素子を最適化する必要性が存在する。

【0009】

米国特許出願公開第２０２１／１６５１６５号明細書および米国特許出願公開第２０１９／２６５４２１号明細書は、ＰＩＣおよび光ファイバを平面および収束ミラーを介して結合するための解決策を開示する。このタイプの解決策では、ＰＩＣと光ファイバの組み立ての精度が非常に重要である。

【0010】

本発明の目的は、この必要性を満たし、上記の欠点のいくつかを少なくとも部分的に克服する集積光学素子を提案することである。

【0011】

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の説明および添付の図面を検討すると明らかになるであろう。他の利点を組み込むことができることが理解される。特に、集積光学素子の特定の特徴および特定の利点は、必要な変更を加えて、光学システムおよび／またはこの部品を製造するための方法に、およびその逆に適用することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】仏国特許出願公開第３０６６６１７号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０２１／１６５１６５号明細書

【特許文献3】米国特許出願公開第２０１９／２６５４２１号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0013】

この目的を達成するために、一実施形態によれば、集積光学素子が提供され、内部と呼ばれる第１の光ゲートと外部と呼ばれる第２の光ゲートとの間の光ビームの伝播を確実にするように構成される。光ビームは、典型的には、光軸、第１の光ゲートで光軸に対して横方向に決定される第１の切断面、および第２の光ゲートで光軸に対して横方向に決定される第２の切断面を有し、第２の切断面の寸法が、第１の切断面の寸法よりも厳密に大きく、好ましくは少なくとも３倍大きい。この集積光学素子は、前記内部光ゲートを含む基本光学部品を含む。

【0014】

基本光学部品は、下面と呼ばれる第１の面と、下面とは反対側にある上面と呼ばれる第２の面とを有する。内部光ゲートは、上面を通過する軌道に沿って、それぞれ発散または収束する光ビームを放出または受け取るように構成されている。

【0015】

有利には、集積光学素子は、基本光学部品の上面に配置された透明層をさらに含む。この透明層は、基本光学部品の上面の反対側に、上面と平行な第３の面を有する。透明層は、前記第３の面に外部光ゲートを含む。

【0016】

有利には、透明層はまた、第３の面上または第３の面に配置され、基本光学部品の上面と向かい合った平面ミラーを含む。基本光学部品は、例えば、上面上または上面に配置され、透明層の前記第３の面と向かい合った収束ミラーを含む。

【0017】

有利には、平面ミラーおよび収束ミラーは、平面ミラーでの反射によっておよび収束ミラーでの反射によって透明層を通過することによって、光ビームが内部光ゲートと外部光ゲートとの間を伝播するように配置される。

【0018】

したがって、内部光ゲートが発散光ビームを放出する場合、この光ビームは、基本光学部品において上面の方向に伝播され、次に透明層に伝播される。次に、光ビームは、平面ミラーによって収束ミラーの方向に反射され、その後収束ミラーによって外部光ゲートの方向に再び反射される。光ビームは、内部ゲートと平面ミラーとの間、次に平面ミラーと収束ミラーとの間の軌道の間に、特に透明層内で拡大される。収束ミラーは典型的には、コリメータとして機能して平行光ビームを形成する。これにより、外部光ゲートでの寸法が大きくなるように光ビームを広げることができる。円形断面ビームの場合、これは、外部ゲートでの直径が内部光ゲートでの初期直径よりも大幅に大きいことを意味する。したがって、光ビームは、透明層内の通過の間、有利に拡大される。以下、この透明層は「透明パッド」とも呼ばれる。

【0019】

集積光学素子は、内部光ゲートが収束光ビームを受け取るように構成されている場合にも動作する。光の可逆性の原理によれば、外部光ゲートに入射する光ビーム、好ましくは平行ビームは、収束ミラーの方向に伝搬され、次に内部光ゲートの方向に平面ミラーに向かって反射される。この軌道を進むビームは、内部光ゲートでの最小直径が、外部光ゲートでの初期直径よりも大幅に小さくなるように狭くなる。

【0020】

本発明の展開の範囲において、仏国特許出願公開第３０６６６１７号明細書で提案された解決策は、光ビームがシリカとシリコンとの間の界面を数回通過しなければならないことを意味するように思われる。これらの材料間の強い屈折率の差は、光のかなりの部分、約１５％が反射され、その結果失われるという結果をもたらす。界面に反射防止層を導入することで、この解決策を改善できる可能性がある。ただし、技術的な理由から、この仏国特許出願公開第３０６６６１７号明細書で提案されている集積光学素子構造では、シリカとシリコンとの間の界面にこのような反射防止層を配置することは困難でありかつ費用がかかると思われる。本発明の展開の範囲で特定されたこの既知の解決策の別の欠点は、基板の背面におけるミラーの実現に関連している。これには、特に、背面においてこのミラーを製造する間、前面を保護し、その後この保護を解除することが含まれる。これにより、製造コストが増加する。本発明の展開の範囲においても特定された別の不利な点は、仏国特許出願公開第３０６６６１７号明細書によって開示される集積光学素子における基板の厚さが、所望のビーム直径とは無関係に選択できないことである。これにより、さらなる寸法の制約が生じる。

【0021】

本発明では、光ビームは基板を通過せず、それにより不都合な干渉反射を回避する。これによって、光損失を制限することができる。さらに、基板の厚さは、例えば、熱放散または電気的接続に関連する制約に従って、所望のビーム広がりとは独立して選択することができる。

【0022】

平面ミラーでの反射は、平面ミラーの横方向の平行移動、すなわち平面ミラーの平面内の平行移動の影響を受けない。したがって、基本光学部品上の透明パッドの横方向の位置決めは、２μｍを超える、さらには５μｍを超える、さらには１０μｍを超える位置決めの不正確さを許容する。その結果、透明パッドは、標準的な産業用チップ配置装置（「ピックアンドプレース」と呼ばれる装置）を使用して基本光学部品に取り付けることができ、典型的には±１０μｍの精度を提供する。これにより、このような集積光学素子の製造コストを抑えることができる。

【0023】

さらに、外部光ゲートは典型的には非標準的であり、様々な標準光コネクタと結合できる。外部光ゲートは、典型的には、第３の面の好ましくは平坦な部分の形態で示される。したがって、本発明による集積光学素子は、拡大ビームを備えた様々な光コネクタと結合することができる。その結果、集積光学素子と様々な光コネクタとの互換性が向上する。

【0024】

本発明の別の態様は、上記のような少なくとも１つの集積光学素子と、外部光ゲートと結合された光コネクタとを含むシステムに関する。本発明の別の態様は、集積光学素子の製造方法に関し、該方法は、第１の基板上に基本光学部品を形成すること、および第２の基板上に透明層および平面ミラーを形成することを含み、基本光学部品上での前記透明層の追加および取付けを含み、前記取付けは、ポリマー介在層を使用して行われる。集積光学素子の構造により、十分に隆起した基本光学部品上の透明パッドの位置決めの許容範囲が可能になる。したがって、コストおよび工業生産に関する課題については、例えば第１の生産ライン内で基本光学部品を、例えば第２の生産ライン内でそれぞれが平面ミラーを含む透明層またはパッドを、別々に製造し、次いで、典型的には接着性ポリマー層を使用してそれらを組み立てることが有利である。このような集積光学素子は、第３の生産ラインからの光コネクタと容易に結合することもできる。

【0025】

本発明の目的、対象、ならびに特徴および利点は、以下の添付の図面によって示される後者の実施形態の詳細な説明から最もよく明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の実施形態による集積光学素子を概略的に示す。

【図2】本発明の実施形態による光ビームの伝搬を概略的に示す。

【図3】本発明の実施形態による基本光学部品を概略的に示す。

【図4】本発明の別の実施形態による集積光学素子を概略的に示す。

【図5】本発明の別の実施形態による集積光学素子を概略的に示す。

【図6】本発明の別の実施形態による集積光学素子を概略的に示す。

【図7】本発明の実施形態による光相互接続システムを概略的に示す。

【図8】本発明の別の実施形態による光相互接続システムを概略的に示す。

【図9】本発明の別の実施形態による光相互接続システムを概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図面は例として与えられており、本発明を限定するものではない。それらは、本発明の理解を容易にすることを意図した主要な概略図を構成し、必ずしも実際の用途の縮尺に一致するものではない。特に、原理図では、様々な要素（部品、パッド、ミラー、コネクタなど）の寸法が必ずしも現実を表すとは限らない。

【0028】

本発明の実施形態の詳細なレビューを開始する前に、任意の特徴を以下に述べる。これは、関連して、または代替的に使用することができる可能性がある。

【0029】

一例によれば、前記平面ミラーおよび前記収束ミラーは、光ビームが、内部光ゲートを含む層を完全に通過することなく、好ましくは侵入することなく、平面ミラーと収束ミラーとの間を伝搬するように配置される。

【0030】

一例によれば、前記平面ミラーおよび前記収束ミラーは、光ビームが、透明パッドおよび場合によっては透明介在層を通過することによってのみ平面ミラーと収束ミラーとの間で伝搬されるように配置される。

【0031】

一例によれば、平面ミラーに垂直な軸に沿って突出して、収束ミラーは、内部光ゲートと外部光ゲートとの間に配置される。

【0032】

一例によれば、集積光学素子は基板を含み、基本光学部品は下面で基板によって支持される。

【0033】

一例によれば、平面ミラーは、内部光ゲートと収束ミラーとの間の光ビームの軌道上に挿入される。平面ミラーは、特に基本光学部品の上面に平行である。平面ミラーが平面でありかつ上面に平行であるため、内部光ゲートに関する配置の許容範囲を大きくすることができる。

【0034】

一例によれば、収束ミラーは、外部光ゲートと平面ミラーとの間の光ビームの軌道上に挿入される。これにより、例えば、平行光線を有する光ビームを外部光ゲートに戻すことができる。一例によれば、収束ミラーは、平行光線を有する光ビームを外部光ゲートに戻すように構成された焦点距離を有する。一例によれば、収束ミラーは、基本光学部品の上面に配置される。

【0035】

一例によれば、内部光ゲートは、光ビームが、内部光ゲートと平面ミラーとの間、および平面ミラーと収束ミラーとの間で、互いに平行ではない光線を有するように構成される。したがって、光ビームは、光ビームの伝搬方向に応じて、内部光ゲートと収束ミラーとの間の全軌道にわたって拡大または狭小化することができる。ビームは、特に、内部光ゲートから平面ミラーへの伝搬中、および平面ミラーから収束ミラーへの伝搬中に拡大することができる。

【0036】

一例によれば、収束ミラーは、光ビームが外部光ゲートと前記収束ミラーとの間で互いに平行な光線を有するように構成される。したがって、外部光ゲートから出る光ビームは平行になる。これにより、集積光学素子と他の要素、典型的には標準の光コネクタとの互換性を向上させることができる。一例によれば、収束ミラーは、０．８．Ｌから１．２．Ｌの間の焦点距離ｆを有し、Ｌは、内部光ゲートと収束ミラーとの間で伝搬される光ビームの軌道の長さである。

【0037】

一例によれば、集積光学素子は、内部光ゲートと平面ミラーとの間の光ビームの軌道が、収束ミラーの周辺にある基本光学部品の上面を通過するように構成される。その結果、部品が小型化される。

【0038】

一例によれば、外部光ゲートは平面ミラーの周辺に配置される。その結果、部品が小型化される。

【0039】

一例によれば、内部光ゲートは、第２の面および第３の面の法線方向に関して５°から２０°の間、典型的には８°の角度θを有する光軸に沿って光ビームを放出または受け取るように構成された垂直カプラである。例えば、垂直カプラは回折ネットワークにより実現され、「垂直グレーティングカプラ」とも呼ばれる回折ネットワークを有する垂直カプラを形成する。回折ネットワークは、必ずしも光軸に直交しているとは限らない。回折ネットワークは、長方形であってよく、または実質的に三角形の形状を有するか、または他のものであってよい。ネットワークからの光ビームは、必ずしもネットワークと同じ形状の断面を持っているとは限らない。光ビームは、実質的にガウス光学系で形成されており、すなわち、断面にガウス強度の分布がある。光軸は、界面での反射および／または界面通過の間、例えば部品の出口界面で、方向を変える。

【0040】

一例によれば、収束ミラーは、球面または放物線状の曲面ミラー、またはフレネルミラー、または回折ミラーの中から選択される。一例によれば、典型的には、回折収束ミラーの場合、収束ミラーは、内部光ゲートと平面ミラーとの間の中間平面に配置される。一例によれば、収束ミラーは、内部光ゲートと上面との間の中間平面に配置される。したがって、内部光ゲートは、方向ｚに垂直な第１の平面にあり、上面は方向ｚに垂直な第２の平面に沿って伸び、内部光ゲートは方向ｚに垂直な第３の平面にあり、収束ミラーは第１の平面と第３の平面との間、好ましくは第１の平面と第２の平面との間に位置する、方向ｚに垂直な中間平面にある。

【0041】

一例によれば、内部光ゲートは、回折ネットワーク、導波路の端部に関連付けられたデフレクタミラー、光検出器、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の中から選択される。このリストは網羅的なものではないため、様々な内部光ゲートが考えられる。これらの内部光ゲートは、ＶＣＳＥＬのように純粋に発光するか、光検出器またはフォトダイオードのように純粋に受容することができるか、または、発光または受容で動作する双方向の内部光ゲートであってもよい。

【0042】

一例によれば、透明パッドは、第３の面に垂直な方向の高さｈが５０μｍから３００μｍの間である。

【0043】

一例によれば、光ビームの第２の表面の寸法は、第１の表面の寸法よりも少なくとも３倍、好ましくは少なくとも５倍大きい。

【0044】

一例によれば、集積光学素子は、透明パッドと基本光学部品との間にポリマー介在層を含む。これにより、例えば、基本光学部品に適用された透明なパッドを接着することが可能になる。したがって、透明パッドは別個に製造することができる。

【0045】

一例によれば、透明パッドおよび基本光学部品はシリカ系であり、屈折率ｎを有する。

【0046】

一例によれば、ポリマー介在層は、０．９．ｎ≦ｎ_ｐ≦１．１．ｎであるような屈折率ｎ_ｐを有する透明ポリマー系である。これにより、光ビームがポリマー介在層を通過する際の干渉反射を回避することが可能になる。別の例によれば、ポリマー介在層は、１．２≦ｎ_ｐ≦１．７であるような屈折率ｎ_ｐを有する透明ポリマー系である。

【0047】

一例によれば、ポリマー介在層は、基本光学部品の収束ミラーおよび透明パッドの間の空間を満たす。これにより、例えば、透明パッドと収束ミラーとの間で様々な形状に対応することが可能になる。したがって、ポリマー介在層は、収束ミラーと透明パッドとの間の材料の連続性を保証する。透明パッドは、互いに平行な平坦な面を有してよい。これにより、透明パッドの設計が簡素化される。

【0048】

一例によれば、透明パッドは、基本光学部品および収束ミラーと直接接触している。透明パッドは、例えば、ホットラミネートされた透明ポリマーの堆積によって、基本光学部品上に直接製造することができる。この場合、透明パッドは収束ミラーの形状を成形することができる。

【0049】

非互換性を除いて、所与の実施形態について詳細に説明された技術的特徴は、必ずしも図示または説明されていない別の実施形態を形成するために、例として、かつ非限定的に説明された他の実施形態の文脈で説明された技術的特徴と組み合わせることができる。そのような実施形態は、明らかに本発明から除外されない。

【0050】

本発明の範囲において、「第１の光ゲートと第２の光ゲートとの間の光ビームの伝播を確実にする」という表現は、ビームを第１の光ゲートから第２の光ゲートに、またはその逆に、光ビームを第２の光ゲートから第１の光ゲートに送ることができることができることを意味する。光ビームは、典型的には、光の軌道または経路に沿って伝搬される。

【0051】

本発明の範囲において、「透明な」物体または材料は、物体または材料が、光ビームからの光強度の少なくとも９０％を通過させることを意味する。

【0052】

透明な層は様々な形状をとることができる。この層が有することができる形状を制限するこの表現なしで、それは透明パッドとして適したものとすることができる。したがって、透明パッドは必ずしも直方体の形状に限定されない。例えば、円柱に類似する場合、または中空または突出した凹凸がある場合が可能である。

【0053】

「反射」またはその同等物という用語は、入射光ビームの表面から、入射方向と反対の方向を有する１つまたは複数の方向に再放出する現象を指す。現行の説明では、表面は、入射光ビームの強度の少なくとも８５％を再放出すれば、反射性であるとみなされる。反射は、鏡面反射性（反射方向）または散乱性（いくつかの反射方向）であり得る。

【0054】

本発明の範囲において、「上（ｏｎ）」、「上（ｓｕｒｍｏｕｎｔｓ）」、「下（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）」、「反対（ｏｐｐｏｓｉｔｅ）」という用語およびそれらの同等物は、必ずしも「接触している」ことを意味するわけではないことが明記される。その結果、例えば、第２の層への第１の層の堆積は、２つの層が互いに直接接触していることを強制的に意味するのではなく、第１の層が、第２の層と接触するか、または少なくとも１つの他の層または少なくとも１つの他の要素によって第２の層から分離されることによって、第１の層が少なくとも部分的に第２の層を覆うことを意味する。

【0055】

さらに、層は、１つの同じ材料または異なる材料の複数の副層で構成することができる。

【0056】

材料Ａ「系」基板、要素、層とは、基板、要素、層が、この材料Ａのみ、またはこの材料Ａおよび場合によっては他の材料、例えば合金元素および／またはドーピング元素を含むことを意味する。

【0057】

軸ｘ、ｙ、ｚを含む、好ましくは正規直交マーカーが、添付の図に示されている。１つのマーカーが１つの同じ図の組で表されている場合、このマーカーはこの組のすべての図に適用される。

【0058】

本願では、高さおよび深さはｚに沿って取られている。ビームは光軸に沿って伝播し、伝播するにつれてその形状が発達する。光軸を横切る平面では、この平面内のビームの輪郭を考慮して、ビームの形状および寸法が評価される。光軸を横切る平面内のビームの輪郭は、強度が光軸上のビームの中心に対して１／ｅ^２の係数で減少するこの平面の点の位置として定義される。ｅはオイラー定数であり、約２．７１８２８に相当する。したがって、ビームの形状は、例えば、円形であり、直径によって定義され得るか、または、例えば、楕円形であり、長径および短径によって定義され得る。一般的な場合、所定の横断面におけるビームの寸法は、この平面におけるビームの輪郭の任意の２点間の最大直線寸法として構成される。所定の横断面について、ビームの「断面」または「表面」は、ビームの輪郭の内側に位置する横断面の表面として定義される。この断面または表面の「寸法」は、考慮される横断面におけるビームの寸法として定義される。

【0059】

可能性に応じて、ビームの寸法またはビームの寸法特性は、光軸に直交する平面、例えば図２の表面Ｓ_１の寸法ｄ_１として、内部光ゲートで測定される。外部光ゲートでのビームの屈折は、典型的には、透明層と外部媒体との間の界面で、光軸の方向における変化を引き起こす。この界面は「第３の表面」と呼ばれる。したがって、外部光ゲートでビームの寸法を測定するためのいくつかの可能性が存在する。ビームの寸法またはビームの寸法特性は、外部光ゲートで、集積光学素子の外側の光軸に直交する平面内で測定することができ、例えば、図２の表面Ｓ’の寸法ｄ’であり、または、集積光学素子の透明層内の光軸に直交する平面内で測定することができ、例えば、図２の表面Ｓの寸法ｄである。別の可能性によれば、ビームの寸法またはビームの寸法特性は、外部光ゲートで、第３の表面の平面内で測定される。したがって、「断面」または「横断面」は、必ずしもこの断面または表面が光軸に直交していることを意味するわけではない。

【0060】

「上（ｏｎ）」、「上（ｓｕｒｍｏｕｎｔｓ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」などの相対的な用語は、ｚ方向に取られる位置を指す。この用語のリストは網羅的ではない。その他の関連する用語は、添付の図面を参照することにより、必要に応じて容易に特定することができる。

【0061】

別の要素「に（で）（ａｔ）」配置された要素とは、この要素をこの別の要素の上またはすぐ近くに配置することを意味する。典型的には、第３の面に配置された平面ミラーとは、平面ミラーがこの第３の面に直接あるか、または例えば第３の面の下の透明層中に、前記透明層の厚さの最大２０％の深さで封入されることによって、この第３の面に対してわずかにずれることを意味する。「ａｔ」は、位置決めの許容誤差が許されることを示す。この許容範囲は、図面に示されている理想的な位置に関して約２０％である。

【0062】

「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ、ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ）」という用語は、ｚに沿った方向を指す。「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ、ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ）」という用語は、平面ｘｙの方向を指す。用語「横方向」という用語は、これが動きまたは位置決めに関連する場合、平面ｘｙ内の方向も指す。

【0063】

別の要素の「垂直方向に位置合わせされて」または「の右側に」配置された要素は、これら２つの要素が両方とも図において垂直方向に向けられた１つの同じ線上に配置されていることを意味する。

【0064】

集積光学素子の様々な実施形態を以下に説明し、図１～９に示す。この光学部品の原理は、内部光ゲート（ビームの寸法特性が縮小される）と外部光ゲート（ビームの寸法特性が拡大される）との間の光ビームの寸法を変更することである。拡大された特性寸法は、好ましくは、縮小された特性寸法の３倍よりも大きく、好ましくは５倍よりも大きい。ビームの寸法特性は、典型的には、直径、または楕円の長い軸または短い軸である場合がある。以下では、わかりやすくするために、「直径」を単に参照して、この特徴的な寸法を意味する。光ビームの波長λは典型的には、約１．３μｍまたは１．５μｍである。

【0065】

本発明による集積光学素子１の第１の例を図１に示す。

【0066】

集積光学素子１は、基板１０によって運ばれる基本光学部品２０を含む。基本光学部品２０は、内部光ゲート２１を備える。それは、下面２０１および上面２０２を有する。

【0067】

この基本光学部品２０は、典型的には、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）タイプの基板から形成されたチップまたはオンシリコンフォトニック部品であり得る。このようなＳＯＩ基板は、典型的には、ｚに沿ったスタックとして、いわゆる「バルク」シリコン固体基板上の、例えば厚さ８００ｎｍのいわゆる埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層上に、例えば厚さ３００ｎｍのｔｏｐＳｉと呼ばれる薄いシリコン層を含む。ここでバルクシリコンは、基本光学部品２０の支持基板１０を形成する。ＢＯＸとバルクとの間の界面は、基本光学部品２０の下面２０１に対応する。

【0068】

ｔｏｐＳｉ層は、典型的には、フォトニック要素、例えば１つまたは複数の導波路２１’を形成するように構造化される。基本光学部品２０は、光電気光学変調器、例えばシリコンゲルマニウム（ｏｎ－ｓｉｌｉｃｏｎ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ）で作られたフォトダイオード、フィルタリングまたはルーティング機能、および様々なフォトニック要素を制御するための金属導電体２５などの様々な機能を含むことができる。

【0069】

すべてのフォトニック要素および電気要素は、典型的には、シリカのような絶縁性かつ透明な誘電物質系の封入層２３に封入される。以下では、封入層２３はシリカで形成されており、屈折率としてｎ＝１．４５を有するとみなす。

【0070】

図示されていない可能性によれば、他のタイプの基本光学部品２０、例えば、材料ＩＩＩ－ＶまたはＩＩ－ＶＩから製造された回路も考慮することができる。

【0071】

図１に示される例では、ｔｏｐＳｉ層は、回折ネットワーク２１ａを形成するために、導波路２１’の端部に構造化されている。この回折ネットワーク２１ａは、ここで内部光ゲート２１を形成する。それは上向きに配向され、すなわち、上面２０２を通して光ビームＦを放出または受信する垂直カプラとして構成される。回折ネットワーク２１ａは、光の方向において出力ゲートとしてまたは入力ゲートとして見ることができる。ここで、それは双方向の内部光ゲート２１を形成する。

【0072】

光ビームＦの光軸に沿って、ビームの形状および寸法が変化する。以下の説明では、ビームの形状は対称面ｘｚを持つ円形または楕円形であるとみなされる。楕円ビームの場合、「直径」という用語は、対称面ｘｚに位置する楕円の直径を意味する。

【0073】

光ビームＦは、典型的には、Ｓ_１で参照される内部光ゲート２１に縮小された寸法の第１の断面を有する。この断面は、円形または楕円形の場合、典型的には、図２で参照される平面ｘｚ内の直径ｄ_１を有する。この縮小直径ｄ_１は、内部光ゲート２１でのものである。この縮小直径ｄ_１は、例えば約９μｍである。図１に示されるように、光ビームＦは、典型的には、垂直に対して約８°の角度θで上向きに向けられる。

【0074】

基本光学部品２０はまた、その上面２０２において、上向きであり、このレベルでのビームの幅Ｄ以上の直径の収束ミラー２２を含み、ビームの幅は、水平方向ｘにおいて測定される。幅Ｄは、図２において参照されている。

【0075】

集積光学素子１はまた、基本光学部品２０の表面に配置された、透明パッド３０とも呼ばれる、透明層３０を含む。この透明パッド３０は、様々な形状、例えば、直方体形状を有することができるが、この特定の形状に制限されない。この透明パッド３０は、内部光ゲート２１および収束ミラー２２の上に配置される。透明パッド３０は、その上面３０２上に、平坦な反射ゾーンまたは平面ミラー３２を有する。透明パッド３０は、典型的には、平面ｘｙに平行な、平坦面３０１、３０２を有することができる。平面ミラー３２は、透明パッド３０内で光ビームＦを反射して、内部光ゲート２１と収束ミラー２２との間に光軌道を確立することを可能にする。したがって、内部光ゲート２１によって放出された光ビームは、基本光学部品２０内を、次に透明パッド３０を上方に伝播され、一方で拡大される。次に、光ビームＦは、平面ミラー３２によって収束ミラー２２の方向に反射される。光ビームＦは、このようにして、拡大しながら、収束ミラー２２によって平行にされる前に、透明パッド３０内に戻る。次に、平行にされた光ビームＦは、外部光ゲート３１の方向に上向きに向けられる。結果的に、光ビームＦは、集積光学素子１から出る。

【0076】

パッド３０の厚さｈは、十分な経路長を提供するように選択され、光ビームＦが、収束ミラー２２での反射後、直径ｄに達するまで、その軌道の間に拡大されるようにする。ｄが大きいほど、不整合に対する許容誤差は良好である。収束ミラーの厚さｈおよび焦点距離は、特に、相互に応じて選択または決定することができる。

【0077】

図２に示されるように、一般にＰが示され、これは内部光ゲート２１と結合された光ビームのネックの中心に位置する点であり、ｄ_１はこのネックでのビームの直径である。放出角度θは、光軸と呼ばれる光ビームの中心半径とｚに沿った垂直線との間で測定される。収束ミラー２２と外部光ゲート３１との間のビームの断面はＳと参照する。この断面は、それが円形または楕円形である場合、典型的には、ｄで参照される直径を有する。外部光ゲート３１を出ることによって、光ビームは、角度θとは異なる角度θ’、および断面Ｓ’または直径ｄ’を有し得る。これは、典型的には、面３０２での光屈折の現象に起因する。したがって、光ビームＦは、外部光ゲート３１で拡大された寸法の第２の断面を有する。この第２の断面は、集積光学素子の内側の表面Ｓ、または集積光学素子の外側の表面Ｓ’を持つことができる。

【0078】

したがって、光ビームＦの拡大された断面は、内部ゲート２１で測定される第１の表面Ｓ_１の寸法と比較して、厳密に大きい寸法、好ましくは少なくとも３倍大きい、より好ましくは少なくとも５倍大きい寸法の第２の表面ＳまたはＳ’を有する。

【0079】

一般に「光の可逆性の原理」と呼ばれる光学の法則は、ある方向に進む光の軌跡が反対方向にも進む可能性があることを示していることに注意されたい。これは、「出力」光ゲートの場合、すなわち光ビームを放出する場合に設定された推論を、「入力」光ゲートの場合、すなわち光ビームを受け取る場合に、光路の方向を逆にすることによって書き換えることができることを意味する。したがって、第１の光ゲートと第２の光ゲートとの間の光ビームの伝播を確実にすることは、ビームが第１の光ゲートから第２の光ゲートに伝播できること、または逆に、ビームが第２の光ゲートから第１の光ゲートに伝播できることを意味する。

【0080】

図３は、基本光学部品２０の実施形態をより詳細に示している。この例では、中心Ｏおよび焦点距離ｆの湾曲した収束ミラー２２ａが、部品２０の上面２０２で製造される。この収束ミラー２２ａは、直径ｄのビームを反射するのに十分な直径を有する。ミラーの直径Ｄ２２は、例えば、３０から１００ミクロンの間であり、典型的には約７０μｍである。収束ミラー２２ａは、０．５から３ミクロンの間、例えば、約１．２ミクロンの高さｈ２２ａを有することができる。

【0081】

このような曲面ミラーは、グレースケールフォトリソグラフィーにより実現することができる。次いで、このグレースケールフォトリソグラフィーによって得られたパターンは、シリカ封入層２３でのエッチングによって転写される。反射層、例えば、厚さ約２００ｎｍのＡｌＳｉ層のアルミニウム層の堆積が、転写されたパターンで行われる。このようにして、曲面ミラー２２ａが得られる。好ましくは、しかし任意選択で、保護透明層２４（例えば、窒化ケイ素層）が、ミラー２２ａ上および基本光学部品２０の上面２０２上に形成される。有利には、窒化ケイ素系保護層２４の厚さは、反射防止層を形成するように選択することができる。

【0082】

別の可能性によれば、封入層２３はポリマー材料系であり、曲面ミラー２２ａは、型を使用してポリマー材料をエンボス加工することによって製造される（「ナノインプリントリソグラフィー」）。このようにして得られた曲面は、次に、例えばアルミニウム堆積によって反射層で覆われる。

【0083】

他のタイプの収束ミラーを検討することができる。図４は、例えば、フレネルミラーまたは回折ミラータイプの収束ミラー２２ｂを示している。このような回折ミラーは、二層または多層にもすることができる。これは、典型的には、光の波長よりも小さい可能性のある細かさで定義される（「サブ波長回折ミラー」）。

【0084】

収束ミラー２２は上向きに向けられている。すなわち、収束ミラー２２は、上から下に向かう光ビームに対して反射性かつ収束性である。中心Ｏのミラー軸は典型的には垂直であるが、反射後のビームの向きを変更するために、ミラーの軸が含まれるようにミラーを設計することもできる。

【0085】

図５は、内部光ゲート２１が「サイドカプラ」タイプである、集積光学素子１の別の実施形態を示している。この例では、導波路２１’は、デフレクタミラー２１２に関連付けられたモードコンバータ２１１と結合されている。したがって、内部光ゲート２１は、ここでは、モードコンバータ２１１およびデフレクタミラー２１２から構成される複合光ゲートである。

【0086】

シリコン導波路２１’によって導かれる光学モードの寸法は一般に１ミクロン未満であり、例えば窒化ケイ素で作られたモードコンバータ２１１を使用して、より広い直径、例えばｄ_１＝６μｍのビームＦ１を生成することが有利である。次に、このビームＦ１は、平面ミラー３２の方向の角度θに従ってミラー２１２によって戻される。図１に示される結合ネットワーク２１ａの場合のように、光ゲート２１ｂは、双方向ゲートである。本発明の範囲において、この複合ゲートの組成および製造の詳細については触れず、それは、上記の２つのパラメータθおよびｄ_１のみによって特徴付けられるものであるとみなされる。

【0087】

図６に示される別の実施形態によれば、内部光ゲート２１はまた、ゲルマニウムフォトダイオードのような受光器２１ｃであってもよい。このようなフォトダイオードは、例えば、直径ｄ_１が９μｍであるシリコンキャビティ内に製造することができる。したがって、この内部光ゲート２１、２１ｃは、光入力ゲートにすぎない。垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）のような他のタイプの内部光ゲート２１を考慮することができ、これは結果的に光出力ゲートとなる。

【0088】

集積光学素子１において、透明パッド３０は、基本光学部品２０に関連付けられている。この透明パッド３０は、その面３０２に平面ミラー３２および外部光ゲート３１を備える。このような透明パッド３０は、いくつかの方法で製造することができる。

【0089】

第１の実施形態では、この透明パッド３０は、基本光学部品２０とは別に製造される。透明パッド３０は、ここでは、典型的には、フォトリソグラフィーによって例えばアルミニウム系の層の形態で平面ミラー３２が準備されるシリカ基板３３から、製造される。この平面ミラー３２を保護するために、例えば窒化ケイ素系の透明封入ミラー３４が、好ましくは、ミラー３２上および透明パッド３０の面３０２上に形成される。有利には、窒化ケイ素系の封入層３４の厚さは、反射防止層を形成するように選択することができる。

【0090】

次に、透明パッド３０は、様々な図１から９に示されるように、内部光ゲート２１および収束ミラー２２の上方で、基本光学部品２０に接着することができる。透明パッド３０の平面ミラー３２は、基本構成要素２０の内部光ゲート２１から来る光を、光を遮断することなく反射し、次いで収束ミラー２２によって反射するように配置されなければならない。平面ミラー３２および透明パッド３０の面３０１、３０２の平坦性に起因して、位置決めの精度は重要ではない。したがって、数ミクロン、さらには数十ミクロンの水平移動が許容される。その結果、限られた精度を有しかつ高速である配置機械を使用して、基本光学部品２０上に透明パッド３０を追加するこの操作を実施することができる。このことは、集積光学素子１を工業的に製造する状況において有利である。

【0091】

接着は、ポリマー介在層とも呼ばれる、透明なポリマー系の接着剤層２０３を使用して行うことができる。これは、典型的には曲面ミラー２２ａの場合に、収束ミラー２２の上に存在するキャビティまたは空間Ｅを充填することを有利に可能にする。基本光学部品２０と透明パッド３０との間の干渉反射を制限することができる屈折率を有する接着剤層２０３が選択されることが好ましい。基本光学部品２０の封入層２３がシリカでできており、透明パッド３０の基板３３もシリカでできている場合、典型的には、シリカの屈折率に近い屈折率を有する接着剤層２０３が選択される。特に、紫外線照射下での重合接着剤層２０３を使用して、その実施中に透明パッド３０の位置を固定することができる。さらに、「二重硬化」タイプの接着剤層２０３を使用することは有利であり得、これは、例えば、すべての透明パッド３０が、互いの集合的追加の範囲内で、基本光学部品２０上に配置される場合、最初の短い紫外線照射によって透明パッド３０を急速に固定し、続いて接着剤層２０３の重合が終了するまで全体的な熱アニーリングを進めることを可能にする。

【0092】

接着の間、部品２０から上面２０２のミラー３２を分離する距離ｈを正確に定義するために、スペーサ（図示せず）、例えば、透明パッド３０の下面３０１上に製造された平坦な接触端子、または較正されたシム、または接着剤層２０３に分散された較正されたボールを使用することが可能である。

【0093】

部品２０の上面２０２が平坦であり、直接接着と互換性のある平坦性および粗さを有する場合、透明パッド３０を接着するための他の手段、例えば直接接着（「分子接着」とも呼ばれる）を考慮することができる。

【0094】

有利なことに、透明パッド３０は、集合的追加方法（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）の有効性から利益を得るために、基本光学部品２０ウェハ上に集合的に実装される。透明パッド３０を追加した後、ウェハは典型的には、製造の最後に切断されて、個々の集積光学素子１を製造する。

【0095】

別の実施形態では、透明パッド３０は、透明なポリマー材料を堆積することによって、基本光学部品２０上に直接形成される。透明パッド３０は、この場合、例えば、基本光学部品２０上にホットラミネートポリマーフィルムから形成することができ、次いで、平面ミラー３２がフォトリソグラフィーによって形成される。例えば、次に、透明ポリマーワニス系保護層がポリマーフィルムおよび平面ミラー３２の上に与えられてよい。

【0096】

以下に、サイジングおよび許容範囲の例が詳しく説明される。計算に使用されるモデリングおよび表記法を図２に示す。ここで、計算は波長λが１．３１０μｍ（真空中）として行われる。これらの計算は任意の他の波長で置き換えることができる。物事を単純にするために、通過される物質はすべてシリカの屈折率、ｎ＝１．４４７を有する状況であるとみなされる。垂直軸を有する中心Ｏの収束ミラー２２が検討される。内部光ゲート２１は、概して、ミラー２２の中心Ｏの高さより、典型的には数ミクロン、例えばｚ＝４μｍ低い距離ｚにある。内部光ゲート２１がミラー２２の中心よりも高い高さにあるというあまり一般的ではないケースは、負の高さ値ｚに相当する。しかしながら、ｚのこの値は、透明パッド３０の厚さｈの前では小さく、一般的には、計算では無視され得る。

【0097】

光ビームＦは、ガウスシングルモードビームとみなされ、これは、現実の良い近似である。ガウスビームの発散はΔθ≒４λ／（πｎｄ_１）である。収束ミラー２２上での反射に応じた直径のビームを得るために、それを長さＬ＝ｄ／Δθにわたって広げるようにしておかなければならない。したがって、必要な透明パッドの厚さはｈ＝Ｌ／２ｃｏｓ（θ）である。平行化されたビームＦを生成するために、収束ミラー２２の焦点距離ｆは、好ましくはＬに等しい。この状況は、典型的には、集積光学素子１に対して求められる。

【0098】

第１の近似では、ミラー２２は、曲げ半径Ｒ＝２ｆの球形であり得る。しかしながら、角度θの斜め入射を考慮すると、入射面（図２の平面ｘｚ）において半径Ｒ１＝２ｆ／ｃｏｓ（θ）、矢状面（入射面に垂直）においてＲ２＝２ｆｃｏｓ（θ）の楕円表面を考慮することができる。一般的に、当業者は、光学設計ソフトウェア、例えば、Ｚｅｍａｘ、ＯｓｌｏまたはＣＯＤＥ Ｖを使用することによって理想的な表面を決定する。ミラー２２の表面は、内部光ゲートの表面よりも大きい寸法を有する。

【0099】

光ビームＦは、外部光ゲート３１によって透明パッド３０から出て、直径ｄ’を有して、角度θ’の方向に、屈折率ｎ’の媒体中に伝搬される。光ビームＦの出口が空気中にある典型的な場合、すなわち、ｎ’＝１の場合が検討される。

【0100】

屈折の関係は、ｎｓｉｎ（θ）＝ｎ’ｓｉｎ（θ’）と記述することができ、これにより、出力角度θ’＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ（θ）／ｎ’）がθの関数として得られる。幾何学的関係は、ｄ／ｃｏｓ（θ）＝ｄ’／ｃｏｓ（θ’）と記述することができ、これにより、収束ミラー２２でのビームの直径が得られる：ｄ’の関数として、ｄ＝ｄ’ｃｏｓ（θ）／ｃｏｓ（θ’）である。

【0101】

収束ミラー２２でのビームの水平直径Ｄは、Ｄ＝ｄ／ｃｏｓ（θ）である。収束ミラー２２は、Ｄ以上の直径を有さなければならない。

【0102】

透明パッド３０の上面３０２上の平面ミラー３２で、ビームの水平直径は、Ｄ_ｓ＝Ｌ／２・Δθ／ｃｏｓ（θ）である。平面ミラー３２は、Ｄ_ｓ以上の直径を有さなければならない。この形状が実際に実現されるように、平面ミラー３２でのビームの端部と外部光ゲート３１で現れるビームの端部との間の縁部ｘ_ｓは、収束ミラー２２での反射後に決定されなければならない。これによって、平面ミラー３２の端部が、出て行くビームの一部を打ち消す危険がないことを確認することが可能である。縁部ｘ_ｓは、ｘ_ｓ＝Ｌｓｉｎ（θ）－（Ｄ＋Ｄ_ｓ）／２に従って計算できる。

【0103】

このモデリングのもう１つの課題は、幾何学的変化に対する光学システムの許容範囲に関連する。特に、透明パッド３０の高さｈの変化に応じて、または同様に、透明パッド３０の下のポリマー接着剤層２０３の厚さの変化に応じて、内部および外部光ゲート２１、３１の間の結合の感度を決定することが可能である。内部光ゲート２１と収束ミラー２２の中心Ｏとの間の距離ｘは、ｄｘ／ｄｈ＝２ｔａｎ（θ）に従って変化する。内部光ゲートの平面内のビームの位置ｘ_１の変化は、δｘ_１＝δｘ・ｃｏｓ（θ）によってｘの変化に関連付けられる。したがって、ｄｘ_１／ｄｈ＝ｄｘ／ｄｈ ｃｏｓ（θ）＝２ｓｉｎ（θ）が得られる。結果的に、差δｘ_１を生成する厚さδｈの変化は、δｈ＝δｘ_１／（２ｓｉｎ（θ））である。光ゲート２１の中心に対する差δｘ_１によると、ガウスと仮定した光ゲート２１の透過率は、Ｔ＝ｅｘｐ（－４（δｘ_１／ｄ_１）^２）である。透過率Ｔは、例えば、差δｘ_１＝ｄ_１／５の場合Ｔ＝８５％に等しい。この状況に対応する高さの変化をδｈ（８５％）と呼ぶ。この高さの変化は、δｈ（８５％）＝（ｄ_１／５）／（２ｓｉｎ（θ））＝ｄ_１／（１０ｓｉｎ（θ））に等しい。

【0104】

補足として、屈折率ｎ’＝１の媒体中に出るビームの角度および空間許容範囲が示される。出力ビームの角度幅はΔθ’≒４λ／（πｎ’ｄ’）である。ビームの角度差δθ’に関して、外部光ゲート３１の透過率は、Ｔ＝ｅｘｐ（－４（δθ’／Δθ’）^２）に従って変化し、例えば、δθ’＝Δθ’／５の場合、Ｔ＝８５％に等しく、値はδθ’（８５％）と記載される。入射ビームの理想的な位置に対する差δｘ’に関して、外部光ゲートにおける透過率はＴ＝ｅｘｐ（－４（δｘ’／ｄ’）^２）に従って変化する。Ｔ＝８５％に減少した透過率に対応する差の値は、δｘ’（８５％）と呼ばれる。

【0105】

以下の表１は、出口モードの直径ｄ’が５０μｍの場合に３つの構成で行われた計算を示している。左側の３つの列は、他のパラメータが推定される入力パラメータである。

【0106】

【表1】

【0107】

表２は、出口モードの直径ｄ’が７０μｍの場合に３つの構成で行われた計算を示している。

【0108】

【表2】

【0109】

提示されたすべての構成において、縁部ｘ_ｓは１０μｍよりも大きく、これは、平面ミラー３２の端部の位置に対して十分な許容誤差を残す。透明パッド３０が、追加により基本光学部品２０に取り付けられる場合、結果的に、この追加は、産業機器で一般的な、±１０μｍの精度を提供するチップ配置機器（「ピックアンドプレース」機器）を使用して行うことができる。この配置の許容範囲は、より繊細な配置（典型的には±２μｍ）を必要とする既知の手法と比較して、十分かつ有利である。さらに、本発明による集積光学素子と光コネクタとの間の不整合に対する許容範囲は、ビームの拡大とともに増加する。

【0110】

透明パッド３０の厚さの許容範囲δｈ（８５％）は、構成に応じて１．４から６．５μｍまで変化する。透明パッドの製造の間、適切な研磨および測定方法を使用することにより、基板３３の厚さを±１μｍ以上に制御することができる。スペーサを使用することで、同じ精度で接着を最適化することもできる。したがって、ここで説明する構成は実際に実現することができる。好ましくは、可能な限り広い直径ｄ_１の内部光ゲート２１が選択され、これは例えば６または９μｍである。これは、厚さｈに対して最も広い許容範囲を提供するのがこの状況であるためである。

【0111】

図７、８、および９に示されるように、本発明による透明パッド３０を含む集積光学素子１は、拡大されたビームと結合されるように構成されたファイバ光コネクタ２と共に使用することができる。

【0112】

このようなコネクタ２は、典型的には、光ファイバ４０の端部に１つまたは複数のマイクロレンズ４２を備える。このタイプのコネクタは、特にセンコー（Ｓｅｎｋｏ）社で商品化されている。コネクタ２はまた、デフレクタミラーおよびマイクロレンズ、または湾曲したデフレクタミラーを使用して光ファイバ４０からの光を偏向させるスリーブまたは金環４１を備えることができる。これにより、ビームの方向を変更したり、拡大したり、平行化したりすることができる。このタイプのコネクタは、特にＵＳＣｏｎｅｃ社で商品化されている。

【0113】

考慮される光コネクタ２の形状に応じて、集積光学素子１に対するその配向は、光軸が正しく位置合わせされるように適合されなければならない。図７および８は、集積光学素子１に関して、コネクタ２に関連する２つの位置決めおよび位置合わせの可能性を有する。

【0114】

図９に示されるように、機械的基部３もまた、上記の許容範囲に従って再現可能な位置決めを確実にするために提供され得る。特に、１０μｍ以上の横方向許容範囲δｘ’（８５％）により、この位置合わせの精度を確保するために、機械的基部３上の光コネクタ２の単純な機械的連結を検討することができる。これは、従来の集積光学素子の内部光ゲートの上に直接接着されたそのままの光ファイバの接続に典型的に必要とされる±２μｍの精度と比較して緩和された許容誤差である。したがって、この機械的基部３は、単純な突起４３を介してコネクタ２と係合することができる。

【0115】

本発明による集積光学素子１は、多種多様な光コネクタを使用することを可能にする。透明パッドおよび収束ミラーは、特に、考慮される光コネクタ２の公称モード直径に等しい直径ｄ’で集積光学素子から出る拡大ビームを生成するために、上記の式を用いて製造することができる。基本光学部品２０で使用される収束ミラー２２の焦点距離、ならびに内部光ゲート２１の直径ｄ_１は、最先端技術から知られている手法とは反対に、コネクタ２の選択によって制約されない。

【0116】

さらに、本発明では、ビームは基板１０を通過せず、したがって、不都合な干渉反射がない。シリカのような透明な材料を使用し、容易に利用可能な面２０２、３０２に反射防止層を実装することにより、光損失を大幅に制限する解決策を提案することができる。さらに、ビームの拡大は基板１０に依存しないので、基板１０の厚さは、求められるモードの直径ｄ、ｄ’の選択によって制約されないであろう。したがって、この基板１０の厚さは、他の制約に対応するために（例えば、光学熱放散を確実にするために、または貫通ビアＴＳＶの使用を可能にするために）独立して選択することができる。これにより、集積光学素子１の設計におけるより大きな多様性を考慮することが可能になる。

【0117】

上記の説明から、本発明による集積光学素子１は、光学損失が小さく、組み立てが容易であり（１０ミクロンの精度で透明パッドを配置するだけで十分）、市販の様々なコネクタに関連付けることができる（設計時に特定のコネクタに関係づけられていない）ことが明らかである。

【0118】

本発明は、上記の実施形態に限定されない。

【符号の説明】

【0119】

１ 集積光学素子
１０ 基板
２０ 基本光学部品
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 内部光ゲート
２２、２２ａ、２２ｂ 収束ミラー
２５ 金属導電体
３０ 透明層
３１ 外部光ゲート
３２ 平面ミラー
３３ 基板
３４ 封入層
２０１ 下面
２０２ 上面
２０３ ポリマー介在層
３０２ 第３の面
Ｆ 光ビーム
Ｓ_１ 第１の表面
Ｓ’ 第２の表面
Ｅ 空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【外国語明細書】