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特表2024-545025シリコンフォトニクスにおける薄膜光学材料のインテグレーション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】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-12-05
(54)【発明の名称】シリコンフォトニクスにおける薄膜光学材料のインテグレーションのためのシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/03 20060101AFI20241128BHJP
G02B 6/13 20060101ALI20241128BHJP
G02B 6/12 20060101ALI20241128BHJP
【ＦＩ】
G02F1/03 505
G02B6/13
G02B6/12 371
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024531599
(86)(22)【出願日】2022-11-21
(85)【翻訳文提出日】2024-05-28
(86)【国際出願番号】 US2022050622
(87)【国際公開番号】W WO2023101856
(87)【国際公開日】2023-06-08
(31)【優先権主張番号】63/284,562
(32)【優先日】2021-11-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524059674
【氏名又は名称】レイセオン カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100229448
【弁理士】
【氏名又は名称】中槇 利明
(72)【発明者】
【氏名】クオ，ピン ピウ
【テーマコード（参考）】
2H147
2K102
【Ｆターム（参考）】
2H147AB02
2H147AB05
2H147EA13A
2H147EA14A
2H147FC04
2H147FC07
2H147FD01
2H147FD15
2K102AA01
2K102AA21
2K102BA01
2K102BB01
2K102BB04
2K102BB07
2K102BC04
2K102BD01
2K102CA28
2K102DA04
2K102DD03
2K102DD05
2K102EA02
2K102EA08
2K102EB22
(57)【要約】
フォトニクススタックを製造する方法は、シリコン基板（３０６、３６６）と、酸化物層（３０８、３６８）と、１つ以上の活性デバイス（１２８、２２８）を有するエピタキシャルシリコン層（３１０、３７０）と、を含むシリコンフォトニクス構造（３０２、３６２）を用意することを含む。当該方法はまた、インタポーザ構造（１０６、２０６、３０４、３６４）を用意することと、シリコンフォトニクス構造とインタポーザ構造を付着させることと、を含む。当該方法は更に、シリコンフォトニクス構造からシリコン基板を除去することと、シリコンフォトニクス構造から酸化物層の少なくとも一部を除去することと、を含む。加えて、当該方法は、シリコンフォトニクス構造上または内に薄膜ニオブ酸リチウムクーポン（１０４、２０４、３２０、３８０）を配置することと、光学材料（１０８、２０８、３３２、３９２）で薄膜ニオブ酸リチウムクーポンを封止することと、を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の平面内に配置されたシリコン導波管構造と、複数の変調器電極であって、当該変調器電極の各々の少なくとも一部が、前記第１の平面内に配置される、複数の変調器電極と、
前記第１の平面に隣接する第２の平面に配置された光学材料と、
を備えたフォトニクスデバイス。
【請求項2】
前記光学材料は、非線形光学材料を含む、請求項１に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項3】
前記非線形光学材料は、ニオブ酸リチウムを含む、請求項２に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項4】
１つ以上の活性デバイスを更に備えた、請求項１に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項5】
前記１つ以上の活性デバイスは、１つ以上のゲルマニウムベースのダイオードを含む、請求項４に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項6】
前記１つ以上の活性デバイスは、少なくとも１つの高ドープｎ－領域及び少なくとも１つの高ドープｐ－領域を含む、請求項４に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項7】
前記光学材料は、リン化インジウムデバイスの少なくとも一部を形成する、請求項１に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項8】
１つ以上の活性デバイスを更に備えた、請求項７に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項9】
前記１つ以上の活性デバイスは、１つ以上のゲルマニウムベースのダイオードを含む、請求項８に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項10】
前記１つ以上の活性デバイスは、少なくとも１つの高ドープｎ－領域及び少なくとも１つの高ドープｐ－領域を含む、請求項８に記載のフォトニクスデバイス。
【請求項11】
活性デバイスを含み、第１の平面内に位置付けられたシリコン層であって、前記活性デバイスは、当該シリコン層のある横方向位置に配置される、シリコン層と、前記第１の平面に隣接する第２の平面内に位置付けられたニオブ酸リチウム構造であって、当該ニオブ酸リチウム構造は前記横方向位置に配置される、ニオブ酸リチウム構造と、
を備えたフォトニクススタック。
【請求項12】
前記活性デバイスは、ゲルマニウムベースのダイオードを含む、請求項１１に記載のフォトニクススタック。
【請求項13】
前記活性デバイスは、少なくとも１つの高ドープｎ－領域及び少なくとも１つの高ドープｐ－領域を含む、請求項１１に記載のフォトニクススタック。
【請求項14】
前記シリコン層は、１つ以上の導波管を更に含む、請求項１１に記載のフォトニクススタック。
【請求項15】
前記シリコン層は、１つ以上の窒化シリコン領域を更に含む、請求項１１に記載のフォトニクススタック。
【請求項16】
フォトニクススタックを製造する方法であって、シリコン基板と、酸化物層と、１つ以上の活性デバイスを有するエピタキシャルシリコン層と、を含むシリコンフォトニクス構造を用意することと、
インタポーザ構造を用意することと、
前記シリコンフォトニクス構造と前記インタポーザ構造を付着させることと、
前記シリコンフォトニクス構造から前記シリコン基板を除去することと、
前記シリコンフォトニクス構造から前記酸化物層の少なくとも一部を除去することと、
前記シリコンフォトニクス構造上または内に薄膜ニオブ酸リチウムクーポンを配置することと、
光学材料で前記薄膜ニオブ酸リチウムクーポンを封止することと、
を含む方法。
【請求項17】
前記光学材料は、前記酸化物層の屈折率に実質的に整合する屈折率を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記シリコン基板を除去することが、化学機械的研磨を使用して実行される、及び前記酸化物層を除去することが、反応性イオンエッチングとそれに続く緩衝酸化物エッチングを使用して実行される、
のうちの少なくとも一方である、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
前記１つ以上の活性デバイスは、１つ以上のゲルマニウムベースのフォトダイオード、及び
少なくとも１つの高ドープｎ－領域及び少なくとも１つの高ドープｐ－領域、
のうちの少なくとも一方を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項20】
前記エピタキシャルシリコン層は、少なくとも１つの導波管、
少なくとも１つの窒化シリコン領域、及び
１つ以上の金属相互接続層、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項21】
前記薄膜ニオブ酸リチウムクーポンは、絶縁体層、
ハンドル基板、及び
ポリマ誘電体、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は概して、光学システムを対象とする。より具体的には、本開示は、シリコンフォトニクスにおける薄膜光学材料のインテグレーションのためのシステム及び方法を対象とする。
【背景技術】
【0002】
シリコンフォトニクスにおける進歩は、多数のデバイスを包含するミリメートルスケールの光学チップの最初の実現につながってきた。それらのチップは、偏光管理、プログラム可能光学フィルタバンクの管理、ならびにディスクリート光学デバイスの性能レベルに近いまたは上回る性能レベルにおいて動作する高速変調器及びフォトディテクタなど、多様な光学機能をサポートすることができる。いくつかのケースでは、複数の導波管システムは、ＩＩＩ－Ｖ族ベースのレーザ及び光ファイバなど、外部デバイスと連結する低損失光学系を有効にすることができる相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）製造プロセスフローによってサポートされ得る。
【発明の概要】
【0003】
本開示は、シリコンフォトニクスにおける薄膜光学材料のインテグレーションのためのシステム及び方法に関する。
【0004】
第１の実施形態では、フォトニクスデバイスは、第１の平面内に配置されたシリコン導波管構造を含む。フォトニクスデバイスはまた、複数の変調器電極を含み、変調器電極の各々の少なくとも一部は、第１の平面内に配置される。フォトニクスデバイスは更に、第１の平面に隣接する第２の平面に配置された光学材料を含む。
【0005】
第２の実施形態では、フォトニクススタックは、活性デバイスを有し且つ第１の平面内に配置されたシリコン層を含み、活性デバイスは、シリコン層のある横方向位置に配置される。フォトニクススタックはまた、第１の平面に隣接する第２の平面内に位置付けられたニオブ酸リチウム構造を含み、ニオブ酸リチウム構造は、上記横方向位置に配置される。
【0006】
第３の実施形態では、フォトニクススタックを製造する方法は、シリコン基板、酸化物層、及び１つ以上の活性デバイスを有するエピタキシャルシリコン層と、を含むシリコンフォトニクス構造を用意することを含む。当該方法はまた、インタポーザ構造を用意することと、シリコンフォトニクス構造とインタポーザ構造を付着させることと、を含む。当該方法は更に、シリコンフォトニクス構造からシリコン基板を除去することと、シリコンフォトニクス構造から酸化物層の少なくとも一部を除去することと、を含む。加えて、当該方法は、シリコンフォトニクス構造上または内に薄膜ニオブ酸リチウムクーポンを配置することと、光学材料で薄膜ニオブ酸リチウムクーポンを封止することと、を含む。
【0007】
他の技術的特徴は、以下の図面、説明、及び特許請求の範囲から、当業者にとって容易に明らかであり得る。
【図面の簡単な説明】
【0008】
本開示のより完全な理解のために、添付図面と併用して、以下の説明への参照がここで行われる。
【0009】
【図2】本開示に係る、光学活性フォトニクス構造を有するフォトニクスデバイスの実施例の断面図を例示する。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下で説明される図１Ａから７Ｂ、及び本開示の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、例示であるにすぎず、本開示の範囲を限定すると解釈されるべきではない。当業者は、本開示の原理がいずれかのタイプの適切に配列されたデバイスまたはシステムにおいて実装され得ることを理解するであろう。
【0011】
上記説明されたように、シリコンフォトニクスにおける進歩は、多数のデバイスを包含するミリメートルスケールの光学チップの最初の実現につながってきた。それらのチップは、偏光管理、プログラム可能光学フィルタバンクの管理、ならびにディスクリート光学デバイスの性能レベルに近いまたは上回る性能レベルにおいて動作する高速変調器及びフォトディテクタなど、多様な光学機能をサポートすることができる。いくつかのケースでは、複数の導波管システムは、ＩＩＩ－Ｖ族ベースのレーザ及び光ファイバなど、外部デバイスと連結する低損失光学系を有効にすることができる相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）製造プロセスフローによってサポートされ得る。
【0012】
シリコンフォトニクスが光波通信において幅広い採用を経験してきた（ディスクリートのデジタル送受信機光学系がチップスケールのカウンタパートによって容易に置き換えられてきた）一方で、マイクロ波におけるシリコンフォトニクス及び／またはアナログアプリケーションの使用はわずかである。他の理由の中で、この欠陥は、シリコンフォトニクス送受信機の乏しい雑音指数（ＮＦ）によって駆動され、それは、最新のディスクリートフォトニクスマイクロ波送受信機の桁よりも少なくとも一桁高いままである。この欠陥は、（ｉ）厳格なパワー制限を課す二光子吸収（ＴＰＡ）及び（ｉｉ）シリコン変調器における自由キャリア吸収（ＦＣＡ）に起因した過度な損失、から生じる。その上、シリコン変調器の本質的な非線形性は、その平方根同調特性（その位相シフトφは、Ｖ１／２に比例する）によって定義され、典型的には、歪みを抑制するために変調における著しい低減を要求し、それは、シリコンベースフォトニクスマイクロ波リンクの雑音指数を根本的に劣化させる。
【0013】
シリコンフォトニクスプラットフォームへのニオブ酸リチウム（ＬＮ）インテグレーションは、セラミック材料システムによって有効にされる線形及びパワースケーラブル変調との高密度のインテグレーションの利点の組み合わせを可能にすることができる。現在のニオブ酸リチウムインテグレーションプロセスフローは、それに続いて、ＴＦＬＮ基板の除去があり得る、プラズマ－活性化直接接合またはポリマアシステッド接合を介して、パターン化されたシリコン・オン・インシュレータまたは窒化シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩまたはＳＮＯＩ）基板の前側上に薄膜ニオブ酸リチウム（ＴＦＬＮ）チップレットを接合することを含み得る。ニオブ酸リチウム膜上または内の光導波管は、アルゴンイオンビームミリングを使用して部分的にエッチングすることによって、またはハイブリッドガイドモードを形成するようにシリコン／窒化シリコンストリップにエバネセント結合することによって形成されることができる。最終的に、変調器の無線周波数（ＲＦ）電極、任意選択で、直流（ＤＣ）バイアス電極を形成するように、ＴＦＬＮの最上部で金属が堆積及びパターン化され得る。
【0014】
残念ながら、それらのアプローチは、いくつかの大きな欠点を被る。第１に、それらのアプローチは、ＴＦＬＮと接合されたエリアが他の光学デバイスまたは電気デバイスを欠くことを必要とし得る。ＴＦＬＮ層は典型的に、低損失モード遷移ために下位にある導波管に近接する必要があり（約２００ナノメートル以内）、これは、その位置におけるコンタクト及びメタライゼーションを含み得る活性フォトニクス及び電気デバイスとのＴＦＬＮのコロケーションを排除する。ニオブ酸リチウム変調器のサイズは数センチメートル程度になり得るので、この制約は、インテグレーション密度に深刻な影響を及ぼし得る。また、低い局所的金属密度は、ディッシング及び非均一なエッチングレートに起因して非均一な金属シート抵抗を生じさせ得る。低い局所的金属密度は更に、製造可能性に影響を及ぼし、チップにわたる金属密度における大きな変動は、有効な熱膨張係数（ＣＴＥ）不一致に起因してなど、バック・エンド・オブ・ザ・ライン誘電体への著しいストレスを誘導してしまい得る。加えて、ディッシングに起因したＴＦＬＮ接合ウインドウの近くの領域内で、著しい誘電体膜及び金属トレース厚み逸脱が発生する場合があり、それは、製造歩留りに影響を及ぼし得るとともに、性能を低下させ得る。第２に、ニオブ酸リチウム上または内で電極及び導波管が別個にパターン化されるので、高い精度で（１００ナノメートル未満のアライメント公差などで）それぞれのフォトリソグラフィステップが実行される必要がある。精密なアライメントを欠くことは、著しい損失または変調器アームの間の著しい変調効率不均衡を生じさせ得る。
【0015】
本開示は、シリコンフォトニクスにおける薄膜光学材料のインテグレーションのための様々なシステム及び方法を提供する。例えば、本開示の実施形態は、シリコンフォトニクス送受信機及びプロセッサと比較して、機能性を得ることができ、雑音指数を低下させることができ、改善した線形性をもたらすことができ、及び／または改善した帯域幅性能をもたらすことができる、シリコンフォトニクスにおける非線形、活性、及び／または発光光学材料（ニオブ酸リチウムなど）のインテグレーションを可能にする。本開示の様々な実施形態では、ここで開示されるシステム及び方法は、少なくとも１桁、最新のシリコンフォトニクスデバイスのサイズ、重量、及び／またはパワー（ＳＷａＰ）メトリックを低減させることができる。いくつかのケースでは、開示されるシステム及び方法は、ディスクリート光学変調器によって提供されるパワーハンドリング能力に匹敵して、シリコンフォトニクス変調器が３００ミリワットを超過するパワーを扱うことを可能にすることができる。更に、本開示の実施形態は、高密度インテグレーションを可能にすることができ、それによって、最新のシリコンフォトニクス回路と同等のインテグレーション密度を達成する。
【0016】
図１Ａ及び１Ｂは、本開示に係る、薄膜フォトニクス構造を有するフォトニクスデバイス１００及び１００’の実施例の断面図を例示する。より具体的には、図１Ａ及び１Ｂは、薄膜ニオブ酸リチウム（ＴＦＬＮ）フォトニクス構造を有するシリコンフォトニクスデバイスの実施例の断面図を例示する。図１Ａに示されるように、フォトニクスデバイス１００は、シリコンフォトニクス構造１０２及びＴＦＬＮフォトニクス構造１０４を含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４は、他の光学材料または構造と置き換えられ得、その結果、光学材料または構造は、シリコンフォトニクス構造１０２に光学的に結合される。例えば、フォトニクス構造１０４の他の実施態様は、異なる非線形光学材料を使用し得る。
【0017】
この実施例では、シリコンフォトニクス構造１０２は、変調器電極１２４、導波管１２６、及び１つ以上の活性デバイス１２８を含むことができる。変調器電極１２４は、シリコンフォトニクス変調器の電気接続を表し、１つ以上の金属など、いずれかの適切な導電材料（複数可）を使用して形成され得る。導波管１２６は、光学信号に対する経路を表し、結晶シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコンなど、いずれかの適切な光学輸送材料（複数可）を使用して形成され得る。活性デバイス１２８は、１つ以上のゲルマニウムベースフォトダイオードまたは他の適切な半導体デバイスなど、シリコンフォトニクス構造１０２内で形成された１つ以上の半導体デバイスを表す。各々の活性デバイス１２８は、シリコンフォトニクス構造１０２のシリコン層内の規定された横方向位置において配置される。
【0018】
ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４は、シリコンフォトニクス構造１０２の後側に接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができ、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４に隣接した変調器電極１２４、導波管１２６、及び活性デバイス１２８のコロケーションを可能にする。このようにして、シリコンフォトニクスデバイスと薄膜ニオブ酸リチウムデバイスをインテグレーションする現在のアプローチと比較して、相対的に高レベルのインテグレーション密度が達成され得る。シリコンフォトニクス構造１０２に存在する導波管１２６は、ポリマ誘電体１２０（名前が示すように、電気絶縁ポリマを含む）を通じてなど、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４内のＴＦＬＮ層１１４に光学的に結合されることができる。ＴＦＬＮ層１１４は、ニオブ酸リチウムを使用して形成された薄膜を表すが、上述したような他の材料が使用され得る。ここでのＴＦＬＮ層１１４は、活性デバイス（複数可）１２８と同一の横方向位置（複数可）に配置される。
【0019】
シリコンフォトニクス構造１０２に変調器電極１２４及び導波管１２６を含めることによって、光学モード１２７及び変調電界がセルフアラインされ得る。ＴＦＬＮ層１１４内で変調電界を生み出す変調器電極１２４が導波管１２６に近接していることを理由に、このセルフアライメントが達成され得る。ＴＦＬＮ層１１４がミスアライメントに起因してずれたとしても、光学モード１２７及び変調電界はなおも揃ったままであることができる。開示されるシステム及び方法における電気光学構造の本質的なセルフアライメントは、現在のアプローチに存在する平面内のミスアライメントに起因した障害を低減させる、または取り除くことができる。これは、挿入損失及び変調効率性などのシリコンフォトニクス変調器性能が、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４の配置またはＴＦＬＮフォトニクス構造１０４と関連付けられた調整許容度の影響をあまり受けないことを可能にすることができる。この自己調整はまた、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４とシリコンフォトニクス構造１０２との間の相対的に緩和された調整許容度を可能にすることができる。加えて、この自己調整は、シリコンフォトニクスデバイスと薄膜ニオブ酸リチウムデバイスをインテグレーションする現在のアプローチにおいて使用される正確な調整許容度を低減させる、または取り除くことができる。
【0020】
この実施例では、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４はまた、ハンドル基板１１０及び絶縁体層１１２を含むことができる。絶縁体層１１２は、酸化物絶縁材料または他の電気的絶縁材料（複数可）を表す。いくつかの実施形態では、絶縁体層１１２は、埋め込み酸化シリコン（ＢＯＸ）層１１２を表す。ハンドル基板１１０は、絶縁体層１１２にわたって位置付けられる。いくつかの実施形態では、ハンドル基板１１０は、半透明材料を使用して形成されるものなど、複合基板を表し得る。ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４は、封止層１０８によって封止されることができる。いくつかの実施形態では、封止層１０８は、１つ以上の接合ポリマ材料を使用して形成され得る。他の実施形態では、封止層１０８は、１つ以上の光学接着材料を使用して形成され得る。
【0021】
シリコンフォトニクス構造１０２はまた、絶縁体層１１６を含むことができ、絶縁体層１１６は、いずれかの適切な電気絶縁材料（複数可）を使用して形成され得る。いくつかの実施形態では、絶縁体層１１６は、酸化シリコンを使用して形成され得る。様々な実施形態では、ＴＦＬＮフォトニクス構造１０４の封止層１０８（一部のケースで、接合ポリマ材料または光学接着材料を使用して形成され得る）は、シリコンフォトニクス構造１０２の絶縁体層１１６（一部のケースで、酸化物層を使用して形成され得る）の屈折率に合致しまたはほぼ合致する屈折率を有し得る。シリコンフォトニクス構造１０２はまた、光学信号を輸送するために使用されることができる少なくとも１つのアンドープシリコン導波管１１８と、少なくとも１つの窒化シリコン（ＳｉＮ）領域１２２とを含み得る。
【0022】
例示される実施形態では、活性デバイス１２８（少なくとも１つのゲルマニウムフォトダイオードなど）のうちの少なくとも１つは、ゲルマニウム（Ｇｅ）領域１３０、高ドープｎ－領域１３２、及び高ドープｐ－領域１３４を含み得る。領域１３２及び１３４は、それぞれ、適切なｎ型材料（複数可）及びｐ型材料（複数可）でドープされた半導体基板または他の構造のエリアを表す。シリコンフォトニクス構造１０２はまた、１つ以上の高ドープシリコン領域１４４を含み得る。いくつかの実施形態では、高ドープシリコン領域１４４は、シリサイド領域を表すことができる。加えて、シリコンフォトニクス構造１０２は、様々な金属層１４２を含むことができ、金属層１４２は、相互接続のために使用される。金属層１４２は、銅またはアルミニウムのような１つ以上の金属など、いずれかの適切な材料（複数可）を使用して形成され得る。いくつかの実施形態では、インタポーザ構造１０６が、シリコンフォトニクス構造１０２に結合され得る。インタポーザ構造１０６は、シリコンフォトニクス構造１０２の様々な電極（変調器電極１２４を含む）を半田バンプ１３８または他の電気接続に電気的に接続することができる、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）１３６または他の導電ビアを含むことができる。いくつかのケースでは、半田バンプ１３８は、モジュール基板１４０に電気及び機械的接続をもたらすことができ、モジュール基板１４０は、いずれかの適切な材料（複数可）を使用して形成され得、フォトニクスデバイス１００の様々な構成要素を担持するために使用され得る。
【0023】
図１Ｂに示されるように、フォトニクスデバイス１００’は、図１Ａのフォトニクスデバイス１００と同様である。しかしながら、図１Ｂでは、いくつかの実施形態において、絶縁体層１１６は、完全に除去され得る。この特定の構成では、シリコンフォトニクス構造１０２の後側での平坦化した接合表面または他の付着表面を形成するように、絶縁体層１１６がシリコンフォトニクス構造１０２から完全に除去される。
【0024】
図２は、本開示に係る、光学活性フォトニクス構造を有するフォトニクスデバイス２００の実施例の断面図を例示する。図２に示されるように、フォトニクスデバイス２００は、フォトニクスデバイス２００のコンテキストにおいて光学的ゲインをもたらすことができる、シリコンフォトニクス構造２０２及び光学活性フォトニクス構造２０４を含むことができる。例として、光学活性フォトニクス構造２０４は、少なくとも１つのリン化インジウム（ＩｎＰ）スタック２１４を含み得る。
【0025】
シリコンフォトニクス構造２０２は、少なくとも１つの導波管２２６及び１つ以上の活性デバイス２２８を含むことができる。各々の導波管２２６は、光学信号に対する経路を表し、ポリシリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコンなど、いずれかの適切な光学輸送材料（複数可）を使用して形成され得る。活性デバイス２２８は、１つ以上のゲルマニウムベースフォトダイオードまたは他の適切な半導体デバイスなど、シリコンフォトニクス構造２０２内で形成された１つ以上の半導体デバイスを表す。各々の活性デバイス２２８は、シリコンフォトニクス構造２０２のシリコン層内の規定された横方向位置において配置される。
【0026】
光学活性フォトニクス構造２０４は、シリコンフォトニクス構造２０２の後側に接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができ、光学活性フォトニクス構造２０４に隣接した導波管（複数可）２２６及び活性デバイス２２８のコロケーションを可能にする。このようにして、シリコンフォトニクスデバイスと光学活性フォトニクスデバイスをインテグレーションする現在のアプローチと比較して、相対的に高レベルのインテグレーション密度が達成され得る。シリコンフォトニクス構造２０２に存在する導波管（複数可）２２６は、少なくとも１つのハイブリッドＩｎＰ－Ｓｉ導波管２２９を形成するようにＩｎＰスタック（複数可）２１４に光学的に結合されることができる。シリコンフォトニクス構造２０２にディープ－シリコンビア（ＤＳＶ）２２４または他の導電ビア及び導波管（複数可）２２６を含めることによって、光学モード２２７は、ゲイン、位相変調、または振幅変調を受けることができる。
【0027】
光学活性フォトニクス構造２０４は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などのポリマ層２１２と、光学活性フォトニクス構造２０４に対する電気相互接続をもたらす相互接続層２０５とを含むことができる。光学活性フォトニクス構造２０４は、封止層２０８内で封止され得る。いくつかの実施形態では、封止層２０８は、１つ以上の接合ポリマ材料を使用して形成され得る。他の実施形態では、封止層２０８は、１つ以上の光学接着材料を使用して形成され得る。
【0028】
シリコンフォトニクス構造２０２は、絶縁体層２１６を含むことができ、絶縁体層２１６は、いずれかの適切な電気絶縁材料（複数可）を使用して形成されることができる。いくつかの実施形態では、絶縁体層２１６は、酸化シリコンを使用して形成され得る。様々な実施形態では、封止層２０８（一部のケースで、光学活性フォトニクス構造２０４の接合ポリマ材料または光学接着材料を使用して形成され得る）は、シリコンフォトニクス構造２０２の絶縁体層２１６（一部のケースで、酸化物層を使用して形成され得る）の屈折率に合致しまたはほぼ合致する屈折率を有し得る。シリコンフォトニクス構造２０２はまた、光学信号を輸送するために使用され得る少なくとも１つのアンドープシリコン導波管２１８と、少なくとも１つの窒化シリコン領域２２２とを含み得る。
【0029】
例示される実施形態では、活性デバイス２２８（少なくとも１つのゲルマニウムフォトダイオードなど）のうちの少なくとも１つは、ゲルマニウム領域２３０、高ドープｎ－領域２３２、及び高ドープｐ－領域２３４を含み得る。領域２３２及び２３４は、それぞれ、適切なｎ型材料（複数可）及びｐ型材料（複数可）でドープされた半導体基板または他の構造のエリアを表す。シリコンフォトニクス構造２０２はまた、１つ以上の高ドープシリコン領域２４４を含み得る。いくつかの実施形態では、高ドープシリコン領域２４４は、シリサイド領域を表すことができる。加えて、シリコンフォトニクス構造２０２は、様々な金属層２４２を含むことができ、金属層２４２は、相互接続のために使用される。金属層２４２は、銅またはアルミニウムのような１つ以上の金属など、いずれかの適切な材料（複数可）を使用して形成され得る。いくつかの実施形態では、インタポーザ構造２０６が、シリコンフォトニクス構造２０２に結合されることができる。インタポーザ構造２０６は、シリコンフォトニクス構造２０２の様々な電極（ディープ－シリコンビア２２４を含む）を半田バンプ２３８または他の電気接続に電気的に接続することができる、シリコン貫通ビア２０６または他の導電ビアを含むことができる。いくつかのケースでは、半田バンプ２３８は、モジュール基板２４０に電気及び機械的接続をもたらすことができ、モジュール基板２４０は、いずれかの適切な材料（複数可）を使用して形成され得、フォトニクスデバイス２００の様々な構成要素を担持するために使用され得る。
【0030】
図１Ａ、１Ｂ、及び２は、フォトニクスデバイス１００、１００’、２００の断面図の実施例を例示するが、様々な変更が図１Ａ、１Ｂ、及び２に行われ得る。例えば、各々のフォトニクスデバイス１００、１００’、２００は、いずれかの適切な配置においていずれかの適切な数の例示された構成要素の各々を含み得る。また、特定の必要性により、各々のフォトニクスデバイス１００、１００’、２００の１つ以上の構成要素が省略され得、または１つ以上の追加の構成要素が追加され得る。加えて、フォトニクスデバイス１００、１００’、２００及びそれらの個々の構成要素の様々なサイズ、形状、及び寸法は、必要に応じてまたは要求に応じて様々であることができる。
【0031】
図３Ａから３Ｍは、本開示に係る、フォトニクススタックを製造するための実施例の技術を例示する。より具体的には、図３Ａから３Ｆは、第１のフォトニクススタックを製造するための実施例の技術を例示し、図３Ｇは、フォトニクススタックを製造するための実施例の技術を例示し、図３Ｈから３Ｍは、第２のフォトニクススタックを製造するための実施例の技術を例示する。
【0032】
図３Ａに示されるように、完全に加工されたシリコンフォトニクスウェーハ３０２及びインタポーザウェーハ３０４が接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができる。当業者によって明白であるように、シリコンフォトニクスウェーハ３０２の活性領域（複数可）がインタポーザウェーハ３０４と対向するように（または、その逆）、シリコンフォトニクスウェーハ３０２が製造されることができ、次いで反転されることができる。シリコンフォトニクスウェーハ３０２は、活性デバイス及び不活性デバイスと共に、シリコン基板３０６、酸化物層３０８（埋め込み酸化物層など）、及びシリコン層３１０（エピタキシャルシリコン層など）を含むことができる。いくつかの実施形態では、インタポーザウェーハ３０４は、シリコン貫通ビア３０９または他の導電ビアを含み得る。他の実施形態では、インタポーザウェーハ３０４は、ＴＳＶを含んでいなくてもよく、シリコンフォトニクスウェーハ３０２内にＴＳＶまたは他の導電ビアが形成され得る。インタポーザウェーハ３０４は、機械的支持をもたらすために使用されることができ、シリコン貫通ビア３０９または他の導電ビアは、シリコンフォトニクスウェーハ３０２内の様々な電極を伴う電気接続のために使用されることができる。
【0033】
図３Ｂに示されるように、シリコンフォトニクスウェーハ３０２及びインタポーザウェーハ３０４は、機械的に分離不能で電気的に接続されたスタック３１２を形成するように、接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができる。図３Ｂはまた、化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程３１４を使用することによってなどの、シリコンフォトニクスウェーハ３０２のシリコン基板３０６の除去を例示する。しかしながら、研削工程または他の適切な工程など、いずれかの他の適切な工程が、シリコン基板３０６を除去するために使用され得ることに留意されたい。この実施例の実施形態では、シリコン基板３０６に対する除去工程は、酸化物層３０８とシリコン基板３０６との間の界面で停止することができる。
【0034】
図３Ｃに示されるように、フォトレジスト層３１６が堆積及びパターン化され、酸化物層３０８内の受けウインドウ３１９を開放するために、プラズマエッチング工程または他の適切なエッチング工程３１８が利用される。エッチング工程３１８は、受けウインドウ３１９を形成するように、少なくとも１つのロケーション内の酸化物層３０８の少なくとも一部を除去する。いくつかの実施形態では、エッチング工程３１８の後に、例えば、受けウインドウ３１９内に、約１００ナノメートル未満の厚みを有し得る、薄い酸化物層が残る。しかしながら、残る酸化物層の厚みについての他の値が使用されることができる。また、いくつかの実施形態では、酸化物層３０８の例示される部分を除去することは、反応性イオンエッチングとそれに続く緩衝酸化物エッチング工程などの優先的なエッチング工程によって実行され得る。図３Ｃに例示されるように、受けウインドウ３１９のエッチングの間に、構造の残りをマスクするためにフォトレジスト層３１６が使用される。
【0035】
図３Ｄに示されるように、結果として生じるフォトニクススタック３３０に１つ以上のＴＦＬＮチップレット３２０を付着するための接合工程または他の付着工程が示される。図３Ｄに例示されるように、付着の前に、ＴＦＬＮウェーハは、接合ポリマ層３２８により被覆され得、ＴＦＬＮチップレット３２０にダイス加工され得る。いくつかの実施形態では、接合ポリマ層３２８の厚みは、例えば、約４０ナノメートル～約１００ナノメートルであり得る。しかしながら、他の適切な厚み値が使用されることができる。様々な実施形態では、接合ポリマ層３２８は、ベンゾシクロブテンなどのいずれかの適切なポリマ材料（複数可）を含むことができる。各々のＴＦＬＮチップレット３２０は、基板３２２と、少なくとも１つの誘電材料（酸化シリコンなど）を使用して形成された誘電体層３２４と、薄膜ニオブ酸リチウム層３２６と、接合ポリマ層３２８とを含むことができる。いくつかの実施形態では、各々のＴＦＬＮチップレット３２０は、例えば、約１ミリメートル～約２ミリメートルの長さを有することができる。しかしながら、他の適切な長さが使用されることができる。図３Ｄに示される実施形態では、ＴＦＬＮチップレット３２０が選択され、受けウインドウ３１９の中に配置され、ＴＦＬＮチップレット３２０はその後、フォトニクススタック３３０に圧着され、またはその他の方法で付着される。しかしながら、他の実施形態では、直接接合の使用を通じてなど、接合ポリマ層３２８なしに、ＴＦＬＮチップレット３２０がフォトニクススタック３３０に接合され得ることに留意されたい。
【0036】
この時点で、ＴＦＬＮチップレット３２０とフォトニクススタック３３０との間に電気接続が存在し得ない。いくつかの実施形態では、薄い酸化物の層（酸化物層３０８の薄い部分など）が、受けウインドウ３１９内に残り得る。しかしながら、この薄い酸化物の層は、少なくとも有意な程度には、その後確立される電界に影響を及ぼさないとし得る。フォトニクススタック３３０にＴＦＬＮチップレット３２０をアライメントするためのアライメント許容度は、相対的に緩和され得る。例えば、いくつかの実施形態では、アライメント許容度は、±５ミクロンであることができる。開示されるシステム及び方法では、変調器電極及び導波管がシリコンフォトニクス構造内で形成され、よって、結果として生じる光学系及び電界がアライメントされることを理由に、それらの相対的に緩和されたアライメント許容度が達成可能である。フォトニクススタック３３０へのＴＦＬＮチップレット３２０のミスアライメントが、再度少なくとも有意な程度には、光学系及び電界の調整に影響を及ぼさないので、これは、ＴＦＬＮチップレット３２０が導波管に関して相対的に緩和されたアライメント許容度を有することを可能にすることができる。
【0037】
図３Ｅに示されるように、受けウインドウ３１９は、近赤外線（ＮＩＲ）透過ポリマまたは他のポリマ３３２などにより封止され、近赤外線透過ポリマまたは他のポリマ３３２は、受けウインドウ３１９及びＴＦＬＮチップレット３２０の側壁と酸化物層３０８との間のロケーションを充填する。いくつかの実施形態では、光学接着剤と称され得る、ポリマ３３２の屈折率は、酸化物層３０８の屈折率に合致することができまたはほぼ合致することができる。特定の実施例として、両方は、約１．４～約１．６の屈折率を有し得る。図３Ｆに示されるように、接合ウェーハ３３１上に半田バンプ３３４が形成されることができる。いくつかのケースでは、半田バンプウェーハ３３１は、ダイシングされ又はその他の方法で分割されて、モジュール基板３３６に接続され得る。
【0038】
図３Ａから３Ｆに例示された特定のステップは、本開示に係る、第１のシリコンフォトニクススタックを製造するための特定の技術を提供することを認識されるべきである。しかしながら、他のステップのシーケンスも、本開示の他の実施形態により実行され得る。例えば、本開示の他の実施形態は、異なる順序において上記概説されたステップを実行し得る。その上、図３Ａから３Ｆに例示された個々のステップのいずれかまたは全ては、個々のステップ（複数可）に適切であるとして様々なシーケンスにおいて実行され得る複数のサブステップを含み得る。更に、特定の用途に応じて、追加のステップが追加され得、またはステップが除去され得る。当業者は、多くの変形物、修正物、及び代替物を認識するであろう。
【0039】
図３Ｇに示されるように、フォトニクススタックを製造する方法は、ステップ３４０において、１つ以上の活性デバイスを有する、シリコン基板、酸化物層、及びシリコン層を含むものなど、シリコンフォトニクス構造を設けることを含む。図１Ａに例示されるように、シリコンフォトニクス構造１０２は、１つ以上のゲルマニウム領域１３０、１つ以上の高ドープｎ－領域１３２、及び１つ以上の高ドープｐ－領域１３４を有する１つ以上のゲルマニウムフォトダイオードなど、１つ以上の活性デバイス１２８を含むことができる。シリコンフォトニクス構造１０２はまた、シリサイド領域などの高ドープシリコン領域１４４を含み得る。シリコンフォトニクス構造１０２は更に、ポリシリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または光導波管形成のために適切な他の誘電材料（複数可）を含み得る。シリコンフォトニクス構造１０２は、相互接続のために使用される様々な金属及び導電薄膜層を含むことができる。
【0040】
ステップ３４２において、インタポーザ構造が設けられ、ステップ３４４において、シリコンフォトニクス構造が、インタポーザ構造に接着され、またはその他の方法で付着される。図１Ａに例示されるように、例えば、インタポーザ構造１０６は、半田バンプにシリコンフォトニクス構造１０２内の様々な電極を接続するために使用されるＴＳＶ１３６または他の導電ビアを含むことができる。ステップ３４６において、シリコン基板がシリコンフォトニクス構造から除去され、ステップ３４８において、受けキャビティを定義するように、埋め込み酸化物層または他の酸化物層の少なくとも１つの部分がシリコンフォトニクス構造から除去される。いくつかの実施形態では、シリコン基板３０６を除去することは、化学機械研磨工程を使用して実行される。また、いくつかの実施形態では、埋め込み酸化物層または他の酸化物層３０８を除去することは、反応性イオンエッチングとそれに続く緩衝酸化物エッチングを使用して実行される。
【0041】
ステップ３５０において、薄膜ニオブ酸リチウムクーポン（ＴＦＬＮチップレット３２０など）が受けキャビティ内に配置され、ステップ３５２において、受けキャビティが光学接着剤により封止される。いくつかの実施形態では、薄膜ニオブ酸リチウムクーポンは、埋め込み酸化シリコン層などの絶縁体層と、ハンドル基板とを含むことができる。封止接着剤は、シリコンフォトニクス構造１０２の絶縁体層の屈折率に合致しまたはほぼ合致する屈折率を有し得る。
【0042】
図３Ｇに例示される特定のステップは、本開示に係る、シリコンフォトニクススタックを製造するための特定の技術を提供することを認識されるべきである。しかしながら、他のステップのシーケンスも、本開示の他の実施形態により実行され得る。例えば、本開示の他の実施形態は、異なる順序において上記概説されたステップを実行し得る。その上、図３Ｇに例示された個々のステップのいずれかまたは全ては、個々のステップ（複数可）に適切であるとして様々なシーケンスにおいて実行され得る複数のサブステップを含み得る。更に、特定の用途に応じて、追加のステップが追加され得、またはステップが除去され得る。当業者は、多くの変形物、修正物、及び代替物を認識するであろう。
【0043】
図３Ｈに示されるように、完全に加工されたシリコンフォトニクスウェーハ３６２及びインタポーザウェーハ３６４が接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができる。当業者によって明白であるように、シリコンフォトニクスウェーハ３６２の活性領域（複数可）がインタポーザウェーハ３６４と対向するように（または、その逆）、シリコンフォトニクスウェーハ３６２が製造され得、次いで反転され得る。シリコンフォトニクスウェーハ３６２は、活性デバイス及び不活性デバイスと共に、シリコン基板３６６、酸化物層３６８（埋め込み酸化物層など）、及びシリコン層３７０（エピタキシャルシリコン層など）を含むことができる。いくつかの実施形態では、インタポーザウェーハ３６４は、シリコン貫通ビア３６９または他の導電ビアを含み得る。他の実施形態では、インタポーザウェーハ３６４は、ＴＳＶを含んでいなくてもよく、シリコンフォトニクスウェーハ３６２内にＴＳＶまたは他の導電ビアが形成されることができる。インタポーザウェーハ３６４は、機械的支持をもたらすために使用されることができ、シリコン貫通ビア３６９または他の導電ビアは、シリコンフォトニクスウェーハ３６２内の様々な電極を伴う電気接続のために使用されることができる。
【0044】
図３Ｉに示されるように、シリコンフォトニクスウェーハ３６２及びインタポーザウェーハ３６４は、機械的に分離不能で電気的に接続されたスタック３７２を形成するように、接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができる。図３Ｉはまた、化学機械的研磨工程３７４を使用することによってなどの、シリコンフォトニクスウェーハ３６２のシリコン基板３６６の除去を例示する。しかしながら、研削工程または他の適切な工程など、いずれかの他の適切な工程が、シリコン基板３６６を除去するために使用され得ることに留意されたい。この実施例の実施形態では、シリコン基板３６６は、工程３７４によって除去され、酸化物層３６８全体も、シリコンフォトニクスウェーハ３６２から除去され得る。
【0045】
図３Ｊに示されるように、結果として生じるフォトニクススタック３９０上に接合ポリマ層３７６がスピンコーティングされ、またはその他の方法で堆積されることができる。図３Ｋに示されるように、フォトニクススタック３９０を薄膜ニオブ酸リチウムチップレット３８０と接合し、またはその他の方法で付着するために、接合ポリマ層３７６が使用され得る。いくつかの実施形態では、接合ポリマ層３７６の厚みは、例えば、約４０ナノメートル～約１００ナノメートルであることができる。しかしながら、他の適切な厚み値が使用され得る。様々な実施形態では、接合ポリマ層３７６は、ベンゾシクロブテンなどのいずれかの適切なポリマ材料（複数可）を含むことができる。図３Ｋでは、ＴＦＬＮチップレット３８０（または、ウェーハ）は、接合ポリマ層３７６を使用して、フォトニクススタック３９０と接合されることができ、またはその他の方法で付着されることができる。しかしながら、他の実施形態では、直接接合の使用を通じてなど、接合ポリマ層３７６なしに、ＴＦＬＮチップレット３８０がフォトニクススタック３９０に接合され得ることに留意されたい。いくつかの実施形態では、ＴＦＬＮチップレット３８０は、例えば、約１ミリメートル～約２ミリメートルの長さを有することができる。しかしながら、他の適切な長さが使用され得る。
【0046】
図３Ｌに示されるように、接合されたフォトニクス構造は、近赤外線透過ポリマまたは他のポリマ３９２などにより封止される。いくつかの実施形態では、ポリマ３９２の屈折率は、約１．４～約１．６であることができる。また、いくつかの実施形態では、接合されたフォトニクス構造は、二酸化ケイ素のような無機誘電材料などを使用することによって封止され得る。図３Ｍに示されるように、接合されたウェーハ３９１上に半田バンプ３９４が形成されることができる。いくつかのケースでは、半田バンプウェーハ３９１は、ダイシングされ又はその他の方法で分割されて、モジュール基板３９６に接続され得る。
【0047】
図３Ｈから３Ｍに例示された特定のステップは、本開示に係る、第２のシリコンフォトニクススタックを製造するための特定の技術を提供することを認識されるべきである。しかしながら、他のステップのシーケンスも、本開示の他の実施形態により実行され得る。例えば、本開示の他の実施形態は、異なる順序において上記概説されたステップを実行し得る。その上、図３Ｈから３Ｍに例示された個々のステップのいずれかまたは全ては、個々のステップ（複数可）に適切であるとして様々なシーケンスにおいて実行されることができる複数のサブステップを含み得る。更に、特定の用途に応じて、追加のステップが追加され得、またはステップが除去され得る。当業者は、多くの変形物、修正物、及び代替物を認識するであろう。
【0048】
図３Ａから３Ｍは、フォトニクススタックを製造するための技術の実施例を例示するが、様々な変更が図３Ａから３Ｍに行われ得る。例えば、各々のフォトニクスデバイスは、いずれかの適切な配置においていずれかの適切な数の例示された構成要素の各々を含み得る。また、特定の必要性により、各々のフォトニクスデバイスの１つ以上の構成要素が省略され得、または１つ以上の追加の構成要素が追加され得る。更に、フォトニクスデバイス及びそれらの個々の構成要素の様々なサイズ、形状、及び寸法は、必要に応じてまたは要求に応じて様々であり得る。加えて、各々のフォトニクスデバイスを製造するために、いずれかの他の適切な技術が使用され得る。
【0049】
図４Ａ及び４Ｂは、本開示に係る、フォトニクスデバイス４００のシリコンフォトニクス構造内の導波管及び変調器電極、ならびに関係した詳細の実施例の図を例示する。図４Ａに示されるように、フォトニクスデバイス４００は、（ｉ）透過ポリマ４０２によって封止されたＴＦＬＮチップ４１２と、（ｉｉ）導波管４０８を有するシリコンフォトニクス構造４０４とを含むことができる。導波管４０８は、変調器電極４１０に隣接する。シリコンフォトニクス構造４０４はまた、「金属１」層４１８、「金属２」層４２０、及び「金属３」層４２２など、複数の金属層を含むことができる。金属層４１８、４２０、４２２は、相互接続のために、及び変調器電極４１０への電気駆動をもたらすために使用され得る。図４Ａにおいて見ることができるように、導波管４０８及び変調器電極４１０の部分は、共通平面内に配置されることができ、ＴＦＬＮチップ４１２は、隣接する平面内に配置され得る。
【0050】
変調器電極４１０は、導波管４０８に近接することができ、ＴＦＬＮチップ４１２に存在する電界を生成するために使用され得る。ここで見ることができるように、変調器電極４１０及び導波管４０８がシリコンフォトニクス構造４０４内で形成されることを理由に、結果として生じる光学モード４１６及び電界４０６がアライメントされる。ＴＦＬＮチップ４１２が、ミスアライメントなどに起因して位置４１４にずれても、光学モード４１６及び電界４０６は、なおもアライメントされたままである。したがって、開示されるシステム及び方法における電気－光学構造の本質的なセルフアライメントは、現在のアプローチに存在する平面内ミスアライメントに起因した障害を取り除くことができる。それらの障害は、例えば、増大した金属－光学モード重なりに起因した損失の増加、光学モード及び電界ミスアライメントに起因した有効なインデックス変調の低減、ならびに入力横方向電気及び横方向磁気（ＴＥ／ＴＭ）モードを混合ＴＥ＋ＴＭモードに変換する電界ベクトル不整合に起因した偏光及び強度変調を含み得る。例として、以前のアプローチを使用して、ＴＦＬＮチップとシリコンフォトニクス構造との間の０．５ミクロンのミスアライメントは、約２．６６ｄＢ／ｃｍの損失を生み出し得る。対照的に、本開示の実施形態を使用して、ＴＦＬＮチップ４１２とシリコンフォトニクス構造４０４との間の０．５ミクロンのミスアライメントは、損失をもたらさないとし得る。
【0051】
図４Ｂに示されるように、グラフは、図４Ａにおけるフォトニクス構造に対するミスアライメントオフセットに応じた電界強度を特定する曲線４３２を例示する。ここで見ることができるように、ＴＦＬＮチップ４１２が導波管４０８上で中心にされる場合、これは、図４Ｂにおけるゼロのミスアライメントオフセットを結果としてもたらす。図４Ｂにおいて見ることができるように、電界強度は、ミスアライメントオフセットが導波管４０８のロケーションの±５ミクロン以内にあるロケーションにおいて、相対的に高く一定である。よって、電界強度は、導波管４０８の部分の周りで－５ミクロン～＋５ミクロンのミスアライメントオフセット値についておおよそ１４０ＫＶ／ｍであると示される。
【0052】
図４Ａ及び４Ｂは、フォトニクスデバイス４００のシリコンフォトニクス構造４０４内の導波管４０８及び変調器電極４１０ならびに関係した詳細の図の実施例を例示するが、様々な変更が図４Ａ及び４Ｂに行われ得る。例えば、フォトニクスデバイス４００は、いずれかの適切な配置においていずれかの適切な数の例示された構成要素の各々を含み得る。また、フォトニクスデバイス及びその個々の構成要素の様々なサイズ、形状、及び寸法は、必要に応じてまたは要求に応じて様々であり得る。加えて、図４Ｂにおけるグラフは、例示であるにすぎず、電界強度は、フォトニクスデバイス４００の特定の実施態様に基づいて容易に変わり得る。
【0053】
図５Ａから５Ｃは、本開示に係る、シリコンフォトニクス変調器の実施例の動作特性を例示する。より具体的には、図５Ａは、１センチメートルの変調器アーム長についての周波数に応じた順電圧ゲイン係数（Ｓ２１）をプロットしたグラフを含む。Ｓ２１係数は、変調器の電気光学周波数応答を表す。図５Ａにおいて見ることができるように、Ｓ２１係数は、周波数スペクトルにわたって相対的に高い値を有し、それは、変調器の性能に対して有益である。図５Ｂは、図５Ａの変調器についての周波数に応じた入力ポート反射（Ｓ１１）係数をプロットしたグラフを含む。Ｓ１１係数は変調器に提供される光学信号の入力反射を表す。図５Ｂにおいて見ることができるように、Ｓ１１係数は、周波数スペクトルにわたって相対的に低い値を有する。Ｓ１１係数についての相対的に低い値は、電力効率と、反射に起因したグループ遅延変動を改善することができる。それらのグラフは、変調器の変調帯域幅が１００ギガヘルツまで上がり得ることを示す。
【0054】
図５Ｃは、図５Ａの変調器に対するバイアス電圧に応じた位相シフトをプロットしたグラフを含む。図５Ｃに例示されるように、バイアス電圧が増大するにつれて、位相シフトは、ライン５０８に沿って線形に増大し、最終的に約４ボルトのバイアス電圧においてπラジアン／ｃｍの位相シフトに到達する。バイアス電圧関係に応じた位相シフトは、デバイスの電気－光学変調効率の指標である。特に、ユニット長あたりπラジアン位相シフトに到達するためにより低い電圧が使用され得るとき、デバイスがより効率的である。図５Ｃに示すように、位相シフトは、バイアス電圧の相対的に低い値においてπラジアン／ｃｍの値に到達する。
【0055】
図５Ａから５Ｃは、シリコンフォトニクス変調器の動作特性の例を例示するが、様々な変更が図５Ａから５Ｃに行われ得る。例えば、図５Ａから５Ｃに示される動作特性は、例示であるにすぎず、シリコンフォトニクス変調器のいずれかの特定の実施態様または動作特性に本開示を限定しない。特定の実施例として、シリコンフォトニクス変調器についての変調効率の値は、図５Ｃに示される結果に限定されず、様々な実施形態では、図５Ｃのグラフに示されるよりも良好であり得る。
【0056】
図６Ａから６Ｅは、本開示に係る、実施例の光導波管６００及び関連する動作的特徴を例示する。ここでの光導波管６００は、例えば、シリコンフォトニクス構造２０２においてなど、上記説明されたフォトニクスデバイスのうちの１つ以上において使用され得る。図６Ａに示されるように、光導波管６００の平面図が示され、光導波管６００は、シリコン導波管６０２、ＬＮ－Ｓｉハイブリッド導波管６０４、及びＴＦＬＮ層６０６を含むことができる。この実施例では、シリコン導波管６０２は、ＬＮ－Ｓｉハイブリッド導波管６０４の真下に位置付けられ、ＴＦＬＮ層６０６のエッジは、位置６０８によって識別される。例示される実施形態では、導波管６００が拡張及び先細る領域内で、４段階先細り（テーパー）設計が使用される。
【0057】
図６Ｂは、図６Ａの導波管の伝播断面内の光学フィールド強度の例を例示する。図６Ｂに示すように、光学フィールド強度は、図６Ｂの中心部分において最大であり、図６Ｂの最上部エッジ及び底部エッジに沿って著しく弱くなる。図６Ｃは、シリコン導波管６０２への光学モード入力の実施例の断面図を例示し、図６Ｄは、ハイブリッド導波管６０４によって出力される光学モードの実施例の断面図を例示する。図６Ｃ及び６Ｄに例示されるように、本開示の実施形態は、シリコン導波管とハイブリッド導波管モードとの間のモデル不整合と、封止ポリマ（約１．４４～約１．４５の屈折率ｎを有する）及びニオブ酸リチウム（約２．２の屈折率ｎを有する）の連結によって生じるインデックス不整合とを克服する能力を有する。
【0058】
図６Ｅは、異なる量の導波管ミスアライメントについて、波長に応じた導波管損失を例示する。図６Ｅに示されるように、名目上のケースである、正確にアライメントされた導波管の実施例が曲線６１４によって例示される。正確にアライメントされた導波管について、導波管損失は、１５００ナノメートルの波長における約０．０６から変動し、１５６０ナノメートルの波長でわずかに減少し、１６００ナノメートルの波長において約０．０７ｄＢまで増大する。曲線６１６は、１０ミクロン（ミスアライメントの±５ミクロンなど）によるシリコン導波管に対するＴＦＬＮチップレットのミスアライメントの例を例示する。曲線６１４と曲線６１６との間の差から見られ得るように、波長範囲全体にわたるシリコン導波管とＴＦＬＮチップレットとの間のミスアライメントの値に関わらず、導波管損失における差は、０．０１ｄＢ未満である。
【0059】
いくつかの実施形態では、シリコン導波管６０２のパワーハンドリング能力を増大させるために、ＰＩＮダイオードがシリコン導波管６０２に導入され得る。開示されるシステム及び方法を使用すると活性デバイスがＴＦＬＮとコロケートされることができるので、ＰＩＮダイオードの導入が達成されることができるのに対し、従来の技術を使用すると、禁止されないとしても、導波管へのＰＩＮダイオードの導入は困難となる。
【0060】
図６Ａから６Ｅは、光導波管６００及び関連する動作的特徴の１つの例を例示するが、様々な変更が図６Ａから６Ｅに行われ得る。例えば、光導波管６００及びその個々の構成要素の様々なサイズ、形状、及び寸法は、必要に応じてまたは要求に応じて様々であり得る。また、図６Ｂから６Ｅに示される動作的特徴は、例示であるにすぎず、光導波管のいずれかの特定の実施態様または動作特性に本開示を限定しない。
【0061】
図７Ａ及び７Ｂは、本開示に係る、シリコンフォトニクス変調器の実施例の特性を例示する。いくつかの実施形態では、フォトニクス構造内での多層金属層の利用は、進化したマイクロ波エンジニアリング技術を可能にすることができる。例えば、図７Ａは、シリコンプッシュ－プル変調器についての周波数に応じた応答をプロットした曲線７１２を有するグラフを例示し、シリコンプッシュ－プル変調器は、図１Ａに示されるように実装され得、シリコンプッシュ－プル変調器は、多層金属層を利用し得る。
【0062】
図７Ｂは、図１Ａのシリコンプッシュ－プル変調器についての周波数に応じた入力ポート反射係数をプロットした曲線７１４を有するグラフを例示し、シリコンプッシュ－プル変調器は、多層金属層を再度利用する。図７Ａ及び７Ｂに示されるように、３ｄＢ帯域幅は、４０ギガヘルツまで増大することができ、それは、従来の技術を使用して達成され得る帯域幅よりも３０％の増大を表す。その上、シリコンフォトニクスデバイス内の多層金属が、同一平面上の導波管に沿った電気信号伝播とハイブリッド導波管における光学フィールド伝播との間のグループ速度整合に対して採用されることが可能である。
【0063】
図７Ａ及び７Ｂは、シリコンフォトニクス変調器の特性の例を例示するが、様々な変更が図７Ａ及び７Ｂに行われ得る。例えば、図７Ａ及び７Ｂに示される特性は、例にすぎず、シリコンフォトニクス変調器のいずれかの特定の実施態様または特性に本開示を限定しない。
【0064】
いくつかの実施形態では、シリコンフォトニクスにおける非線形光学材料のインテグレーションのための開示されるシステム及び方法は、単一モードの導波管と変調器ハイブリッドモードとの間のモード不整合損失を著しく緩和することを可能にすることができる。いくつかのケースでは、かなりの（±１０ミクロンなど）ミスアライメントが存在するときでさえ、これは、シリコン導波管とＴＦＬＮ内の変調器ブロックとの間で、０．１ｄＢの超過損失未満で９８％を超えるカップリング効率を可能にし得る。その上、様々な実施形態では、開示されるシステム及び方法は、既存のシリコンフォトニクス製造フローを使用してシリコンフォトニクスにおける非線形光学材料のインテグレーションを可能にし得、それによって、既存のフォトニクスプロセス開発キット（ＰＤＫ）の再利用を可能にする。更に、開示されるシステム及び方法は、高密度、多機能フォトニクス集積回路（ＰＩＣ）デバイスを可能にすることができる。例えば、それらのデバイスは、それらに限定されないが、ファイバ及びレーザ連結デバイス、偏光管理デバイス、非線形損失管理導波管、導波管遷移、コヒーレント受信機、フォトディテクタ、またはデジタルシリコン変調器などを含むことができる。いくつかの実施形態では、特定用途ＰＩＣは、０．１ｃｍ３の体積未満で３００よりも多いデバイスを含むことができる。これは、本開示の実施形態により実装される回路によって利用される０．１ｃｍ３の体積よりも１００，０００倍大きい空間を現状では典型的に占有し得るものである同一の回路を実装するディスクリート光学デバイスのデバイス密度特性とは対照的である。当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、シリコンフォトニクスにおける薄膜非線形光学材料のインテグレーションをサポートするようにシステム及び方法の様々なアプリケーションを実装するために、本開示のシステム及び方法への他の変更が行われ得ることを認識するであろう。
【0065】
本特許文書全体を通して使用される特定の単語及び語句の定義を記載しておくと有利な場合がある。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、ならびにそれらの派生語は、制限なく含むことを意味する。「または」という用語は、包括的であり、及び／またはを意味する。「に関連する（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ）」という語句、及びその派生語は、含む、その内に含まれる、それと相互接続する、収容する、その内に収容される、それにまたはそれと接続する、それにまたはそれと結合する、それと通信可能である、それと連携する、インターリーブする、並列する、それに最も近い、それにまたはそれとバインドされる、有する、そのプロパティを有する、それにまたはそれと関係するなどを意味することがある。「のうちの少なくとも１つ」という語句は、項目のリストと共に使用される場合、リストに挙げられた項目のうちの１つまたは複数の異なる組み合せを使用してもよく、リスト内の１つの項目のみを必要とする場合があることを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」は、次の組み合わせ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、ならびにＡ及びＢ及びＣのいずれかを含む。
【0066】
本開示における説明は、いずれかの特定の要素、ステップ、または機能が特許請求の範囲内に含まれなければならない必須のまたは重要な要素であることを黙示するものとして読まれるべきではない。特許主題の範囲は、許可された特許請求の範囲によってのみ定義される。更に、「のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」または「のためのステップ（ｓｔｅｐ ｆｏｒ）」という正確な語句が特定の請求項において明示的に使用され、その後に機能を特定する分詞句が続かない限り、いずれの請求項も、添付の特許請求の範囲または請求項の要素のいずれに関しても、米国特許法第１１２条（ｆ）を行使しない。請求項内の「メカニズム」、「モジュール」、「デバイス」、「ユニット」、「コンポーネント」、「要素」、「部材」、「装置」、「マシン」、「システム」、「プロセッサ」、または「コントローラ」のような用語の使用は（限定ではないが）、請求項自体の特徴によってさらに修正されるまたは強化される、当業者に知られている構造体を指すことが理解され、それを指すことを意図したものであり、米国特許法第１１２条（ｆ）を行使することを意図したものではない。
【0067】
本開示が特定の実施形態及び一般的に関連する方法を説明してきたが、これらの実施形態及び方法の代替形態及び置換形態は、当業者には明らかであろう。したがって、例示的な実施形態の上記の説明は、本開示を定義または制約するものではない。以下の特許請求の範囲によって定義されるような、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換、及び代替も可能である。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図3H】
【図3I】
【図3J】
【図3K】
【図3L】
【図3M】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図7A】
【図7B】
【国際調査報告】