JP4515768B2 - 光学回路製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、統合された光学装置に関し、より具体的には、改良された光通信用光回路（ＰＬＣ）装置に関する。

光通信用回路モジュールは、多くの光通信、センサ、及び器械装置の一体部分を形成する。このような光通信用回路装置においては、多数の光学部品が適当な位置に剛に保持されており、典型的には光学繊維の長さの導波路が、要求に応じて、部品を光学的に接続するのに用いられる。光学部品及び相互接続繊維は、好適な基板上の適当な位置に保持される。

シリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）は、光通信用回路のための組立技術の一例である。名称が示唆するように、ＳｉＯＢは、シリコン又は同様の半導体材料から形成された光学ベンチである。溝及びスロットが微細加工工程を用いてシリコン材料にエッチングされて、種々の光学部品を保持する。高精度の微細加工工程は、光学部品及び光学繊維が、種々のスロット及び溝において、互いに対して精密に位置合わせされることを可能にする。このことは、部品のいわゆる「受動的な位置合わせ」であり、光学回路の種々の部品を、互いに対して位置合わせすることを積極的に確実にする必要性を減少させる。光はさらに、レンズなどのような自由空間光学を用いて、種々の光学部品間に向けられることがある。

さらに、種々の材料層を堆積して、ＳｉＯＢと一体的な導波路を形成できることが周知であり、例えば、ＵＳ４９０２０８６及びＥＰ０８５６７５５を参照されたい。典型的には、シリカのような基部層がシリコン基板上に形成される。高屈折率をもつドープ処理されたシリカ層、すなわちコア層が、次に、低屈折率の基部層の上部に堆積される。コア層は、適切な導波路を形成するようにパターン形成される。任意的に、低屈折率材料の上方被覆層を、さらにパターン加工されたコア層上に堆積する。換言すると、導波路は、別々の光学繊維として製造されるのではなく、シリコン基板上に直接形成される。

ＳｉＯＢに基づくものを含む公知の光通信用回路装置の欠点は、効率的な光学接続を確実にするために各光学部品が関連する導波路と位置合わせされなければならない高精度である。さらに、光学繊維と光学部品との正確な物理的位置合わせを確実にするために、各シリカ導波路の端部からの望ましくない反射を最小にすることも必要である。このことは、光学部品に対する導波路の屈折率整合、又は、ゲル又は反射防止コーティングの使用を必要にする。レンズは、さらに、部品間の光の自由空間結合を可能にすることが要求される。これらの必要条件は、光通信用回路製造の複雑さを増加させ、したがって、費用を増加させることになる。

本発明の目的は、少なくとも幾つかの上述の欠点を緩和することである。

本発明の第１の態様においては、光通信用光回路装置は、半導体基板と、２つ又はそれ以上の光学部品とを備え、前述の２つ又はそれ以上の光学部品を光学的にリンクさせる１つ又はそれ以上の中空コア光導波路が該半導体基板に形成される。

本発明は、部品間の相互接続のために光学繊維を与えること、又は、中実コア導波路を形成する材料層を堆積することに対する必要を取り除くため、従来技術の回路装置に比べて有利である。本発明は、従来技術の装置より製造が容易であり、したがって、低価格である光通信用光回路（ＰＬＣ）を与える。

中空光導波路により部品をリンクさせることにおけるさらに別の利点は、光学部品を相互接続するのに中実コア（典型的には、シリカ又はシリコン）導波路を用いる従来技術の光通信用回路に対して、回路が取り扱うことができる光学的パワーが増加することである。さらに、屈折率整合ゲル又はエポキシ、或いは反射防止コーティングは、導波路の面に必要とされない。

中空導波路は、光をＰＬＣの部品間に導くように形成される。光学部品は、例えば、ビーム分割器／再結合器、エタロン構造、レンズ、波長板、変調器、レーザ、光検知器、又は作動された光学部品のような光信号を生成するか、検知するか、又はこれに作用するあらゆる装置である。光学部品という用語は、さらに、中空導波路に形成されるか又は該中空導波路から形成される表面格子特性などのような光学的構造を含むものとする。中空コア導波路は、平面、すなわち以下に説明するように二次元的に導波するものとすることができる。光学部品は、さらに、例えば、光をＰＬＣに対して、又は該ＰＬＣから外に結合するのに用いられる光学繊維ケーブルのような光学繊維とすることができる。

半導体基板は、微細加工技術を用いて、高精度でエッチングすることができる。基板は、例えば、ＳｉＧｅ又は絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）又はガラス上シリコンのような多層ウエハを含むという利点を有する。当業者は、微細加工技術は、典型的には、パターンを定める平板印刷技術段階と、これに続いて、このパターンを基板材料上であるか該基板材料における１つ又はそれ以上の層に変換する段階とを含むことが分かるであろう。平板印刷技術段階は、写真平板技術、ｘ線、又はｅビーム平板印刷技術を含むことができる。エッチング段階は、イオンビームミリング、化学的エッチング、ドライ・プラズマ・エッチング、又は深奥乾式エッチング（深奥シリコンエッチングともいわれる）を用いて実行することができる。この種類の微細加工技術は、さらに、スパッタリング、ＣＶＤ、及び電気めっきのような種々の層堆積技術と両立性がある。

半導体基板は、光学部品を位置合わせ状態で受け取るようにされた１つ又はそれ以上の位置合わせスロットを含むことが有利である。位置合わせスロットは、光学部品を受け入れるのに必要とされる形状に形成され、したがって、中空コア光導波路より深い／浅い、及び／又は、幅広い／狭いことになる。

位置合わせスロットは、したがって、これらが受け取る光学部品を位置合わせするのに十分な精度をもって製造されることになる。光学部品をこのような位置合わせスロットに置くことは、該光学部品を本質的に位置合わせすることになり、部品の位置合わせ又は調整段階は、必要とされない。電子回路などの製造に用いられる種類の通常のピック・アンド・プレイス技術を用いて、光学部品を位置合わせスロットに置いでもよい。

或いは、ピック・アンド・プレイス技術は、必要な位置合わせを与えることができる。例えば、部品が置かれ、次いで位置合わせ状態のまま残るように固定された（例えば、のりづけされた）とき、この部品を正確に位置合わせすることができる。

位置合わせスロットと、（特に）光学部品は、特定の大きさの許容差で製造される。光学部品と関連する中空コア光導波路との間の結合効率は、該中空コア導波路に対する該光学部品の位置合わせにおける角度方向誤差が減少すると、増加する。しかし、中空コア導波路の横断面寸法を減少させることは、角度方向位置合わせ許容範囲を増加させるものとなるが、コア寸法の減少及び横方向位置合わせ許容誤差の増大（厳格化）のために光導波路における損失が僅かに増加するという犠牲を伴う。
したがって、特定の光部品により達成される位置合わせ許容誤差の知識（例えば、光学部品の製造許容差の知識による）は、中空コア導波路の寸法を、高い結合効率が確実になるように選択することを可能にする。

位置合わせスロットは、さらに、中実コアコア光学繊維を適当な位置でクランプし、したがって、光学的入力／出力がＰＬＣに対してなされるのを可能にするように形成することができる。階段状の光学繊維位置合わせスロットをさらに形成して、バッファ層及び被覆の両方を保持することができる。例えば、位置合わせスロットにおける光学繊維の被覆をクランプすることにより達成された、中空コア光学繊維のコアとＰＬＣ上の中空コア導波路との位置合わせは、空心対空心の接続は、如何なる望ましくない反射もないために、特に有利である。

光学繊維のコアとＰＬＣの中空コア導波路との間に有効な結合を与えるために、該中空コア導波路の断面は、該光学繊維のコアの断面に適したものであるべきである。中実コアコア繊維の場合には、被覆の中への漏れは、該繊維により支持されるモード幅が、実際にはコア直径より大きいことを意味し、例えば、典型的には、１０μｍの中実コア単一モードガラス繊維は、約１４μｍ直径の合計フィールド幅を有する。モード幅が、中空コア導波路のそれとは異なる場合には、レンズ（例えば、ボール又はＧＲＩＮロッドなど）を用いて、光が、ＰＬＣの中空コア導波路のそれとは異なる大きさのコアをもつ繊維に／から結合されるように光学的フィールドを拡げるか又は減少させることができる。中実コア繊維の繊維端部は、反射防止性のものとすることができる。

２つ又はそれ以上の光学部品のうちの１つ又はそれ以上は、半導体基板材料から形成されており、すなわち、モノリシック部品を形成できることが好都合である。

或いは、ＰＬＣを構成し、かつ半導体基板に形成された中空コア導波路を介して相互接続される幾つか又はすべての光学部品を、上述のように半導体基板に取り付けることができ、換言すると、混成装置を形成することができる。

前述の２つ又はそれ以上の光学部品の少なくとも１つは、マイクロ電子機械（ＭＥＭＳ）装置を含むという利点を有する。ＭＥＭＳ部品は、混成であってもモノリシックであってもよい。ＭＥＭＳは、マイクロマシン加工要素、マイクロシステム技術、マイクロロボティクス、及びマイクロ工学を含むものとされる。ＭＥＭＳ光学部品の例は、位置合わせ要素、ポップダウン・フレスネルレンズ、ジャイロスコープ、可動ミラー、調整可能なファブリ・ペロキャビティ、適応光学要素、スイッチ、可変光学減衰器、フィルタなどを含む。

半導体基板は、光通信用光回路装置の基体部分を形成し、前述の中空コア光導波路を形成するために、蓋部分が付加的に形成されることが好都合である。

１つ又はそれ以上の光学部品が蓋部分に取り付けられることが有利である。光学部品は、単独で蓋に取り付けてもよいし、単独で基体部分に取り付けてもよいし、又は、該蓋及び該基部の両方に取り付けてもよい。

蓋部分は、シリコンのような半導体材料から形成することができ、１つ又はそれ以上の光学部品をその上に形成できるという利点を有する。或いは、蓋部分はガラスから形成することができる。例えば、蓋が基板と同じ半導体材料から形成されることにより、該蓋は、該基板と同じ熱膨張特性を有するべきであることが好ましい。

蓋に取り付けられた部品の場合においては、基体部分は、中空コア導波路構造を形成するように、及び蓋部分から形成された、又は該蓋部分に取り付けられた光学部品のための凹部を与えるようにエッチングされる。蓋部分を基体部分に取り付けることは、光学部品を該基体部分の光導波路と位置合わせすることを可能にする。当業者は、精密な位置合わせ嵌合部品又はウエハ又はチップ位置合わせ工具のような種々の技術を、蓋及び基部の正確な位置合わせを確実にするために与えることができることが分かるであろう。或いは、光学部品の幾つか又はすべてを、直接、基体部分に形成された位置合わせスロットに取り付けることができる。このことは、蓋部分及び基体部分を精密に位置合わせすることなく、該蓋部分を該基体部分に取り付けることを可能にする。

蓋部分は、反射コーティングを支持することが好都合である。反射コーティングは、要求に応じて、蓋部分のすべて、又は該蓋部分の選択された部分だけを覆うことができる。反射コーティングは、作動波長域内での導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する、例えば、金、銀、又は銅のような材料層を含むという利点を有する。或いは、１つ又はそれ以上の誘電材料層であるか又は炭化ケイ素の層を形成することができる。

当業者は、蓋部分及び基体部分を互いにどのように接合できるかが分かるであろう。例えば、導電又は非導電エポキシのような中間層を用いることができる。或いは、金属層が低屈折率層として用いられる場合には、金属−半導体共晶接合を形成することができる。ガラスフリット技術を用いて、蓋を半導体基体部分に接合するか、又は、蓋部分がガラスから形成されている場合には、陰極技術を用いることができる。

半導体基板は、シリコンからなることが有利である。これは、例えば、ウエハ形態（例えば、Ｓｉ、絶縁体上シリコン、又はガラス上シリコン）、のような種々の形態であるか、又はＳｉ基板上のエピタキシャル層（例えば、ＳｉＧｅ又はＧａＡｓ）として形成することができる。ＳＯＩを用いることが有利である。

１つ又はそれ以上の中空コア光導波路を形成する第１の内側表面の光学的特性は、その中空コア光導波路を形成する第２の内側表面の光学的特性とは異なることが好都合である。このことは、以下に図６に関してより詳細に説明されるように、特定の偏光の光をより効率的に導く中空導波路を形成することを可能にする。

前述の１つ又はそれ以上の中空コア光導波路の少なくとも幾つかの内側表面は、反射コーティングを支持することが有利である。

反射コーティングは、作動波長域内での導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する材料層を含むという利点を有する。

中空コア導波路より低い屈折率を有する材料層は、ＰＬＣ導波路内の光の全内反射（ＴＩＲ）を与え、したがって、光損失の量を減少させる。

中空コア光導波路構造が生成されたときには、中空コアは、空気で充填される傾向がある。したがって、ここでは、コアの屈折率は、気圧及び温度における空気の屈折率であると仮定される

しかしながら、これは、本発明の範囲を制限するものであると決して見なされるべきではない。中空コアは、あらゆる流体（例えば、液体であるか又は窒素のような不活性ガス）を含むことができ、又は真空であってもよい。中空コアという用語は、単純に、如何なる固体材料もないコアのことを意味する。さらに、全内反射（ＴＩＲ）という用語は、ここでは、減衰された全内反射（ＡＴＩＲ）を含むものとする。

中空コア光導波路の内側表面上に支持される反射材料は、金、銀、又は銅のような金属であることが好都合である。金属は、金属の物理的特性により管理される波長帯において、好適な低い屈折率を示し、１９９８年、ロンドン、アカデミックプレスのＥ．Ｄ．Ｐａｌｉｌｋによる「光学的定数の手引き」のような標準的な教科書は、種々の材料の波長に依存する屈折率についての正確なデータを与える。具体的には、金は、約５００ｎｍから２．２μｍまでの範囲内の波長において、空気の屈折率より低い屈折率を有し、これは、１４００ｎｍから１６００ｎｍまでの重要な電気通信帯域内の波長を含む。銅は、５６０ｎｍから２２００ｎｍまでの波長帯において、１より低い屈折率を示し、銀は、３２０ｎｍから２４８０ｎｍまでの波長帯において、同様の屈折率特性を有する。

当業者に周知の種々の技術を用いて、金属層を堆積することができる。これらの技術は、スパタリング、蒸着、化学気相反応法（ＣＶＤ）、及び（電気又は無電解）めっきを含む。ＣＶＤ及びめっき技術は、顕著な方向に依存する厚さの変動なしで、金属層を堆積することを可能にする。回転サンプル及び／又はソースを用いるスパッタリングは、さらに、カバーさえも与える。めっき技術は、バッチ（すなわち、多基板平行）処理を担うことを可能にするため、特に有利である。

当業者は、金属層を堆積する前に、接着層及び／又は隔壁層を、中空導波路上に堆積できることが分かるであろう。例えば、金を堆積する前に、クロム又はチタンの層を接着層として設けることができる。さらに、金を堆積する前に、プラチナのような隔壁層を接着層の上に堆積することができる。或いは、組み合わされた接着及び拡散層（窒化チタン、チタンタングステン合金、又は絶縁層のような）を用いることができる。

反射コーティングを、すべて絶縁性の又は金属誘電体のスタックにより、中空導波路（あらゆる蓋部分を含む）の内側表面上に形成できることが好都合である。当業者は、誘電体層の光学的厚さは、コーティングの反射特性を定める干渉効果を与えることが分かるであろう。誘電材料は、ＣＶＤであるか、スパッタリングであるか、又は反応性スパッタリングにより堆積することができる。或いは、誘電体層は、堆積された金属層との化学反応により形成することができる。例えば、銀の層をハロゲン化物と化学反応させて、ハロゲン化銀の薄い表面層を生成することができる。

換言すると、反射コーティングは、すべて絶縁性であるか又は金属誘電体のスタックにより形成することができる。当業者は、誘電体層の光学的厚さは、要求される干渉効果を与え、したがって、該コーティングの反射特性を定めることが分かるであろう。コーティングの反射特性は、さらに、中空コア導波路が形成される材料の特性に、ある程度依存することがある。したがって、下にある半導体基板はさらに、基部層を形成することができ、あらゆるこのような多層の誘電体スタックの一部になる。

さらに、中空コア導波路の内側表面に支持される材料層は、炭化ケイ素であることが好都合である。

上述のように、あらゆる要求される波長において、有効な作動を与えるように、低屈折率材料の層を選択することができる。炭化ケイ素は、１０．６μｍにおいて０．０６の屈折率を有し、このような材料を、このような波長で作動する装置に含むのに特に適したものにする。

１つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの少なくとも１つのは、ほぼ長方形の（ここでは正方形を含むものとする）断面を有することが有利である。正方形の、又はほとんど正方形の断面の中空コア導波路は、損失が、実質的に、偏光非依存性のものであり、光の偏光状態が分からないか又は変化する場合に好ましい導波路をもたらす。

長方形の中空コア導波路は、第１の導波路壁に対して平行な第１の断面寸法と、前述の第１の断面寸法に対して垂直な第２の断面寸法とを有し、該第１の断面寸法は、該第２の断面寸法より少なくとも５％であるか、１０％であるか、１５％であるか、２５％であるか、又は５０％だけ大きいことが好ましい。図７Ｄに関して述べられるように、このような導波路は、公知の偏光の直線偏光に好ましい。

少なくとも１つの長方形の内側断面の中空コア光導波路を定める表面の屈折率は、ほぼ等しいことが有利である。このことは、導波路における偏光依存の損失を減少させることができる。

長方形の内側断面の中空コア導波路を形成する向かい合う表面は、ほぼ等しい有効屈折率を有し、該長方形の内側断面の中空コア導波路を形成する隣接する表面は、異なる有効屈折率を有することが好ましい。以下の図７Ａから図７Ｃまでを参照して述べられるように、対向する導波路壁の対の屈折率を調整することは、公知の直線偏光を導くときに、透過損失を減少させることを可能にする。

長方形の内側断面の中空コア光導波路の一対の向かい合う表面は、高屈折率のコーティングを支持することが有利である。このことは、以下に述べられるように、ｓ偏光された光が反射される場合に好ましい高屈折率を与える。

基板の半導体材料を、さらに、ドープ処理して、中空コア導波路の損失を減少させるようにその光学的特性を修正することができる。

１つ又はそれ以上の中空コア導波路のうちの少なくとも１つは、基本モードの伝播を支持することが好都合である。さらに、１つ又はそれ以上の中空コア導波路のうちの少なくとも１つは、多モードの伝播を支持するという利点を有する。多モード領域は、以下により詳細に説明されるように、イメージ再形成が生じる長さであることが好ましい。

当業者は、中空コア導波路の形状及び寸法は、関連する光学的導波特性に影響を与えることが分かるであろう。例えば、先細になった中空導波路を用いて、ビームの拡がり又は圧縮機能を与えることができる。微細加工技術を用いて、中空コア導波路を製造することができる高解像度は、要求に応じて、ＰＬＣ作動を最適化するように誘導特性を調整することを可能にする。しかしながら、当業者は、中空コア光導波路の形状は、用いられる微細加工工程の種類によって、ある程度決定されることが分かるであろう。例えば、ｖ字形態の溝を［１００］シリコンに容易に湿式エッチングすることができ、長方形の導波路を湿式エッチングにより［１１０］シリコンに容易に形成することができる。しかしながら、深奥反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）は、製造において最大の容易さを与える。

この装置は、０．１μｍから２０μｍまで、０．８μｍから１．６μｍまでの波長帯内、より好ましくは１．４μｍから１．６μｍまでの範囲における放射線による作動のために形成されることが有利である。金、銀、及び銅のコーティングは、したがって、これらの金属を、電気通信波長域における作動のために（すなわち、約１．５５μｍに集中した波長における使用）、ＰＬＣ装置に含むのに特に適したものにする。この装置は、３ないし５μｍ又は８ないし１２μｍの赤外線帯域で作動できるという利点を有する。

半導体基板は、光学繊維ケーブルを受け取るようにされ、かつ前述の光学繊維ケーブルを前述の半導体基板の１つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの１つと光学的に結合するように配置された少なくとも１つの位置合わせスロットを含むことが好都合である。

さらに、モード適合手段を位置合わせスロット付近に設けて、光学繊維のモードと、異なるコア直径の中空コア光導波路の類似したモードとの間の結合を可能にするという利点を有する。例えば、基本モードの光学繊維の場合においては、モード適合手段は、この繊維の基本モードと中空コア導波路の基本モードとを結合する。多モードの伝播の場合においては、光学繊維のモードスペクトルは、中空コア導波路のモードスペクトルに適合させられる。モード適合手段は、ＧＲＩＮロッド、球面レンズ、通常のレンズ、又はフレスネルレンズを含むという利点を有する。

或いは、位置合わせスロットは、レンズ形状にされた光学繊維を受け取るように配置することができる。

位置合わせスロットは、中空コアの光学繊維を受け取るように配置されることが好ましい。光学繊維は、多モードであってもよいし、単一モードであってもよい。

前述の２つ又はそれ以上の光学部品のうちの少なくとも１つは、光を、半導体基板の平面の外に向けるように傾斜された鏡面を含むことが有利である。鏡面は、モノリシック構成（例えば、図１５において述べられるような傾斜した半導体表面）であってもよいし、ハイブリッド構成であってもよい。換言すると、ＰＬＣは、光を基板表面の平面に導波することに限定されていない。光は、基板の平面の外に向けることができる。例えば、スタックされた又は３次元のＰＬＣを、本発明により製造することができる。

ＰＬＣは、さらに、少なくとも１つのマイクロ波部品及び／又は中空コアマイクロ波導波路を含むことができるという利便性を有する。換言すると、光学的／マイクロ波混成回路を形成することができる。

本発明の第２の態様においては、光通信用光回路のための基体部分は、１つ又はそれ以上の中空チャネルが形成された半導体基板を含み、前述の基体部分は、適切な蓋部分と組み合わせされた場合には、少なくとも１つの中空コア光導波路が形成されるように配置される。

少なくとも１つのスロットを基体部分の半導体基板に形成して、光学部品を位置合わせ状態で受け取ることが好都合である。

本発明の第３の態様においては、光通信用光回路のために基体部分は、１つ又はそれ以上の中空導波路チャネルと、光学部品を位置合わせ状態で受け取る少なくとも１つのスロットとが形成された半導体基板を含む。

本発明の第４の態様においては、光通信用光回路を製造する方法は、本発明の第２又は第２の態様により、基体部分を取り出す段階と、これに蓋を取り付ける段階とを含む。

本発明の第５の態様においては、光通信用光回路装置を製造する方法は、使用において、中空コア導波路として作用するのに適した１つ又はそれ以上の中空チャネルを半導体基板に微細加工する段階を含む。

光学部品の適切な受動的な位置合わせのために、スロットを半導体基板に製造する付加的な段階を実行することが好都合である。スロットは、微細加工技術を用いて、又はレーザ加工のような精密工学により製造することができる。

この方法は、中空チャネルの内側表面を、作動波長域内での導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する材料層によって被覆する付加的な段階を含むという利点を有する。

本発明の第６の態様においては、光通信用光回路を製造する方法は、（ａ）少なくとも１つの中空コア導波路と、光学部品を受け取る少なくとも１つのスロットが形成された半導体基板を取り出す段階と、（ｂ）光学部品を、該少なくとも１つのスロットの中に導入する段階とを含み、光学部品を少なくとも１つのスロットの中に導入する段階は、さらに、前述の光学部品を位置合わせするように作用する。

本発明の第７の態様においては、変形可能な材料層にパターンを形成するのに適したマスターが設けられ、該マスターは、前述の変形可能材料において、少なくとも１つの中空導波路チャネル及び少なくとも１つの位置合わせスロットを形成するように適切にパターン加工された半導体材料を含み、前述の少なくとも１つの位置合わせスロットは、光学部品を位置合わせ状態で受け取るように構成されている。

或いは、マスターは、サブマスターの製造を可能にする半導体材料に形成することができる。サブマスターは、次いで、変形可能な材料に要求されるパターンを形成して、ＰＬＣを定めるように用いることができる。マスター又はサブマスターは、さらに、要求されるパターンを固定可能な層に形成する金型として用いることができる。

本発明の第８の態様においては、光通信用光回路を形成する方法は、（ａ）本発明の第７の態様によるマスターを用いて、変形可能材料層に、恒久的にパターンを形成する段階と、（ｂ）少なくとも１つの光学部品を、変形可能な材料に形成された少なくとも１つのスロットの中に導入する段階とを含む。

光通信用光回路は、このようにして、１つ又はそれ以上の中空コア光導波路が形成された半導体基板を含むものとして説明される。

ここで、本発明を、例示に過ぎないものとして、添付の図面を参照して説明する。
図１を参照すると、典型的な従来技術のシリコン光学ベンチ装置が示されている。
図１Ａは、微細加工により作られた中空チャネル４と、一対のはんだ接続器６とを有するシリコン光学ベンチ２を示す。シリコン光学ベンチ２は、レーザ８及びシリカ光学繊維ケーブル１０を保持するように構成されている。
図１Ｂは、シリカ光学繊維１０及びレーザダイオード８がシリコン光学ベンチ２上に取り付けられた状態を示す。中空チャネル４は、十分に高い精密さで形成されるため、レーザ８からの光学的出力は、シリカ光学繊維１０の端部と精密に位置合わせされる。はんだ接続器６は、電気接続を与え、レーザダイオード８を基板に取り付ける。

各々のシリカ導波路の端部からの好ましくない反射を最小にするために、反射防止コーティング（図示せず）が与えられる。或いは、シリカ導波路は、（例えば、屈折率整合ゲルを用いて）屈折率整合されて、直接、光学部品の各々と接続されることができる。反射防止コーティング及び／又は屈折率整合についての要求は、装置全体の費用に加えられることになり、製造をより複雑にし、時間がかかるものにする。

単純さのために、単一の光学繊維ケーブル（すなわち、シリカ光学繊維ケーブル１０）及び光学部品（すなわち、レーザ８）が図１に示されるが、当業者であれば、複雑な多部品光通信用回路を、同じ原理を用いて製造できることを認識するであろう。多数の光学部品をシリコン光学ベンチ上に配置することができ、種々の長さのシリカ光学繊維導波路を用いて、光学リンクを部品間に確立することができる。光学部品は、例えば、光学モジュレータ、ビーム分割器、ビーム再結合器、検知器などを含むことができる。

図２を参照すると、シリコン光学ベンチの一部として用いられる従来技術の統合された光導波路が示されている。
低屈折率シリカ層２０が、シリコン光学ベンチ基板２２上に堆積される。ドープ処理されたシリカの高屈折率層がシリカ層２０上に形成され、高屈折率導波路コア２４は該ドープ処理されたシリカの高屈折率層の一部をエッチングによって除去することにより形成される。

高屈折率導波路コア２４は、光導波路として働き、被覆と比較すると高い屈折率のコアは、全内反射により導光を与える。このことは、シリコン光学ベンチと一体であり、単に該シリコン光学ベンチと接続された状態で保持されているだけではない光導波路を与える。中実コアコアの一体的な光導波路は、したがって、シリコン光学ベンチ上の溝に取り付けられた光学繊維に対する公知の代替技術である。しかしながら、統合された光導波路の使用は、導波路を光学部品と屈折率整合させる必要、すなわち反射防止コーティングを与える必要を減らすものではない。シリコン基板上に付加的な材料の層を堆積することは、さらに、光通信用回路を製造するにおいて複雑さを増加させる。

図３を参照すると、本発明の装置の一部を形成する中空コア導波路光通信用光回路（ＰＬＣ）４０が示されており、図３ＡはＰＬＣの斜視図を示し、図３Ｂは、図３Ａで「Ａ」と印が付けられた破線に沿ったＰＬＣの断面を示す。

中空コア導波路ＰＬＣ４０は、シリコン基部４２及びシリコン蓋を備える。レーザ８がシリコン基部４２に取り付けられて位置合わせされる。レーザ８により射出される光は、シリコン基部及びシリコン蓋４４により形成される単一モードの中空コア導波路４６に結合される。換言すると、中空コア導波路はシリコンに直接形成され、ここからＰＬＣ基部及び蓋が製造される。単純さのために、レーザ８に対する電気接続は示されていないが、当業者は、例えば、電気接続は、基部４２においてダイオードの隔離を用いるトラック埋め込みのような様々な方法で作ることができることが分かるであろう。

図３の中空コア導波路４６は、長方形の断面を有することが分かる。ほぼ等しい深さ及び幅を有する長方形導波路の使用は（ここでは、長方形という用語は、正方形を含むものとする）、偏光に依存する損失を減少させ、多くの電気通信用途において利点をもたらすことができる。

長方形の導波路が示されるが、導波路の断面は、要求に応じて成形することができる。例えば、円形の又は放物線状の断面の導波路であるか、又は、Ｖ字形態の導波路を、適切なエッチング技術を用いてシリコン基部に形成することができる。中空導波路構造は、さらに、シリコン蓋４４に形成することができる。しかしながら、このことは、基部及び蓋の両方をパターン加工することを必要とし、さらに、該蓋及び該基部を精密に位置合わせしなければならないことを意味する。中空コア導波路の寸法は、要求に応じて、基本モード又は多モードの伝播を支持するように選択することができ、以下により詳細に述べられる。

図３を参照して説明される例においては、当業者に周知の種類の微細加工技術を用いて、非常に高精度にまでエッチングすることができるために、ＰＬＣを形成するのにシリコンが用いられる。しかしながら、当業者であれば、さらに、本発明のＰＬＣを形成するのに、どんな微細加工により作られた半導体材料を用いてもよいことが分かるであろう。

レーザ８は、シリコン基部４２に接合された別々の部品であり、換言すると、これは混成構成である。当業者は、さらに、レーザ８を蓋に接合すること、又はシリコン自体に光学部品を製造できることがわかるであろう。レーザ８だけが、図３を参照して説明されているが、多数の光学部品をシリコン基部又は蓋の上に配置又は形成し、及び／又は位置合わせすることができる。蓋に形成された位置合わせスロットは、さらに、光学部品を位置合わせ状態で受け取るように用いることができる。この技術は、したがって、複雑な多部品ＰＬＣの製造を可能にする。光学部品は、例えば、光変調器、ビーム分割器、ビーム再結合器、検知器、格子、ミラー、ＧＲＩＮ（屈折率勾配）レンズなどを含むことができる。本発明のＰＬＣに形成することができる光学部品の種類の幾つかの例は、以下でより詳細に説明される。

中空コア導波路４６を通る光透過を最大にするために、金層４８が中空コア導波路４６の内面に与えられる。金層をシリコン基部及び蓋上に堆積することは、例えば、スパッタリング又はめっき加工のような適切な金属堆積技術を用いて容易に達成することができる。

蓋は、当業者に周知の種々の方法により基部に接合することができる。中空光導波路の一部を形成しないシリコンの領域は、蓋部分及び／又は基体部分上に露出したまま残されることになり、蓋及び基部は、金−シリコン共晶接合により接合されることになる。さらに、銀充填エポキシ、はんだ、又はポリマー接着剤を用いて、蓋と基部とを接合することができる。蓋は、要求に応じて、基部の一部だけを覆うことができる。

金層４８の存在は、電気通信波長域内の波長（すなわち、約１．５５μｍの波長）をもつ光のＡＴＩＲを中空コア装置内に与える。これらの電気通信波長においては、金は、ｎ＜１の必要屈折率特性を有する。

金層４８が説明されたが、当業者は、導波路が作動される波長において、空気（又はキャビティ内に含まれるあらゆるもの）より少ない屈折率を有するどんな材料も中空コア導波路を定める表面上に堆積できることが分かるであろう。異なる材料の屈折率は、１９９８年、ロンドン、アカデミックプレス、Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋによる「光学定数についての手引き」のような種々の刊行物に見出すことができる。金属は、典型的には、所定の波長帯、すなわち、金属の物理特性に依存する特定の波長帯において、空気より少ない屈折率を有する。

金層４８はＡＴＩＲを与えるが、中空コア導波路４６を付加的な低屈折率材料層により被覆することは必要不可欠なことではないことに注目されたい。シリコンの屈折率は、０．５μｍと３００μｍとの間の波長においては約３．４であり、したがって、被覆されていないシリコンから形成された中空コア（すなわち、空気により充填された）導波路は、このような波長帯内では光のＡＴＩＲを与えない。しかしながら、被覆されていないシリコンは、依然として、フレスネル反射によって導光を与える。導光のためにフレスネル反射を用いる中空コア導波路は、ＴＩＲを与える導波路より多い光損失をもたらすが、特定の状況においては、この増加したレベルの光損失は、許容できる。

反射コーティングが与えられる場合には、基板は、半導体以外の微細加工により作られた材料から形成することができる。例えば、プラスチックの導波路装置は、高温エンボス加工又は射出成形を含む技術により製造することができる。この技術は、マスターを形成することを含む。マスターは、深奥乾式エッチングを用いて、シリコンのような半導体材料に形成することができる。或いは、マスターは、ＬＩＧＡ又はＵＶ ＬＩＧＡ技術を用いて、層の電着により形成することができる。マスターが形成されると、中空コア導波路は、スタンピング（すなわち、プレシング）、又はホットスタンピングによりプラスチック基板に形成することができる。さらに、プラスチック基板に中空コア導波路を形成するために用いることができるサブマスターを形成するのに好適なマスターを製造することができる。中空プラスチック導波路は、このようにして形成され、反射コーティングにより被覆されることになる。反射コーティングを支持するプラスチックの中空コア導波路は、さらに、プラスチック又はポリマーにより形成できる。例えば、中空コア導波路は、石版印刷法を用いて、「スピン−オン」ポリマーコーティング（例えば、Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ．社から入手可能なＳＵ８）上に形成することができる。

単純なＰＬＣが図３を参照して説明されたが、当業者は、本発明が、複雑なＰＬＣにも同じように適用可能であることが分かるであろう。例えば、多数の光学部品をＰＬＣ上に取り付け、ＰＬＣ基板から形成された中空コア導波路を介してリンクさせることができる。このようなＰＬＣは、光信号処理の基本、及び／又は、光信号ルーティング及び分析システムを形成することができる。このようなＰＬＣの幾つかの例が以下に与えられる。

図４Ａを参照すると、シリコン基板６２に形成された中空コア導波路構造６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃが平面図で示されている。傾斜表面（例えば、表面６４）は、光が９０°で導かれるように形成される。

反射における位相摂動を最小にするために、傾斜表面６４は、理想的には、λ／１０、又はそれ以上、より好ましくは、λ／２０より多く平らな表面仕上げを必要とする。したがって、１．５μｍの波長を用いる場合には、１５０ｎｍより多く平らな表面仕上げが必要とされる。このレベルの精度は、微細加工技術を用いて容易に到達することができ、典型的には、３０−５０ｎｍの解像度をもたらすことができる。

傾斜表面６４は、このようにして、中空コア導波路の部分が互いに対してあらゆる角度に配向されることを可能にするミラーを与える。このような鋭角を通して光繊維ケーブルを湾曲するのは可能なことではない。公知のＳｉＯＢ技術を用いて、同様の回路が製造される場合には、光繊維部分間で光を結合する別々の（良好に位置合わせされた）ミラーをもつ２つの光繊維部分を形成することが必要になる。本発明は、したがって、従来技術のＳｉＯＢ装置より複雑でコンパクトな回路設計を与えることができる。

モニリシックミラーが図４Ａに示されるが、混成構成もまた、同じ光学機能を与えることができることを認識されたい。例えば、研磨ミラーを位置合わせ状態で受け取る位置合わせスロットを製造することができる。混成構成は、例えば、偏光非依存性多層コーティングを支持できるといった、最小の偏光依存性を有するように設計することができる高品質の光学ミラーの使用を可能にするため、有益である。

図４Ａを参照して説明された導波路構造は、すべてほぼ直線であり、適切に置かれたミラーにより接続されている。しかしながら、中空コア導波路構造は、湾曲していてもよい。例えば、図４Ｂを参照すると、シリコン基板６２に形成された湾曲導波路６６が示されている。当業者であれば、達成可能な最大曲率は、ガイド厚に依存することを認識するであろう。

図５Ａを参照すると、図４Ａを参照して説明された種類の中空コア導波路構造６０を通る断面が示されている。中空コア導波路構造６０は、シリコン基板６２に形成されており、要求される中空コア導波路を与える上述された方法により、該基板６２に取り付けることができるシリコン蓋部分６８も形成されている。

図５Ｂに示されるように、中空コア６９を形成する壁の各々の内面は、付加的に、例えば銅、金、又は銀のような材料の層７０で被覆して、ＴＩＲにより、１．５５μｍの放射線の反射率を高めることができる。

公知の偏光の直線偏光を導く場合には、異なる内面が異なる光学的特性を有する中空コア導波路を形成して、該導波路に関連する光損失をさらに減少させることができる。

図６は、８６°の角度で、空気から表面上に入射する光に対するフレスネル反射係数を、ｓ偏光（Ｒｓ）及びｐ偏光（Ｒｐ）に対する表面の屈折率（ｎ）及び吸収（ｋ）の関数として示す。図６から、フレスネル反射係数は、光の偏光に強く依存することが分かる。したがって、長方形の中空コア導波路により導かれる光の偏光状態が分かっている場合には、該導波路を形成する一対の向かい合う表面は、ｐ偏光に対する反射率を最適化するために低い屈折率を有するように構成される一方で、第２の対の向かい合う表面は、ｓ偏光に対する反射率を最大にするためにより高い屈折率を有するように構成されることになる。

異なる内面が異なる光学的特性を有する導波路を形成するのに用いることができる多数の技術が図７を参照して説明される。

図７Ａは、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）製造技術を用いて製造された、ＳＯＩウエハ８０に形成された中空導波路を示す。ウエハ８０は、基板８４上に支持されるＳｉＯ₂材料の絶縁層８６を含み、その上にシリコン層８６を有する。シリコンの層８６は、絶縁層８２まで下方にエッチングされて、要求されるチャネル８８を形成する。ＳｉＯ₂から形成される蓋部分９０もまた設けられる。

このようにして、中空コア導波路は、シリコンで構成される第１の表面９２及び第２の表面９４を有するように形成され、第３の表面９６及び第４の表面９８は二酸化ケイ素で構成される。シリコンの屈折率は約３．５であり、二酸化ケイ素は、約１．５の屈折率を有する。したがって、導波路における光損失は、該導波路に沿ってｙ軸方向に伝播する光がｚ軸方向に偏光されたときに減少され、すなわち、第１の表面９２及び第２の表面９４においてＲｓ反射があり、第３の表面９６及び第４の表面９８からＲｐ反射があるときに、減少される。

図７Ｂを参照すると、シリコン基板１０２に形成され、蓋部分１０３を有する中空導波路１００が示されている。上方壁１０４（すなわち、蓋部分１０３により定められる壁）及び下方壁１０６は第１の材料により被覆され、側壁１０８及び側壁１１０は、第２の材料により被覆される。導波路に沿って、ｙ軸方向に伝播するｚ軸方向に偏光される光の光損失を最小にするために、第１の材料及び第２の材料は、それぞれ、低い屈折率及び高い屈折率を有するように選択される。

図７Ｂは、導波路のすべての４つの壁にコーティングが適用された状態を示すが、単一の壁だけであるか、又は、一対の向かいあう壁だけを要求に応じて被覆することができる。換言すると、１つ又はそれ以上の壁は被覆されないまま残ることができ、したがって、基板を形成するのに用いられた半導体材料の光学的特性を有することができる。

さらに、物理的構造をシリコンに形成して、要求に応じて、所定の光の偏光に対する反射率を高めることができる。図７Ｃは、エタロン側壁構造１２２を備えたシリコン基板に、どのように中空コア導波路を形成することができるかを示す。この場合においては、エタロン側壁構造は、反射率を高める。中空部分が空気で充填されているエタロン構造が示されるが、別の材料（例えば、液体又はガス）を空気の代わりに用いて、反射率を高めることができる。

中空コア導波路に関連する光損失はまた、導波路コアの形状を制御することによりさらに減少させることができる。例えば、導波路コアが広ければ広いほど、関連する光損失は低くなる。図７Ｄは、シリコン層１３０に形成され、シリコン蓋部分１３４を有する長方形断面の導波路１３２を示す。導波路１３２の中空コアは、深さ「ｂ」より少ない幅「ａ」を有する。ｚ軸方向に偏光され、導波路１３２に沿って伝播される光は、このようにして、深さ「ａ」の導波路を通って伝播される場合より低い損失を経験する。

例えば、光が一平面内にのみ導かれる構造をＰＬＣに形成することができ、例えば、垂直軸に沿って自由伝播空間があるが、導波は水平軸上にのみ生じるように配置することができることに、さらに注目されたい。この場合においては、導波路は平坦な導波路と呼ばれ、すなわち、これらは、１つの平面にのみ導かれる。平坦な導波路を用いることができ、ここでは、一次元のビームの拡がりを要求するが、導波によって、二次元のビーム幅は制限される。導波が水平面においてのみ要求される場合には、蓋部分は、必要ではない。光が蓋と導波路の床との間に導かれるが、横方向平面には導かれない場合には、逆の状況も可能である。

図８を参照すると、ビーム分割器及び偏光フィルタを、どのように中空導波路ＰＬＣに形成できるかが示されている。
図８Ａは、シリコン基板１６０に形成された中空導波路構造から製造されたビーム分割器を示す。ビーム分割器は、入力中空コア導波路１６２、第１出力中空コア導波路１６４、及び第２出力中空コア導波路１６６を備える。入力中空コア導波路１６２を通って伝播する光は、薄いシリコン壁１６８から第１出力中空コア導波路１６４の中に部分的に反射され、さらに、部分的に、第２出力中空コア導波路１６６の中に透過されて結合される。

入力中空コア導波路１６２と第１出力中空コア導波路１６４との間の角度（θ）は、薄いシリコン壁１６８上への光の入射角を定める。図８Ｃに示されるように、シリコンの反射特性は、入射する光の入射角と偏光状態との両方に依存する。入力中空コア導波路１６２から第１及び第２の出力中空コア導波路１６４及び１６６の中に結合されたパワーの相対的な比率は、このようにして、特定の角度（θ）で装置を製造することにより選択することができる。

さらに、図８Ｂに示されるように、偏光分割器は、角度θをブルースター角と等しくなるように構成することにより製造することができる。この場合においては、θ＝７４°の角度は、ｚ軸方向に偏光された光をもたらし、第１出力中空コア導波路１６４を介して装置から導かれ、ｘ軸方向に偏光された光は、第２の出力中空コア導波路１６６を介して装置から導かれる。

薄いシリコン壁１６８の代わりに、エタロンフィルタを、図８Ａ及び図８Ｂを参照して説明された種類の装置に形成することができる。このことは、異なる波長の光に対して異なる反射特性を有する光学装置を与え、したがって、この装置はさらにスペクトルフィルタとしても作動することができる。

モノリシックビーム分割器及びブルースタープレートが説明されたが、当業者は、さらに、混成構成を用いて、同様の光学機能を実施できることを理解するであろう。位置合わせスロットを基板に形成して、必要な光学部品を受け取ることができる。

図９参照すると、光合焦機能を与えるのに、さらに、どのようにシリコン材料の基板を形成できるかを見ることができる。

図９Ａは、シリコンレンズ構造１９２と中空コア導波路１９４とが形成されたシリコン基板１９０を示す。レンズ構造１９２は、中空コア導波路１９４に沿って導かれた光１９６が点１９８に合焦されることを可能にするレンズとして働く。このようなレンズは、例えば、光を検出器要素に対して合焦するのに用いることができる。

図９Ｂに示されるように、さらに、成形されたシリコンリフレクタ２００をシリコン基板２０２に形成して、光学的に中空コア導波路をリンクさせることができる。リフレクタ２００は、第１中空コア導波路２０４から第２中空コア導波路２０６に、或る角度（この場合は９０°）で光を導き、さらに、光２０８を合焦する機能を果たす。ここでも、このような要素は、ＰＬＣにおいて様々な異なる方法で用いることができ、これは反射防止コーティングを必要としないために、実現するのは比較的単純である。

ここに述べられた種類のＰＬＣは完全な光学回路を含むことができるが、さらに、典型的には光学繊維を介して、ＰＬＣの中に又は該ＰＬＣの外に光を結合することが必要になることがある。

図１０は、シリコン基板２２０に形成され、光を第１入力光学繊維２２２から受け取るように配置されたＰＬＣを示す。入力光学繊維２２２は、中空コアを有し、そこからの光は、入力球面レンズ２２６を用いて、入力中空コア導波路２２４に結合される。入力中空コア導波路２２４に沿って伝播する光は、エタロン構造２２８に向けられる。エタロン構造２２８は、そのスペクトル特性によって、光を、第１出力中空コア導波路２３０又は第２出力中空コア導波路２３２の中に、スペクトル的にフィルタ処理する。第１出力中空コア導波路２３０を通って伝播する光は、球面レンズ２３６を介して、第１出力光学繊維２３４に結合され、第２出力中空コア導波路２３２を通って伝播する光は、球面レンズ２４０を介して、第２出力光学繊維２３８に結合される。ここでも、示されるモノリシック要素の代わりに、混成エタロンフィルタを用いることができる。

図１０には球面レンズが示されるが、代替的に、ＧＲＩＮロッドレンズのような他のレンズを用いることができる。エタロン構造２２８は、さらに、必要に応じて、ビーム分割器又はブルースタープレートと置き換えることができる。光学繊維は、要求に応じて、単一モードであっても多モードであってもよい。

ＳＯＩ技術は、光学繊維が結合されるＰＬＣを形成するのに特に適している。これは、典型的なＳＯＩウエハが、製造工程中に、非常に正確に定められた厚さを有するシリコン層を含むためである。ＳＯＩウエハのシリコン層における中空導波路構造の製造においては、シリカ絶縁層は、エッチング工程に関する限りは、垂直「停止部」として働く。したがって、ＳＯＩ技術は、μ以下のチャネル深さ精度を与えることができる。

ＳＯＩのエッチング精度を、エッチング深さの約数パーセントの精度を有する純粋なシリコンにおけるチャネルエッチングと対比されたい。純粋なシリコンウエハにおいてチャネルをエッチングしてファイバを取り出すことは（１２５．０μｍの被覆直径まで剥離される）、エッチングチャネルの深さに３．０から４．０μｍの不正確さを生成することになる。ファイバコアは、典型的には、１０．０μｍの直径に過ぎないため、或る繊維を／から他の部品から／に（例えば、半導体レーザから）結合する場合に、この垂直方向の位置ずれの大きさは、有害なものとなる。したがって、ＳＯＩベースの製造ルートは、位置合わせ及び導波路の断面精度に対する利点を有し、偏光に依存する損失を減少させる。

上述のように、本発明のＰＬＣは、単一モードであるか又は多モードの伝播を可能にする中空コア導波路を含むことができる。特定の状況においては、さらに、例えば、効率的に光を異なる光学部品の中に又はこれの外に結合するために、中空コア導波路の寸法を変更することが必要になることがある。

図１１Ａを参照すると、シリコン基板２６２に形成された中空コア導波路構造２６０が示されている。幅広い（１２５μｍ）直径の出力導波路２６４が、先細になった導波路部分２６８によって、より狭い（６２．５μｍ）直径の入力導波路２６６に光学的にリンクされている。先細になった部分の長さは、１．８７５ｍｍである。

図１１Ｂは、入力導波路２６６における基本モードの入力ビームによりもたらされる出力導波路２６４を伝播する光の電界強度を示す。図１１Ｃに示されるように、出力導波路２６４における出力光は、主として基本モードで伝播する。換言すると、先細になった導波路は、ビームの大きさを拡げることを可能にし、出力ビームのパワーの大部分が基本モードに結合されるのを確実にする。

本発明のＰＬＣは、さらに、基板に形成された中空コア多モード干渉（ＭＭＩ）装置を含むことができる。ビーム分割及びビーム再結合ＭＭＩ装置の例は、ＵＳ５４１０６２５に与えられている。ＵＳ５４１０６２５の基本的なＭＭＩ装置に対する変更及び改良もまた周知である。例えば、ＵＳ５３７９３５４は、入力ガイド位置の変動をどのように用いて、入力放射線を、異なる強度を有する出力ビームに分割する多方向ビーム分割器を得ることができるかを説明する。レーザキャビティを形成するのにＭＭＩ装置を用いることが、さらに、ＵＳ５６７５６０３に示されている。種々の組み合わせのＭＭＩ分割器及び再結合装置が、さらに、光学的ルーティング能力を与えるように用いられており、例えば、ＵＳ５４２８６９８を参照されたい。すべての上述の場合において、ＭＭＩ装置は、シリコンその他の適切な半導体材料のいずれかにおける中空コア導波路として製造して、ＰＬＣの一体部分を形成することができる。

ＭＭＩ装置は、基板に形成された多モード領域から製造することができ、これに入力及び出力の単一モード光学繊維ケーブルが結合されている。この方法により、分割ビームが入力ビームのイメージであるビーム分割／結合を得ることができる。

具体的には、長方形であるか又は正方形断面の中空多モード導波路を設計して、導波路の長さが、その幅と適切な関係を有するように設計することにより、対称的な、反対称的な又は非対照的な光学的フィールドのイメージ再形成を与えることができる。例えば、正方形断面の導波路における対称的なフィールドにおいては、イメージ再形成長さは、Ｌがガイド長さであり、ｗがその幅であり、λが放射線の波長としたとき、伝播放射線の波長における波長幅の自乗、すなわちＬ＝ｗ²／λにより与えられる。対称的なフィールドのイメージ再形成は、この長さにおいて、及びこの長さの倍数で生じ、すなわち、ｎを整数としたとき、ｎ．ｗ²／λで生じる。

５０．０μｍ幅の中空導波路及び１．５５μｍの放射線の場合においては、イメージ再形成長さは、５０²／１．５５＝１６１３μｍ＝１．６１３ｍｍにより与えられる。対称的なフィールドは、この長さでイメージ再形成され、さらに、この長さでの整数の倍数でイメージ再形成され、これはすなわち、３．２３ｍｍ、４．８４ｍｍなどである。例えば、単一モードの光学繊維からのＴＥＭ₀₀ガウスの入力ビームは、１．６１３ｍｍの距離でイメージ再形成することができる。イメージ再形成点においては、あらゆる要求される光学部品を位置させることができる。この方法により、イメージ再形成現象は、光を一連の部品間で導く付加的な方法を与える。

或いは、非対称的な光学的フィールドの場合においては、イメージ再形成は、対称的な光学的フィールドに要求される長さの８倍で生じ、すなわち、５０．０幅の中空導波路に対して１２．０９ｍｍ（８×１．６１３ｍｍ）で生じる。非対称的なフィールドの鏡像はさらに、この長さの半分、すなわち６．０５ｍｍで形成される。

導波路の水平方向幅及び垂直方向幅が実質的に異なる長方形導波路の場合においては、２つの幅に関連するイメージ再形成長さ自体が異なる。しかしながら、長方形の中空コア導波路の幅の間の関係を、イメージ再形成が各幅に対して同一の長さで生成されるように構成することにより、あらゆるフィールドをイメージ再形成できるようになる。

例えば、対称的なフィールドは、幅ｗ₁及びｗ₂の軸に関連するイメージ再形成長さを同一に構成することにより、Ｌ₁＝ｎ₁．ｗ₁ ²／λ、及びＬ₂＝ｎ₂．ｗ₂ ²／λ、中空の長方形導波路にイメージ再形成することができる。このことは、前述のようにｎ₁及びｎ₂が整数であるものとして、ｗ₂＝（ｎ₁／ｎ₂）^1/2．ｗ₁により達成することができる。

本発明のＰＬＣに含むのに適した別の種類のＭＭＩ装置は、係属中のＰＣＴ特許出願番号ＧＢ２００２／００４５６０に説明され、図１２に示される波長デ・マルチプレクサである。

デ・マルチプレクサ３００は、シリコンＳＯＩ基板３０２に形成され、入力基本モード導波路３０４、中央多モード領域３０６、及び４つの出力導波路３０８ａないし３０８ｄ（総合的に３０８といわれる）を含む。導波路の寸法及び位置は、（ＧＢ２００２／００４５６０に説明されるように）入力基本モード導波路３０４から多モード領域３０６に入る４つの波長成分が分離されて、出力導波路３０８を介して別々に出力するように選択される。

さらに、光が隣接する導波路に近接結合されるＰＬＣ装置を形成することが可能である。図１３を参照すると、第１の中空コア導波路３４０、第２の中空コア導波路３４２、及び第３の中空コア導波路３４４がシリコン基板３４６に形成され、蓋部分３４７を有するように示されている。シリコン壁３４８及び３５０の厚さ「ｃ」は、光が隣接する導波路に透過するのに十分なだけ薄いものである。この種類の近接結合器部品は、ビーム分割部品を光路の中に挿入することなく、例えば、少ない百分率の伝播ビームを取り出すようにビーム分割器として用いることができる。

図１４を参照すると、ＰＬＣは、中空コアのシリコン導波路及び中実コアの（例えば「リッジ」）シリコン導波路の両方を含むことができる。このことは、中実コア及び中空コア技術の両方において光学的機能を実現することを可能にする。

図１４Ａは、ＳＯＩ基板上に形成された中空コア導波路４００及び中実コア導波路４０２の間のブルースターインターフェースを示す。図１４Ｂは、中空コア導波路４００のＢ−Ｂに沿った断面を示し、図１４Ｃは、中実コア導波路４０２のＡ−Ａに沿った断面を示す。中空コア導波路４００は、中実コア導波路４０２の傾斜したインターフェース４０４で終端する。導波路４００及び４０２は、インターフェースがブルースター角にあるように配置される。このことは、中空コア導波路と中実コア導波路との間に効率的な結合を与える。

図１５を参照すると、中空コア導波路４５０及び傾斜表面４５２が示されている。表面４５２は、基板の平面に対しておおよそ４５°だけ傾斜されており、光４５４は該基板の平面外で結合される。図１５に示される構成は、基板の平面に対して異なる垂直平面に配置された他の回路又は装置の中に又は該回路又は装置から光を結合するのに用いることができる。この方法により、３次元のスタックされたＰＬＣ（例えば、３次元の光スイッチ）を生成することができる。

このようなミラーをモノリシックに製造する１つの方法は、約８ないし９°だけオフセットされた［１００］シリコン材料における精密な軸外しカットである。このような傾斜表面を製造する幾多の代替的な方法が当業者に明らかである。混成ミラー構成を、さらに用いることができる。

図１６を参照すると、本発明のＰＬＣに組み込むのに適した中空コア光導波路のガイド長さに依存する光学的透過特性を示す実験データが示されている。

曲線５００は、５０μｍの幅及び深さの正方形の内部コアを有するシリコン基板に形成された中空コア導波路の予測光学的透過を示し、点５０２ａないし点５０２ｃは、該中空コア導波路の測定光学的透過を示す。曲線５０４は、銅被覆がその内面の各々に適用された同様の導波路の予測光学的特性を示し、点５０６ａないし点５０６ｃは、該導波路の測定光学的特性を示す。

曲線５０８は、１２５μｍの幅及び深さの正方形の内部コアを有するシリコン基板に形成された中空コア導波路の予測光学的透過を示し、点５１０ａないし点５１０ｃは、該中空コア導波路の測定光学的透過を示す。曲線５１２は、銅被覆がその内面の各々に適用された同様の導波路の予測光学的特性を示す。図１６に示されるすべての場合において、１．５５μｍの波長を有する放射線が用いられた。

したがって、導波路の寸法を増加させることは、光学的損失を減少させ、反射コーティング（この場合においては銅）の包含は、損失をさらに減少させることがわかる。しかしながら、角度方向位置合わせ許容差は減少する。

図１７を参照すると、部品の角度方向位置合わせ効果が示されている。

図１７Ａは、第１の中空コア導波路６０２、第２の中空コア導波路６０４、及び第３の中空コア導波路６０６が形成されたシリコン基板６００を示す。ビーム分割要素６０８が位置合わせスロット６１０に配置される。この要素６０８は、該要素及びスロット製造許容差により求められる角度方向位置ずれ

を有することが分かる。

図１７Ｂは、種々のモードの中空コア導波路に対するのパワー結合効率を角度方向位置ずれ

の関数として示す。曲線６２０は、基本モードに結合されたパワーを示すが、曲線６２２は、より高いオーダーのモードに結合された光学的パワーを示す。

図１８を参照すると、横方向位置合わせの効果が示される。

図１８Ａは、第２の中空コア導波路６５２から

だけ横方向に変位された第１の中空コア導波路６５０を示す。横方向変位の関数としてのパワー結合係数が図１８Ｂに示され、ここでは、曲線６５４は基本モードに結合されたパワーを示し、曲線６５６は、より高いオーダーのモードに結合された光学的パワーを示す。

上述により、中空導波路により相互接続された部品の統合されたシステムを通る基本モードの伝播は、導波路寸法及び位置合わせ許容差が適切に選択されているのであれば得ることができる。このことは、基本導波路モードにおけるパワー量は、どれだけの光が単一モードの繊維に／から結合されるかを決定するため、光を単一モードの光学繊維に／から結合する部品のシステムにおいては特に重要である。導波路において、効率の高い基本モードの伝播を確実にすることは、単一モード繊維の基本モードに対する良好な結合、及び全体的に低い挿入損失を確実にする。

換言すると、導波路幅と、有効な基本モードが達成されることを確実にするために必要とされる（導波路及び部品の両方の）角度及び横方向の位置合わせ許容差との間には、折り合いがある。減衰係数は導波路幅と逆に関係しているため、より低い減衰係数は、ガイドの断面（幅）を十分に大きくすることで得ることができる。導波路幅をより大きくすることは、さらに、横方向の位置合わせ許容差を緩和するが、角度方向位置合わせ許容差はきつくなることが分かる。

図１９を参照すると、スロットに置かれた部品の正確な位置合わせを確実にする技術が示されている。

シリコン基板７００は、光学部品７０２を保持するために形成されたスロットを有する。多数のばねクリップ７０４（マイクログリッパとも呼ばれる）が、周知の微細加工技術によりシリコンに形成される。これらのクリップ７０４は、変位されると、横方向の力を与えるようにされている。この方法により、部品は、スロット内にしっかりと位置合わせされた状態で保持される。

図１９は、クリップが光学部品を取り囲むように示されているが、該部品をスロットの側壁のような基準表面に対して押し付けることも可能である。さらに、シリコンウエハにおける酸化物の犠牲層を除去することにより製造される、ばねその他のＭＥＭＳ特徴は、或る量のアンダーカットをもたらすことになることを当業者は理解するであろう。このアンダーカットは、位置合わせスロットと関連している場合には何の効果もなく、さらに、モード分布が典型的には円形であるか又は楕円形である長方形の中空コア導波路における伝播とほとんど変わらない。

本発明のＰＬＣは、幾多の異なる光学回路を実施するのに用いることができる。これらの幾つかの例は、干渉計、（例えば、マイケルソン、又はマッハツェンダ）、分光計、ライダー、及びＭＩＭ装置の光学的読み出し（センサ又はアクチュエータのような）を含む。電気通信回路（ルータ、マルチプレクサ、デ・マルチプレクサなど）もまた実施することができる。光学部品が上述されたが、代替的に又は付加的に、マイクロ波成分及びマイクロ波放射線を導く中空コア導波路を含むことができない理由は述べられていない。したがって、光学−マイクロ波を単一の回路で統合することは、可能である。

複数の光学部品を備えた典型的な従来技術のＳｉＯＢを示す。 複数の光学部品を備えた典型的な従来技術のＳｉＯＢを示す。 特定の従来技術のＳｉＯＢ装置に用いられる統合された中実コア導波路を示す。 本発明によるＰＬＣの一部を示す。 本発明によるＰＬＣの一部を示す。 本発明による多数の中空コア導波路を示す。 本発明による多数の中空コア導波路を示す。 種々の中空コア導波路の断面図を示す。 種々の中空コア導波路の断面図を示す。 ｓ偏光された光及びｐ偏光された光に対する、銅で被覆された表面のフレンスネルの反射率係数を示す。 ４つの付加的な中空コア導波路の断面図を示す。 ４つの付加的な中空コア導波路の断面図を示す。 ４つの付加的な中空コア導波路の断面図を示す。 ４つの付加的な中空コア導波路の断面図を示す。 中空コアのビーム分割器を示す。 ブルースタープレートを示す。 シリコンの反射率を、ｓ偏光された光及びｐ偏光された光の入射角の関数として示す。 シリコン基板に製造されたモノリシックレンズを示す。 シリコン基板に製造された合焦ミラーを示す。 光が光学繊維ケーブルの中に及び該光学繊維ケーブルの外に結合されたＰＬＣを示す。 シリコン基板に形成された先細になった導波路を示す。 シリコン基板に形成された先細になった導波路を示す。 シリコン基板に形成された先細になった導波路を示す。 シリコン基板に形成された中空コアの波長デ・マルチプレクサを示す。 シリコン基板に形成された中空コアの波長デ・マルチプレクサを示す。 シリコン基板に形成された中空コアの波長デ・マルチプレクサを示す。 中空コアの近接結合器を示す。 中空コア導波路及び中実コア導波路の両方を有するＰＬＣを示す。 中空コア導波路及び中実コア導波路の両方を有するＰＬＣを示す。 中空コア導波路及び中実コア導波路の両方を有するＰＬＣを示す。 基板平面の外で光を結合するように傾斜された鏡面を有するＰＬＣを示す。 本発明のＰＬＣに用いられる中空コア導波路の光損失を示す。 角度方向ずれの影響を示す。 角度方向ずれの影響を示す。 横方向ずれの影響を示す。 横方向ずれの影響を示す。 位置合わせスロットにおいて位置合わせされた状態の部品を保持する手段を示す。

Claims (42)

1. 半導体基板と、複数の光学部品とを備え、前記複数の光学部品が光学的にリンクされるように、１つ又はそれ以上の中空コア光導波路が前記半導体基板に形成された光通信用光回路装置であって、前記複数の光学部品の各々が、前記半導体基板に形成された位置合わせスロットに保持され、各々の位置合わせスロットが、保持されている前記光学部品の前記１つ又はそれ以上の中空コア光導波路に対する位置合わせを定めるように配置されていることを特徴とする光通信用光回路装置。
2. 請求項１に記載される装置であり、かつ前記半導体基板材料から形成された少なくとも１つの光学部品をさらに含む装置。
3. 前記半導体基板がシリコンからなる前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
4. 前記半導体基板が、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウエハからなる前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記半導体基板が前記光通信用光回路装置の基体部分を形成し、蓋部分が付加的に形成されて、前記１つ又はそれ以上の中空コア光導波路が形成されるようになった前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
6. １つ又はそれ以上の光学部品が前記蓋部分に取り付けられた請求項５に記載の装置。
7. 前記蓋部分が半導体材料からなる請求項５ないし請求項６のいずれかに記載の装置。
8. 前記蓋部分の前記半導体材料がシリコンである請求項７に記載の装置。
9. １つ又はそれ以上の光学部品が、前記蓋部分の前記半導体材料に形成された請求項７ないし請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記１つ又はそれ以上の中空コア光導波路の少なくとも幾らかの内側表面が反射コーティングを支持する前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記反射コーティングが１つ又はそれ以上の材料層を含み、作動波長域内での導波路コアの屈折率より低い有効屈折率を有する表面を与えるようになった請求項１０に記載の装置。
12. 前記反射コーティングが、金、銀、又は銅のいずれか１つで構成された少なくとも一層を含む請求項１１に記載の装置。
13. 前記反射コーティングが、少なくとも一層の誘電材料を含む請求項１１又は請求項１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記反射コーティングが、少なくとも一層の炭化ケイ素を含む請求項１１に記載の装置。
15. １つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの少なくとも１つが、基本モードの伝播を支持する前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
16. １つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの少なくとも１つが、多モードの伝播を支持する請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の装置。
17. 前記多モード領域が、イメージ再形成が生じる長さである請求項１６に記載の装置。
18. １つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの少なくとも１つが、ほぼ長方形の内側断面を有する前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
19. １つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの少なくとも１つが、ほぼ正方形の内側断面を有する請求項１８に記載の装置。
20. 前記長方形の中空コア光導波路が、第１の導波路壁に対して平行な第１の断面寸法と、前記第１の断面寸法に対して垂直の第２の断面寸法とを有し、前記第１の断面寸法が、少なくとも１０％だけ前記第２の断面寸法より大きい請求項１８に記載の装置。
21. 前記少なくとも１つの長方形の内側断面の中空コア光導波路を定める表面の屈折率が、ほぼ等しい請求項１８から請求項２０までのいずれか１項に記載の装置。
22. 前記長方形の内側断面の中空コア光導波路を形成する向かい合う表面が、ほぼ等しい有効屈折率を有し、該前記長方形の内側断面の中空コア光導波路を形成する隣接する表面が、異なる有効屈折率を有する請求項１８から請求項２０までのいずれか１項に記載の装置。
23. 前記長方形の内側断面の中空コア光導波路の一対の向かい合う表面が、高屈折率のコーティングを支持する請求項２２に記載の装置。
24. ０．１μｍから２０μｍまでの波長帯における放射線による作動のための前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
25. ３μｍから５μｍまでの波長域における放射線による作動のための前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
26. ８μｍから１２μｍまでの波長域における放射線による作動のための請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載の装置。
27. １．４μｍから１．６μｍまでの波長域における放射線による作動のための請求項１から請求項２４までのいずれか１項に記載の装置。
28. 前記半導体基板が、光学繊維ケーブルを受け取るようにされ、かつ、前記光学繊維ケーブルを前記半導体基板の前記１つ又はそれ以上の中空コア光導波路のうちの１つと光学的に結合するようにされた少なくとも１つの位置合わせスロットを備えた前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
29. モード適合手段が、付加的に、前記位置合わせスロット付近に設けられて、光学繊維のモードと、異なるコア直径の中空コア光導波路の類似したモードとの間の結合を可能にするようになった請求項２８に記載の装置。
30. 前記モード適合手段が、ＧＲＩＮ又は球面レンズのいずれか１つである請求項２９に記載の装置。
31. 前記位置合わせスロットが中空コア光導波路を受け取るように配置された請求項２８から請求項３０までのいずれか１項に記載の装置。
32. 前記位置合わせスロットが、レンズ形状の光学繊維を受け取るようにされた請求項２８に記載の装置。
33. 前記２つ又はそれ以上の光学部品のうちの少なくとも１つが、マイクロ電子機械（ＭＥＭＳ）装置を含むようになった前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
34. 前記２つ又はそれ以上の光学部品のうちの少なくとも１つが、光を、前記半導体基板の平面の外に向けるように傾斜された鏡面を含むようになった前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
35. 前述の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、さらに少なくとも１つのマイクロ波部品を含むようになった装置。
36. 前記半導体基板が、付加的に、中空コアマイクロ波導波路を含むようになった前述の請求項のいずれか１項に記載の装置。
37. 光学部品を保持するための複数の位置合わせスロットを備え、１つ又はそれ以上の中空チャネルが形成された半導体基板を備えた光通信用光回路装置の基体部分であって、前記基体部分が、適切な蓋部分と組み合わされたときに、少なくとも１つの中空コア導波路が形成されるように配置される前記請求項のいずれか１項に記載の光通信用光回路装置の基体部分。
38. １つ又はそれ以上の中空導波路チャネルと、光学部品を受け取って位置合わせする複数の位置合わせスロットとが形成された半導体基板を備えた請求項１から請求項３６までのいずれか１項に記載の光通信用光回路の基体部分。
39. 請求項３７から請求項３８までのいずれか１項に記載された基体部分を取り出す段階と、これに蓋を取り付ける段階とを含む光通信用光回路を製造する方法。
40. １つ又はそれ以上の中空チャネルと、複数の位置合わせスロットとを半導体基板に微細加工する段階を含む光通信用光回路装置を製造する方法であって、前記１つ又はそれ以上の中空チャネルが、使用において、中空コア導波路として作用し、複数の位置合わせスロットの各々が、そこに保持されている光学部品を受動的に位置合わせするように配置されることを特徴とする方法。
41. 請求項３９から請求項４０までのいずれかに記載の方法であって、前記中空チャネルの内側表面を、作動波長域内での導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する材料層により被覆する付加的な段階を含む方法。
42. （ａ）請求項４０から請求項４１までのいずれか１項の方法を用いて、少なくとも１つの中空コア光導波路と、光学部品を受け取る複数のスロットとが形成された半導体基板を取り出す段階と、
    （ｂ）光学部品を少なくとも１つのスロットの中に導入する段階と、
    を含み、前記光学部品を少なくとも１つのスロットの中に導入する段階が、さらに、前記光学部品を位置合わせするように作用する光通信用光回路を形成する方法。

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