在SOI光学平台上形成的亚微米平面光波设备制造技术

一组平面的、二维的光学设备，其能够在ＳＯＩ结构的亚微米表面层上或者在ＳＯＩ表面层和覆盖的聚硅层的亚微米厚组合物上制备。可以应用传统的覆盖／蚀刻技术在ＳＯＩ平台上形成各种有源和无源设备。可以对设备的各个区进行掺杂以形成有源设备结构。另外，聚硅层可以被单独图形化，为传输的光信号提供有效模指数变化区。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及平面光学波导设备的形成，更特别的，涉及在绝缘层上覆硅(SOI)平台的亚微米表面区上无源和有源平面光学设备的形成。
技术介绍
平面光波回路(PLC)是电子芯片的光学等价物，其操控和处理光信号而不是电信号。在多数情况下，PLC是在沉积在半导体基质上相对薄的玻璃层、聚合物或者半导体层上形成的。光波回路本身是由一个或者多个光波导相互连接的光学仪器组成，波导用于引导光从一个光学设备到另一个设备，因此被认为是电子芯片中金属连接的光学等价物。光学设备可以包括无源光设备或者有源光电设备，其发挥的功能包括，例如反射、聚焦、校准、分光、波长复用/解复用、开关调节和检测，以及类似的。通常用于光波设备集成的平台是基于使用磷化铟(InP)、硅基二氧化硅、聚合物和氧氮化硅。由于大多数的电集成电路技术是基于硅平台而不是任何上述用于光波设备的平台，因此将电元件与这些光学设备集成的能力一直受到极度限制。因此，通过在硅平台上形成光学设备，可以得到光和电真正的集成。这种集成的备选系统是绝缘层上覆硅(SOI)结构，其可以在用于形成电元件的相同表面单晶硅层上(以下称为“SOI层”)引导光。目前为止，通常在SOI结构上形成的平面光学设备使用相对厚(＞3-4μm)的SOI层，这样通过例如边缘照明(edge illumination)的方法可以相对容易地将光波信号耦合输入/输出SOI层。然而，对边缘照明耦合的需要要求接触芯片边缘以及形成具有高表面质量的边缘。而且，在厚SOI层上制作高精确度结构被认为是相当困难的(例如形成用于波导的“光滑的”垂直壁、两翼和镜等)。硅的厚度也阻止了应用传统的CMOS制作工艺而同时形成电学和光学元件。而且，SOI层也限制了电子设备的速度。一旦SOI层的厚度降到1微米以下(其优选用以解决上述问题)，在根据耦合足够量的光波进出这样相对薄层方面会存在一个显著的挑战。正在开发的将光耦合入薄SOI层的技术包括波导光栅、反转纳米锥(taper)以及三维角状锥。然而，耦合的光在SOI层中传输只有垂直方向的限制(平面波导)。光在横向上的传输与在自由空间中相似，媒介的折射率与硅的相同。为了实际应用耦合光，需要在亚微米SOI层上有效地操控光。更特别的，需要发挥各种光学功能，例如转角、聚焦、调节、衰减、开关和选择性地分散耦合在硅层上的光。为了光和电的真正集成，在没有平面波导结构的情况下，实现所有这些光学功能。专利技术概述本专利技术在于解决现有技术中的需要，其涉及形成平面光波导设备，更特别的，涉及在绝缘层上覆硅(SOI)平台的亚微米表面上形成有源和无源平面光设备。根据本专利技术，使用SOI结构相对薄(例如，亚微米)的单晶硅表面层(以下称为“SOI层”)形成各种平面光学设备(例如波导、锥、镜、光栅、透镜、侧面瞬时耦合器(lateral evanescent coupler)、波导耦合器、分光器/合光器、环形谐振器、色散补偿器、阵列波导光栅(AWG)，以及类似的)。本专利技术的一个优点是利用亚微米厚的SOI层形成光学设备，从而可以采用传统的CMOS技术制作光学和电学设备。例如，可以使用诸如局部氧化或者多层沉积和蚀刻/氧化的技术来优化波导结构的光学性能。可以利用现有的平版印刷技术来高度精确的确定光学结构(例如大约0.005μm分辨率)。通过诸如等离子蚀刻的方法(例如，窄槽蚀刻(STI)、反应性离子蚀刻(RIE)或者诱导耦合蚀刻)得到高分辨率的蚀刻。在本专利技术的另一实施方式中，在亚微米厚的SOI层上形成了亚微米厚的硅层(例如，聚硅)，并被薄绝缘层分隔开(三层的总厚度维持在1微米以下)。可以使用传统的CMOS技术加工层的组合形成各种形式的设备。由于硅层和SOI层可以被掺杂，因此除了无源光元件外，还可以形成有源光设备结构(例如调节器、开关、波长选择环形谐振器，等等)。我们在2003年9月23日提交的共同等待批准的申请No.10/668,947中公开了由于光耦合进入亚微米硅波导的能力，能够有利地加工亚微米SOI层和硅层以形成各种形式的平面光元件。也就是说，再没有必要使用相对厚的表面波导硅层来辅助光的耦合。在本专利技术的另一实施例中，硅层可以被蚀刻以形成各种二维形式(透镜、棱镜光栅等)，其中当光信号通过被定形的区域时，模指数变化提供了光信号所需要的操控。SOI层和硅层厚度的差异导致了波导有效折射率的变化，这可以用来调节光波信号在SOI层中的传输行为。特别的，各种形式例如透镜、棱镜、锥和光栅可以通过对硅层进行蚀刻来形成，以完成不同的光学功能。实际上，该层也可以使用半导体材料而不是硅，例如二氧化硅、氮化硅，或者例如铒掺杂玻璃的材料，然后使用传统的蚀刻工艺在这些其他材料(其表现出不同的折射率)中形成二维光学设备。在下面讨论中将结合附图来清楚地阐明本专利技术的其他和进一步优点。附图说明现在引用附1是一个示例SOI结构的横截面视图，特别表示光模在SOI结构的亚微米硅表面层(“SOI层”)的限制；图2是另一示例SOI结构的横截面视图，包括聚硅情况下在SOI层上形成的设备硅层，这里是聚硅，其中聚硅层和SOI层具有亚微米厚度，图2也表明了在聚硅层和SOI层内被限制的光模的支持(带有置于聚硅层和SOI层之间的薄绝缘层)；图3表示在图1的SOI结构中反射垂直表面的形成；图4表示在图2的聚硅/SOI结构中反射垂直表面的形成；图5(a)-(h)表示示例加工步骤，用来在亚微米SOI层形成平面的、二维的光设备；图6是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一个示例波导结构的等轴视图；图7是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一个示例锥状波导结构的俯视图；图8是根据本专利技术转角和路由装置一个示例的俯视图，其包括在亚微米SOI层蚀上刻的多镜区；图9是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一个示例分光器的俯视图；图10是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一组聚焦和衍射的二维光学设备的俯视图；图11是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一个示例马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferoometer)的俯视图；图12是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一个示例多模干涉平面光学设备的俯视图；图13是根据本专利技术在亚微米SOI层上形成的一个示例环形谐振器插/分设备的俯视图；图14是根据本专利技术在亚微米SOI层内形成的一对耦合光波导的俯视图；图15是根据本专利技术在亚微米SOI层内形成的一个示例光开关的俯视图；图16是根据本专利技术在亚微米SOI层内形成的一对交叉波导的示例装置的俯视图；图17是根据本专利技术在亚微米SOI层内形成的一个示例重叠环形谐振器结构的俯视图；图18是根据本专利技术在亚微米SOI层内形成的一个示例有源可调环形谐振器结构的俯视图；图19和20表示在图2结构的亚微米聚硅层内平面光学设备的形成，聚硅平面设备将有效模指数变化引入沿着SOI层传输的信号；图21是一些不同亚微米厚聚硅设备的等轴视图，其可以在SOI层上形成从而将各种有效模指数变化引入传输的光波信号。本专利技术详细描述图1显示一个示例SOI结构10，其表示光信号限制在SOI结构10的硅上表面层12(以下称为“SOI”层)内，其中SOI层12的厚度t小于1微米。在我们已经提交共同等待批准的申请No.10/668,947中公开了一个装置，通过其上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳＯＩ基光学装置，用于调节传输的光波信号，该装置包括：硅基质；置于硅基质上的绝缘层；和置于绝缘层上的单晶硅层，该单晶硅层具有小于１微米的厚度，并在预定的区域被蚀刻以便暴露下面的绝缘层，在残余的亚微米单晶硅区和产生 界面的蚀刻区之间折射率的差异用于调节传输的光信号的性能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：普拉卡什约托斯卡，马格利特吉龙，罗伯特凯斯蒙特哥莫里，威普库马帕特尔，卡尔潘都夏斯特里，索哈姆帕塔克，凯瑟琳A亚努舍弗斯奇，
申请(专利权)人：斯欧普迪克尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]