[发明专利]在SOI光学平台上形成的亚微米平面光波设备

说明书

相关申请的参考

本申请要求2003年4月23日提交的临时申请No.60/464,938的优先权。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明概述

本发明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。

根据本发明，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)。

本发明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。

在本发明的另一实施方式中，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)。