(57)【要約】ＳＯＩ構造のサブミクロン表面層に生成することができ、あるいはＳＯＩ表面層とその上を覆っている多結晶シリコン層のサブミクロンの厚さの組合せの中に生成することができる一組のプレーナ型二次元光デバイスである。従来のマスキング／エッチング技法を使用して様々な受動デバイスおよび光デバイスをこのＳＯＩプラットフォームの中に形成することができる。デバイスの様々な領域をドーピングして能動デバイス構造を形成することができる。また、多結晶シリコン層を個別にパターン化して、伝搬する光信号に実効モード・インデックス変化領域を提供することも可能である。
2007525691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬する光波信号を操作するためのＳＯＩベース光学構造であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置された単結晶シリコン層であって、前記単結晶シリコン層の厚さが１ミクロン未満であり、下を覆っている誘電体層が露出するよう所定の領域にエッチングが施され、残留しているサブミクロン単結晶シリコン領域と前記エッチング領域の間の屈折率の差が前記伝搬する光波信号の特性を操作するためのインタフェースを生成する単結晶シリコン層とを備えた構造。
【請求項２】
少なくとも１つの垂直側壁を備えた少なくとも１つのエッチング領域を生成するべく前記単結晶シリコン層にエッチングが施され、前記残留しているサブミクロン単結晶シリコン層と前記少なくとも１つの垂直側壁の間の前記インタフェースが反射表面を生成している、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号に対して所定の角度で配置された垂直側壁を備えた、請求項２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４】
前記垂直側壁が、前記光波信号の伝搬方向に対して４５°の角度で配置され、方向転換ミラーを形成している、請求項３に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号を遮断する湾曲表面を有する垂直側壁を備えた、請求項２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項６】
前記湾曲表面が、伝搬する光を所定の焦点に集束させるための凹形表面である、請求項５に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項７】
前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施され、幅がｗ１の第１のエッチング導波路と幅がｗ２の第２のエッチング導波路の間にテーパが施された移行単結晶シリコン領域を備えた、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項８】
ｗ１＞ｗ２であり、前記エッチング・テーパが入力テーパとして画定された、請求項７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項９】
前記エッチング・テーパが、前記第１のエッチング導波路と前記第２のエッチング導波路の間に断熱移行を提供する、請求項７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１０】
ｗ１＞ｗ２であり、前記エッチング・テーパが出力テーパとして画定された、請求項７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１１】
光波信号の伝搬に対して配置された、ビーム・スプリッタを形成するＶ字形エッチング領域を形成するべく前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施され、それにより前記信号が前記Ｖ字の両側で反射し、かつ、逆方向に伝搬する一対の信号経路に沿って分割される、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１２】
伝搬する光波信号を遮断するように配置された回折格子構造を形成するべく前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施された、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１３】
前記回折格子構造が線形である、請求項１２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１４】
前記回折格子構造が凹面曲率を備えた、請求項１２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１５】
前記回折格子構造がブレーズド格子を備えた、請求項１２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１６】
１ミクロン未満の幅を維持する導波路のパターンを形成するべく前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施された、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１７】
前記導波路パターンの少なくとも一部が、前記サブミクロン単結晶シリコン層の頂部表面にエッチングされた回折格子構造を備えた、請求項１６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１８】
前記導波路パターンが、
入力部分、結合部分および出力部分を有する第１の導波路セグメントと、
入力部分、結合部分および出力部分を有する、前記第１の導波路セグメントに平行に配置された第２の導波路セグメントと
を備えた導波路結合構造を備え、前記第１および第２の導波路セグメントが、前記平行結合部分が互いに十分に接近し、前記伝搬する光波信号を第１の前記平行結合部分から第２の前記平行結合部分へ結合することができるようになされた、請求項１６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１９】
前記導波路パターンが、
線形導波路セグメントと、
少なくとも１つの円形導波路であって、前記伝搬する光波信号の波長に応じて、前記線形導波路に沿って伝搬する光信号を前記少なくとも１つの円形導波路に結合することができるように前記線形導波路に隣接して配置された円形導波路セグメントを備えた、請求項１６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの円形導波路が、前記線形導波路セグメントの長さに沿って間隔を隔てて配置された複数の円形導波路を備えた、請求項１９に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの円形導波路が、前記線形導波路セグメントに対して直角の方向に配置された、連続して配置された複数の円形導波路を備えた、請求項１９に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２２】
前記構造が、前記単結晶シリコン層のエッチング領域から形成された、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、伝搬する光波信号中に干渉パターンを生成するための混合部分と、
前記混合部分に結合された、前記混合部分で生成される複数の干渉信号を外結合するべく配置された複数の出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つの多モード干渉計を備えた、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの多モード干渉計が複数の多段型多モード干渉計を備え、第１のステージの前記複数の出力導波路部分が第２のステージを形成している複数の多モード干渉計の入力導波路部分として使用される、請求項２２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２４】
前記導波路パターンが、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、前記伝搬する光波信号を一対の個別光波信号に分割するための入力Ｙ字形部分と、
前記入力Ｙ字形部分の第１のアームに結合された第１の導波路と、
前記入力Ｙ字形部分のもう一方の第２のアームに結合された第２の導波路と、
前記第１および第２のアーム部分でそれぞれ第１の導波路終端および第２の導波路終端に結合された、前記一対の個別信号を結合して１つの出力光波信号にするための出力Ｙ字形部分と、
前記出力Ｙ字形部分に結合された、前記出力光波信号を受け取るための出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つのマッハ−ツェンダ干渉計を備えた、請求項１６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２５】
前記マッハ−ツェンダ干渉計が、本質的に同じ微小量のパワーを前記第１および第２の導波路に結合する対称干渉計である、請求項２４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２６】
前記マッハ−ツェンダ干渉計が、異なる微小量のパワーを前記第１および第２の導波路に結合する非対称干渉計である、請求項２４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２７】
前記構造が、さらに、
ＳＯＩ層の上に配置された比較的薄い誘電体層と、
前記比較的薄い誘電体層の上に配置された、厚さがサブミクロンのデバイス・シリコン層とを備え、前記デバイス・シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記単結晶シリコン層を組み合わせた厚さが１ミクロン未満である、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２８】
前記厚さがサブミクロンのデバイス・シリコン層が、多結晶シリコン、アモルファス・シリコン、グレインサイズ強化多結晶シリコン、グレインサイズ多結晶シリコンからなるグループから選択される、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２９】
能動光デバイスの形成を可能にするために前記デバイス・シリコン層および前記単結晶シリコン層の選択領域がドープされた、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３０】
下を覆っている誘電体層が露出するよう、前記デバイス・シリコン層、比較的薄い誘電体および単結晶シリコンの前記組合せの所定の領域にエッチングが施され、残留しているサブミクロン単結晶シリコン／デバイス・シリコン領域と前記エッチング領域の間の屈折率の差が前記伝搬する光波信号の特性を操作するためのインタフェースを生成している、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３１】
少なくとも１つの垂直側壁を備えた少なくとも１つのエッチング領域を生成するべく、前記単結晶シリコン層、比較的薄い誘電体層およびデバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施され、前記少なくとも１つの垂直側壁と前記残留しているサブミクロン単結晶シリコン層および前記残留しているサブミクロン・デバイス・シリコン層の前記組合せとの間の前記インタフェースが反射表面を生成している、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号に対して所定の角度で配置された垂直側壁を備えた、請求項３１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３３】
前記垂直側壁が、前記光波信号の伝搬方向に対して４５°の角度で配置され、方向転換ミラーを形成している、請求項３２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号を遮断する湾曲表面を有する垂直側壁を備えた、請求項３１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３５】
前記湾曲表面が、前記伝搬する光波信号を所定の焦点に集束させるための凹形表面である、請求項３４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３６】
前記サブミクロン単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施され、幅がｗ１の第１のエッチング導波路と幅がｗ２の第２のエッチング導波路の間にテーパが施された移行領域を備えた、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３７】
ｗ１＞ｗ２であり、前記エッチング・テーパが入力テーパとして画定された、請求項３６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３８】
前記エッチング・テーパが、前記第１のエッチング導波路と前記第２のエッチング導波路の間に断熱移行を提供する、請求項３６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３９】
ｗ１＞ｗ２であり、前記エッチング・テーパが出力テーパとして画定された、請求項３６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４０】
光波信号の伝搬に対して配置された、ビーム・スプリッタを形成するＶ字形エッチング領域を形成するべく、前記サブミクロン単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施され、それにより前記信号が前記Ｖ字の両側で反射し、かつ、逆方向に伝搬する一対の信号経路に沿って分割される、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４１】
伝搬する光波信号を遮断するように配置された回折格子構造を形成するべく、前記サブミクロン単結晶シリコン層および前記デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施された、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４２】
前記回折格子構造が線形である、請求項４１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４３】
前記回折格子構造が凹面曲率を備えた、請求項４１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４４】
１ミクロン未満の幅を維持する導波路のパターンを形成するべく、前記サブミクロン単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記サブミクロン・デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施された、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４５】
前記導波路パターンの少なくとも一部が、前記デバイス・シリコン層にエッチングされた回折格子構造を備えた、請求項４４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４６】
前記導波路パターンが、
入力部分、結合部分および出力部分を有する第１の導波路セグメントと、
入力部分、結合部分および出力部分を有する、前記第１の導波路セグメントに平行に配置された第２の導波路セグメントと
を備えた導波路結合構造を備え、前記第１および第２の導波路セグメントが、前記平行結合部分が互いに十分に接近し、前記伝搬する光波信号を第１の前記平行結合部分から第２の前記平行結合部分へ結合することができるようになされた、請求項４４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４７】
前記導波路パターンが、
線形導波路セグメントと、
少なくとも１つの円形導波路であって、前記伝搬する光波信号の波長に応じて、前記線形導波路に沿って伝搬する光波信号を前記少なくとも１つの円形導波路に結合することができるように前記線形導波路に隣接して配置された円形導波路セグメントを備えた、請求項４４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの円形導波路が、前記線形導波路セグメントの長さに沿って間隔を隔てて配置された複数の円形導波路を備えた、請求項４７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４９】
前記少なくとも１つの円形導波路が、前記線形導波路セグメントに対して直角の方向に配置された、連続して配置された複数の円形導波路を備えた、請求項４７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５０】
前記導波路パターンが、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、伝搬する光波信号中に干渉パターンを生成するための混合部分と、
前記混合部分に結合された、前記混合部分で生成される複数の干渉信号を外結合するべく配置された複数の出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つの多モード干渉計を備えた、請求項２７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５１】
前記少なくとも１つの多モード干渉計が複数の多段型多モード干渉計を備え、第１のステージの前記複数の出力導波路部分が第２のステージを形成している複数の多モード干渉計の入力導波路部分として使用される、請求項５０に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５２】
前記導波路パターンが、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、前記伝搬する光波信号を一対の個別光波信号に分割するための入力Ｙ字形部分と、
前記入力Ｙ字形部分の第１のアームに結合された第１の導波路と、
前記入力Ｙ字形部分のもう一方の第２のアームに結合された第２の導波路と、
前記第１および第２のアーム部分でそれぞれ第１の導波路終端および第２の導波路終端に結合された、前記一対の個別信号を結合して１つの出力光波信号にするための出力Ｙ字形部分と、
前記出力Ｙ字形部分に結合された、前記出力光波信号を受け取るための出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つのマッハ−ツェンダ干渉計を備えた、請求項４４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５３】
前記マッハ−ツェンダ干渉計が、本質的に同じ微小量のパワーを前記第１および第２の導波路に結合する対称干渉計である、請求項５２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５４】
前記マッハ−ツェンダ干渉計が、異なる微小量のパワーを前記第１および第２の導波路に結合する非対称干渉計である、請求項５２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５５】
伝搬する光波信号を操作するためのＳＯＩベース光学構造であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置された、厚さが１ミクロン未満の単結晶シリコン層と、
前記単結晶シリコン層の上に配置された比較的薄い誘電体層と、
前記比較的薄い誘電体層の上に配置された、厚さが１ミクロン未満のデバイス半導体層とを備え、前記単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記デバイス半導体層を組み合わせた厚さが同じく１ミクロン未満であり、下を覆っている前記単結晶シリコン層を通って伝搬する前記光波信号の光挙動を修正するための少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスを形成するべく前記デバイス半導体層にエッチングが施された構造。
【請求項５６】
前記少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスがレンズを備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項５７】
少なくとも１つのレンズが凸レンズである、請求項５６に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項５８】
少なくとも１つのレンズが凹レンズである、請求項５６に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項５９】
前記少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスがプリズムを備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６０】
前記少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスが回折格子を備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６１】
前記回折格子が前記光波信号の伝搬方向に本質的に直角に配置された、請求項６０に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６２】
前記回折格子がチャープ・グレーティングである、請求項６０に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６３】
前記回折格子が前記光波信号の伝搬方向に対して所定の角度で配置された、請求項６０に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６４】
前記少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスがビーム・スプリッタを備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６５】
前記少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスが回折光デバイスを備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６６】
前記回折光デバイスがフレネル・レンズを備えた、請求項６５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６７】
前記デバイス半導体層がデバイス・シリコン層を備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６８】
前記デバイス・シリコン層がデバイス多結晶シリコン層を備えた、請求項６７に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項６９】
前記デバイス半導体層がデバイス窒化シリコン層を備えた、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項７０】
前記デバイス半導体層がシリカを含有した、請求項５５に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項７１】
前記シリカが前記伝搬する光波信号を増幅するための希土類ドーパントを含有した、請求項７０に記載のＳＯＩベース構造。
【請求項７２】
前記希土類ドーパントがエルビウムを含有した、請求項７１に記載のＳＯＩベース構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプレーナ型光導波デバイスの形成に関し、より詳細には、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）プラットフォームのサブミクロン表面積への受動および能動の両プレーナ型光デバイスの形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の相互参照）
プレーナ型光波回路（ＰＬＣ）は電子チップの光等価物であり、電子信号の代わりに光信号を操作し、かつ、処理している。ほとんどの場合、ＰＬＣは、半導体基板の上に付着したガラス、重合体もしくは半導体の比較的薄い層の中に形成されている。光波回路自体は、光導波路によって相互接続された１つまたは複数の光デバイスから構成されている。光導波路は、１つの光デバイスから他の光デバイスへ光を導くように機能しているため、電子チップ中の金属相互接続の光等価物と見なされている。光デバイスは、たとえば反射、集束、平行化、ビーム分割、波長多重化／逆多重化、スイッチング変調および検出等を始めとする機能を実行する受動光デバイスもしくは能動電気光学デバイスのいずれかを備えることができる。
【０００３】
光波デバイスの集積に使用されている一般的なプラットフォームは、ＩｎＰ、シリコン上シリカ、重合体およびシリコン・オキシナイトライドの使用に基づいている。電子コンポーネントとこれらの光デバイスを統合する能力は、ほとんどの電子集積回路技術が、光波デバイスに使用されている上記プラットフォームのいずれかではなく、シリコン・プラットフォームに基づいているため、常に極端に制限されている。したがって光学と電子工学の真の統合は、シリコン・プラットフォームへの光デバイスの形成を通して達成することができる。このような統合のための候補システムは、電子コンポーネントの形成に使用されている同じ表面単結晶シリコン層（以下、「ＳＯＩ層」と呼ぶ）の中で光を導くことができる絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）構造である。
【０００４】
これまでのところ、端面照明などの方法によるＳＯＩ層への光波信号の入／出力結合が比較的容易であるため、ＳＯＩ構造の中に形成される一般的なプレーナ型光デバイスには、比較的分厚い（＞３〜４μｍ）ＳＯＩ層が使用されているが、端面照明結合の要求には、チップの端面へのアクセスが必要であり、また、高い表面品質を備えた端面を形成する必要がある。また、分厚いＳＯＩ層の中に鮮明度の高い構造を製造すること（たとえば、導波路、リング、ミラー等のための「滑らかな」垂直壁を形成すること）は、どちらかと言えば困難であると見なされている。また、シリコンのこの厚さは、従来のＣＭＯＳ製造プロセスの使用を妨げており、電子コンポーネントと光学コンポーネントの両方を同時に形成することができない。さらに、ＳＯＩ層のこの厚さは、電子デバイスの速度を制限している。
【０００５】
また、ＳＯＩ層の厚さが１ミクロン未満になると（これは、上で説明した問題に対処するには好ましい厚さであるが）、比較的薄いこのような層への十分な量の光波信号の結合、およびこのような層からの十分な量の光波信号の結合に関して重大な課題が残されることになる。薄いＳＯＩ層に光を結合するために利用されているいくつかの方法には、導波路回折格子、逆ナノテーパおよび三次元ホーン・テーパがあるが、結合光がＳＯＩ層の中を伝搬し、光の閉込めは垂直方向のみである（スラブ型導波路）。横方向の光の伝搬は、自由空間における伝搬に類似しており、媒体の屈折率は、シリコンの屈折率に等しい。結合光を実用的に利用するためには、事実上、サブミクロンＳＯＩ層中の光を操作しなければならない。より詳細には、シリコン層の中で結合した光の方向転換、集束、変調、減衰、スイッチングおよび選択的な分散などの様々な光学機能を実行する必要がある。光学と電子工学を真に統合するためには、プレーナ型導波路構造を必要とすることなくこれらの光学機能のすべてを達成しなければならない。
【特許文献１】仮出願第６０／４６４，９３８号
【特許文献２】同時係属出願第１０／６６８，９４７号
【特許文献３】同時係属出願第１０／８１８，４１５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術には、本発明によって対処される、プレーナ型光導波デバイスの形成に関連する問題、より詳細には、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）プラットフォームのサブミクロン表面積への受動および能動の両プレーナ型光デバイスの形成に関連する問題が依然として存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、ＳＯＩ構造の比較的薄い（すなわちサブミクロンの）単結晶シリコン表面層（以下、「ＳＯＩ層」と呼ぶ）を使用して様々なプレーナ型光デバイス（たとえば導波路、テーパ、ミラー、回折格子、レンズ、横方向エベネッセント結合器、導波路結合器、スプリッタ／コンバイナ、リング共振器、分散補償器、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）等）のいずれかが形成される。
【０００８】
本発明の利点は、サブミクロンの厚さのＳＯＩ層を使用して、従来のＣＭＯＳ技法を使用して光デバイスと電子デバイスの両方を処理することができる光デバイスが形成されることである。たとえば、局部酸化あるいは多層蒸着およびエッチング／酸化などの技法を使用して、導波路構造の光学特性を最適化することができる。最新技術のリソグラフィ技法を使用して、光学構造を極めて正確に（たとえば約０．００５μｍ以下の分解能で）画定することができる。高分解能エッチングは、プラズマ・エッチング（たとえば浅いトレンチ・エッチング（ＳＴＩ）、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）あるいは誘導結合エッチング）などのプロセスによって達成することができる。
【０００９】
本発明の代替実施形態では、サブミクロンの厚さのＳＯＩ層の上に、薄い誘電体層によって分離されたサブミクロンの厚さのシリコン層（たとえば多結晶シリコン）が形成される（これらの３つの層の全体の厚さは１ミクロン未満に維持されている）。この層の組合せは、従来のＣＭＯＳ技法を使用して処理することができ、それにより様々なデバイスが形成される。シリコン層およびＳＯＩ層はいずれもドープすることができるため、受動光コンポーネントの他に、能動光デバイス構造（たとえば変調器、スイッチ、波長選択リング共振器等）を形成することができる。
【００１０】
２００３年９月２３日出願の、本出願人らの同時係属出願第１０／６６８，９４７号に開示されているように、サブミクロンのシリコン導波路に光を結合することができるため、サブミクロンＳＯＩ層およびシリコン層は、任意のタイプのプレーナ型光コンポーネントを形成するべく有利に処理することができる。つまり、光の結合を容易にするための比較的分厚い表面導波シリコン層を使用する必要がない。
【００１１】
本発明のさらに他の実施形態では、シリコン層をエッチングして様々な二次元形状（レンズ、プリズム、回折格子等）を形成することができる。形状化された領域を光信号が通過する際にモード・インデックスが変化するため、光信号を任意に操作することができる。ＳＯＩ層とシリコン層の厚さの差によって導波路の屈折率が変化し、この変化を使用してＳＯＩ層の中を伝搬する光波信号の挙動を修正することができる。詳細には、シリコン層をエッチングすることによって、レンズ、プリズム、テーパおよび回折格子などの様々な形状を形成することができ、それにより様々な光学機能を達成することができる。実際、二酸化ケイ素、窒化ケイ素などのシリコン以外の半導体材料をこの層に利用することも可能であり、あるいはエルビウム・ドープ・ガラスなどの材料を利用することも可能である。その場合、従来のエッチング・プロセスを使用して、これらの他の材料の中に二次元光デバイスが形成される（これらは異なる屈折率を示す）。
【００１２】
本発明のその他の利点は、添付の図面を参照して行う以下の考察によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、例示的ＳＯＩ構造１０を示したもので、ＳＯＩ構造１０の上部シリコン表面層１２（以下、「ＳＯＩ層」と呼ぶ）内への光信号の閉込めが示されている。図に示すＳＯＩ層１２の厚さｔは１ミクロン未満である。本出願人らの同時係属出願第１０／６６８，９４７号に、頂部表面を介して光をサブミクロンＳＯＩ層１２に結合するための構造が開示されている。もう一度図１を参照すると、ＳＯＩ構造１０は、シリコン基板１４および基板１４の上に形成された誘電体層１６（通常、二酸化ケイ素を含有している）を備えている。ＳＯＩ層１２は、誘電体層１６の上に形成されており、層１６は、当分野ではしばしば「埋設誘電体」（たとえばボックスと呼ばれている「埋設酸化膜」）層と呼ばれている。ＳＯＩ層１２の上に比較的薄い誘電体層１８が形成されている。
【００１４】
図２は、代替ＳＯＩ構造２０を示したもので、伝搬する光信号をサポートするための、ＳＯＩ層２４と組み合わせた多結晶シリコン層２２の使用が示されている。図１に示す実施形態の場合と同様、ＳＯＩ構造２０は、シリコン基板２６および基板２６の上に配置された誘電体層２８を備えている。比較的薄い誘電体層３０は、ＳＯＩ層２４と多結晶シリコン層２２の間に配置することができるが、いくつかの実施形態では必ずしもその必要はない。この特定の実施形態によれば、ＳＯＩ層２４と多結晶シリコン層２２の両方を合わせた厚さＴは、誘電体層３０の有無に無関係に１ミクロン未満に維持されている。それぞれｔ１およびｔ２で示すＳＯＩ層２４および多結晶シリコン層２２の個々の厚さは、光信号の垂直方向の位置（すなわち光学モード）を指図するべく、本発明による製造プロセスに従って制御することができる。たとえばｔ１＝ｔ２の場合、約５０％の信号強度が個々の層に存在することになる。
【００１５】
図３は、本発明による、図１に示すＳＯＩ構造１０内への垂直反射表面の形成を示したものである。詳細には、ＳＯＩ層１２にエッチングが施され（たとえば、図５に関連して以下で考察する処理シーケンスを使用して）、それによりＳＯＩ層１２のエッチング領域４０に「光学的に滑らかな」表面４２が形成される。このエッチング・プロセスによって反対側の側壁４４も同じく光学的に滑らかになる。図３を参照すると、ＳＯＩ層１２に沿って左から右へ伝搬する光信号が示されている。垂直表面４２に遭遇すると、信号は、シリコンと「空気」の間の屈折率の差によって完全に反射する（つまり「内部全反射」ＴＩＲ）（別法としては、エッチング領域４０に二酸化ケイ素あるいは窒化ケイ素などの他の低屈折率材料を配置して構造を平坦化し、それにより後の処理工程を単純化することができる）。
【００１６】
図４は、図２に示す構造２０への反射表面の形成を示したもので、ＳＯＩ層２４の上に薄い誘電体層３０およびシリコン層２２が形成されている。伝搬する光信号を反射させる垂直側壁４８を備えたエッチング領域４６が構造２０の中に形成されている。ＳＯＩ層と「光シリコン」層の両方を使用しているこの実施形態の場合、図３に示す構造と比較すると、光エネルギーの一部が層２２および２４の両方に沿って伝搬するよう、光学モードがシフトしている。上で言及したように、この構造の中を伝搬する光学モードの実際の配置は、ＳＯＩ層２４と光シリコン層２２の相対厚さによって決まる。
【００１７】
図３および４には、反射垂直側壁の形成が切欠き側面図で示されているが、エッチング領域の実際の幾何学は、ＳＯＩ層１２もしくはＳＯＩ層２４と光シリコン層２２の組合せに１つまたは複数の開口を形成するために使用されるマスクのパターンおよび処理工程によってのみ制御される所望の任意の形状にすることができることを理解されたい。図５（ａ）〜（ｆ）は、ＳＯＩ層へのプレーナ型二次元光デバイスのパターン化および形成に使用することができる例示的製造プロセスを示したものである。例示的製造プロセスを考察するために、図には、ＳＯＩ層に直接デバイスを形成するプロセスが示されている。同様のセットの処理工程を使用して、ＳＯＩ層、誘電体層および光シリコン層の組合せにエッチングを施し、プレーナ型光デバイスの同じ選択物を形成することができることを理解されたい。
【００１８】
図５（ａ）を参照すると、シリコン基板１４、埋設誘電体層１６およびサブミクロンＳＯＩ層１２を備えた図１に示す構造１０でプロセスが開始されている。次に、図５（ｂ）に示すように、サブミクロンＳＯＩ層１２の頂部表面５２全体にフォトレジスト５０の層が加えられる。次に、フォトレジスト５０の上にマスク５４が配置される。このマスク５４は、上で考察したように、サブミクロンＳＯＩ層１２中にエッチングされることが望ましい二次元構造の各々の輪郭を適切に描くようになされている。図５（ｃ）は、ＳＯＩ構造１０の上のフォトレジスト層５０へのマスク５４の配置を示したものである。マスク５４が所定の位置に配置されると、図５（ｄ）に示すように特定のタイプの光に構造が露光され、マスク５４で覆われていないフォトレジスト層５０の領域が露光される。たとえばマスク５４を透過する紫外光によってマスク５４のパターンが感光性フォトレジスト層５０に転送される。次に、従来のプロセスを使用してフォトレジストが現像され、下を覆っているサブミクロンＳＯＩ層１２に画像が転送される。
【００１９】
フォトレジスト層５０は、「ポジ型」フォトレジスト材料もしくは「ネガ型」フォトレジスト材料のいずれかを含有することができる。ポジ型フォトレジスト材料を使用する場合、図５（ｄ）に示す露光プロセスによって、下を覆っている、マスク５４に形成されたパターンによって露光されたあらゆるシリコン材料が除去される。図５（ｅ）は、ポジ型フォトレジストを使用した結果を示したもので、フォトレジスト層５０内の領域６０が除去されている。フォトレジスト層５０のこのパターン化により、次に、図５（ｆ）に示すように、エッチング・プロセスを使用してサブミクロンＳＯＩ層１２の１つまたは複数の露光部分が除去される。詳細には、最終デバイス・フィーチャの形成にはサブミクロンの幾何学が必要であり、また、ドライ・エッチング・プロセスによってのみサブミクロン・レベルの分解能が提供されると見なされているため、「ウェット」（化学）エッチング・プロセスよりドライ・エッチング（すなわちプラズマ）プロセスの方が好ましい。従来のウェット化学エッチングは、従来のより大型（１ミクロン以上）の電子コンポーネントの形成により適している。フォトレジスト層５０にネガ型フォトレジスト材料を使用する場合、図５（ｄ）に示す露光プロセスによって図５（ｇ）に示す構造が形成され、フォトレジスト層５０の「露光」部分のみが残留することになる。図５（ｈ）に示すように、この構造に引き続いてエッチングを施すことにより、ＳＯＩ層１２にサブミクロン「リブ」導波路６２が形成される。局部酸化および／または焼きなましの形の他の処理工程を使用することにより、エッチングによって形成されたフィーチャの側壁を「滑らか」にすることができる。
【００２０】
次に、この、ＳＯＩ層１２（もしくはＳＯＩ層２４と光シリコン層２２の組合せ）に形成される二次元形状の１つまたは複数の空洞領域が、層１２のエッチングに使用されるマスクのパターンによって制御される、という理解の下に、このサブミクロン構造の中に形成することができる多数の様々なプレーナ型光デバイス（受動および能動の両方）について説明し、かつ、添付の図に示す。しかしながら、これらの様々なデバイスが例示的なものにすぎず、実際、本発明の教示に従って所望する任意のプレーナ型光デバイスもしくは複数のプレーナ型光デバイスの組合せをサブミクロンＳＯＩ構造の中に形成することができることを理解されたい。また、これらの多数のデバイスは、エッチング特化パターン／領域によってＳＯＩ層１２に形成されるものとして考察されているが、ＳＯＩ層２４、誘電体層３０および光シリコン層２２のサブミクロンの厚さの組合せにも同じ構造を形成することができることに留意されたい。いくつかのフィーチャに対する追加光シリコン層の必要性は、この後者の構造を使用する必要がある場合に決定される。
【００２１】
図６は、サブミクロンＳＯＩ層１２に形成された例示的導波路構造を等角図で示したものである。この実施形態では、平行な一対の長方形開口７０および７２をサブミクロンＳＯＩ層１２の厚さ全体に渡ってエッチングすることによってプレーナ型二次元導波路が形成されている（したがって、下を覆っている埋設誘電体層１６が露出している）。シリコンと「空気」の間の屈折率の差によって提供される横方向の閉込めにより、図６に示すようにＳＯＩ層１２に沿って左側から伝搬する光波信号は、エッチングされた開口７０と７２の間に生成された導波路内に閉じ込められ、かつ、導かれることになる。図には、線形のエッチング開口７０および７２が示されているが、導波が維持される限り、他の任意の幾何学を使用することができることを理解されたい。実際、知られているエッチング技法を使用して可能な高分解能により、高さがサブミクロン（ＳＯＩ層１２の厚さによって画定される）で、幅がマスク・フィーチャによって決まるサブミクロンの幅ｗである極端に小さい断面の導波路領域７４を形成することができる。
【００２２】
図７は、図６に示す構造の変形態様を示したもので、導波路７０に結合して使用するための入力テーパ７６および出力テーパ７８の形成が示されている。これらのテーパを形成するために、異なるエッチング・マスクを使用して、図７に示す幾何学を備えたエッチング開口８０および８２が形成されている。つまり、導波路７０への入力部では、エッチング開口８０と８２の間の空間が広がるようにエッチング・パターンが制御されている。開口８０と８２の間の空間が広くなっているため、開口８０と８２の間に形成されている導波路の幅も同様に広くなり、図７に示すように幅ｗ１を有している（ここでは、導波路７０の幅はｗ２で示されている）。導波路の出力側も同様の空間を備えており、開口８０および８２が広がって幅がｗ１の出力導波路領域を形成している。場合によっては断熱テーパを利用する必要があるが、この特性に必要なテーパ・サイズは、マスク中で容易に画定することができ、次にそのマスクを使用して所望の断熱形状をエッチングすることができる。
【００２３】
図８は、ＳＯＩ層１２内の光信号の方向転換および経路指定を提供するための例示的構造を上面図で示したもので、ミラーの各々は、ＳＯＩ層１２中にエッチングされた三角形のくさび形の形状を有している。定義済みの個々の位置に様々なエッチング開口がＳＯＩ層１２の表面全体に渡って配置されており、所望の方向転換機能および／または経路指定機能を提供している。図８に示す特定の実施形態では、波長λ１で伝搬する第１の光波信号が最初にエッチング・ミラー領域９０に遭遇し、領域９０の４５°垂直壁９２で９０°反射する。反射した信号は、次にエッチング・ミラー領域９４に遭遇し、エッチング表面９６で反射してエッチング・ミラー領域９８に遭遇するまで伝搬する。光波信号は、次にエッチング・ミラー領域９８の垂直壁１００で反射し、エッチング・ミラー領域１０２に向かって伝搬する。信号は、次に垂直壁１０４で反射してエッチング・ミラー領域１０６に遭遇し、垂直壁１０８で反射して最後のエッチング・ミラー領域１１０へ向かって導かれる。信号は、次にミラー１１０の垂直壁１１２で反射してデバイスから出力される。第２の光波信号（図には異なる波長λ２で動作するように示されているが、同じ波長を使用することも可能である）は、エッチング・ミラー領域１１への入力として提供され、反射垂直壁１１４で反射して第２のエッチング・ミラー領域１１６へ向かう。光波信号は、次にエッチング・ミラー領域１１６の垂直壁１１８で反射してデバイスから出力される。
【００２４】
図９は、本発明によるプレーナ型光デバイスから形成されたビーム分割構造１３０を示したもので、ビーム分割構造１３０を例証するために、ＳＯＩ層１２に形成された構造が考察されている。上で言及したように、ＳＯＩ層２４、誘電体層３０および光シリコン層２２の「スタック」結合の中に、構造１３０および本明細書において考察されている他の任意の構造を形成することも可能であることを理解されたい。図９を参照すると、ビーム分割構造１３０は、第１の反射表面１３４と第２の反射表面１３６を備えた第１のエッチング三角領域１３２を備えている。表面１３４と１３６の間の角度θは、構造１３０を形成するために使用されるマスクを画定することによって制御されている。したがって、入射する光波信号は、表面１３４および１３６によって画定されたＶ字形くさびに遭遇し、光波信号の第１の部分（図９の「Ａ」で示す部分）の方向が図に示すようにエッチング・ミラー領域１３８へ向かって変化することになる。同様に、光波信号の第２の部分（図９の「Ｂ」で示す部分）は、エッチング・ミラー領域１４０へ向かってその方向が変化する。光波信号部分Ａは、エッチング・ミラー領域１３８の表面１４２で反射し、エッチング・ミラー領域１４６の反射表面１４４に向かって導かれる。反射表面１４４は、光波信号部分Ａの方向を光ビーム・コンバイナ１４８に向けて変更するように機能している。同様に、光波信号部分Ｂは、エッチング・ミラー領域１４０の反射表面１５０でエッチング・ミラー領域１５４の反射表面１５２に向かってその方向が変化する。光波信号部分Ｂは、次に反射表面１５２で光ビーム・コンバイナ１４８に向かってその方向が変化する。図９に示すように、光ビーム・コンバイナ１４８は、本質的に同じ角度θで分離されていると仮定される一対の反射表面１５６および１５８を備えており、これらの２つの信号部分ＡおよびＢの方向が変化して１つの出力光波信号に結合される。
【００２５】
図１０は、ＳＯＩ構造１０のＳＯＩ層１２をパターン化することによって形成することができる集束および回折エレメントを上面図で示したものである。詳細には、図に示す凹面（集束）ミラー１６０は、ＳＯＩ層１２内のエッチング空洞によって形成されている。ミラー１６０のエッチング表面１６２の曲線は、入射する光がＳＯＩ層１２内の焦点Ｆに集束するよう、（パターン化マスクを適切に形成することによって）放物線の形になるように制御されている。複数の波長で動作する光信号を使用しているシステム（たとえばＷＤＭシステムなど）では、湾曲した反射表面１６６を備えるように凹面回折格子１６４を形成することができる。表面１６６は、図１０に示すように、個々の波長を分離し、かつ、分離信号の各々を異なる焦点に集束させるための回折格子構造１６８を有するように形成されている。リソグラフィ／エッチング・プロセスを使用して凹面回折格子１６４を形成することにより、回折格子構造１６８の特定のパラメータ（たとえば回折格子の周期など）を良好に制御することができ、それによりＷＤＭシステムに使用するための有効なプレーナ型回折格子構造が提供される。同じく図１０に示すように、エッチング空洞としてＳＯＩ層１２に線形回折格子１７０を形成することができ、この線形回折格子１７０を使用して、入射する光信号を個々の波長成分に分離することができる。図に示すように、線形回折格子１７０は、入射する光波信号に対して所定の角度で配置するべくＳＯＩ層１２に形成されており、線形回折格子１７０の表面１７４の回折格子１７２は、様々な波長を分離するように機能している。
【００２６】
本発明によれば、フォトレジスト層をパターン化するために使用される単一のマスクを適切に画定することによって、共通のＳＯＩ層１２に形成することが望ましいプレーナ型二次元光コンポーネントの各々が同時に形成されることを理解されたい。たとえば、単一マスク、単一露光工程および単一エッチング工程を使用して、図１０に示す完全な構造を形成することができる。実際、テーパ（とりわけモード変換に使用される断熱テーパ）、スプリッタ、コンバイナ等を始めとする所望する任意の二次元パターンを形成することができることを理解されたい。たとえば、図１１は、ＳＯＩ層１２の表面をパターン化し、かつ、エッチングすることによって形成された、第１のエッチング空洞１８２、第２のエッチング空洞１８４および第３のエッチング空洞１８６を備えたマッハ−ツェンダ干渉計１８０を示したものである。このエッチング空洞セットは、とりわけ入力導波路セクション１９０、第１の干渉計アーム１９２、第２の干渉計アーム１９４および出力導波路セクション１９６を形成するためにパターン化されている。図には、入力導波路セクション１９０が同じ量の光パワーをアーム１９２および１９４に分割している点で「対称」のマッハ−ツェンダ干渉計１８０が示されているが、ＳＯＩ層１２をエッチングするために使用されるマスキング・パターンを修正することによって容易に非対称干渉計を形成することができることは明らかである。
【００２７】
図１２は、ＳＯＩ構造１０のＳＯＩ層１２をパターン化し、かつ、エッチングすることによって形成された多モード干渉（ＭＭＩ）スプリッタ２００を示したものである。図に示すように、スプリッタ２００は、図１２に示すようにサイズ化され、かつ、配置された領域２０２および２０４をエッチングし、入力導波路セクション２０６および空洞領域２０８を形成することによって形成されている。空洞領域２０８は、入力信号をエッチング領域２０２および２０４によって形成された様々な内部反射垂直壁で反射させるように機能しており、したがって空洞領域２０８の寸法で決まる干渉パターンを形成している。図に示すようにエッチング領域２０２と２０４の間に個別のエッチング構造２１０が配置され、一対の出力導波路２１２および２１４を形成している。別法としては、エッチング領域２０２と２０４の間に一組のエッチング構造を配置し、複数のＮ型出力導波路を形成することも可能である。
【００２８】
図１３は、様々なフィーチャをＳＯＩ層１２内に適切にエッチングすることによって形成されたアド／ドロップ・リング共振器２２０を示したものである。図に示すように、ＳＯＩ層１２をエッチングすることによって導波路２２２および波長λ１に敏感になるようにサイズ化された第１のリング共振器２２４が形成されており、したがって導波路２２２に沿って波長λ１の信号が挿入され、あるいは波長λ１で伝搬する信号がフィルタ除去される。図１３は、この外結合構造を示したものである。導波路２２２に沿って配置されているもう１つの第２のリング共振器２２６は、波長λ２に敏感になるようにサイズ化されている。図１４は、導波路結合器２３０を示したもので、図に示すように一組の３つの領域２３２、２３４および２３６を単純にエッチングすることによって形成されている。
【００２９】
図１５は、ＳＯＩ構造１０のＳＯＩ層１２に形成することができる例示的光スイッチ２４０を示したものである。図に示すように一組のエッチング領域２４２、２４４および２４６を形成することによって輪郭が２×２のスイッチ２４０が画定されている。領域２４４の内部部分２４８は、第１の導波路２５０に沿って伝搬する光信号の第２の導波路２５２へのエバネッセント結合を可能にするよう適切にサイズ化されている。図１６は、交差導波路構造２６０を示したもので、第１の導波路２６２および第２の導波路２６４は、図１６に示すように配置された一組の４つの直角領域２６６、２６８、２７０および２７２をエッチングすることによって形成されている。図１７は、重畳リング共振器構造２８０を示したもので、ＳＯＩ層１２をパターン化し、かつ、エッチングすることによって一対の導波路２８２および２８４が形成され、その一対の導波路２８２および２８４にリング構造２８６が重畳している。
【００３０】
上で言及したように、図２に示すＳＯＩ構造２０を使用し、エッチング・プロセスによって光シリコン層２２、誘電体層３０（存在している場合）およびＳＯＩ層２４を除去することによって、上で説明した様々なデバイスのいずれか、および他の任意のタイプのプレーナ型光デバイスを形成することも可能であることを思い出されたい。また、本発明の重要な面は、様々なデバイスの領域を選択的にドープし、それにより能動構造を形成することができることである。ドーピングにより、たとえば光デバイスを「同調」させることによって波長を選択する能力が提供される。図１８は、例示的同調可能リング共振器３００を示したもので、光シリコン層２２およびＳＯＩ層２４の領域３０２がドープされ、デバイスの導電率を修正している。したがって、領域３０２に制御信号（図示せず）を印加することにより、同調可能デバイス３００のリング共振器部分３０４によって特定の波長がフィルタ除去される。同様に、上で説明した様々なデバイスを選択的にドープすることによって波長感度を提供することができる。エッチング構造のマスキングおよびドーピング選択部分の処理については、集積回路製造業界では良く知られている。
【００３１】
また、本発明の利点は、２００４年４月２１出願の、本出願人らの同時係属出願第＿＿＿＿＿号に開示されているように、光学コンポーネントと電気コンポーネントの両方のフィーチャを画定するためのマスクと同じマスクを使用して、光学コンポーネントの動作に関連する電気コンポーネントを光学エレメントと同時に形成することができることである。実際、２００４年４月５日出願の、本出願人らの同時係属出願第１０／８１８，４１５号には、従来のマンハッタン幾何学レイアウト・ツールを使用して光学コンポーネントと電気コンポーネントの両方のレイアウトを統合するための特定のプロセスが開示されている。電気コンポーネントのいくつかは、たとえば、とりわけ波長感度に関して、様々な能動光コンポーネントの性能を「調整」するために使用することができる。
【００３２】
図２に関連して上で言及したように、本発明によれば、サブミクロンＳＯＩ層２４の上にサブミクロンの厚さの多結晶シリコン層２２を形成し、次にこの複合構造をパターン化し、かつ、エッチングすることによってプレーナ型光学構造を形成することができる。本発明の他の態様によれば、ＳＯＩ層２４と多結晶シリコン層２２の組合せの実効モード・インデックスを修正することにより、プレーナ型導波構造の中で光を操作することができる。詳細には、図１９を参照すると、ＳＯＩ構造２０の多結晶シリコン層２２は、実効モード・インデックスを修正するように機能するプレーナ型光デバイスを形成するべく、多結晶シリコン層２２の上に輪郭３１０で示すようにパターン化することができる。図１９に示す構造は、次に図２０に示すようにエッチングされ、多結晶シリコン層２２の大部分が除去されて、誘電体層３０の上にレンズ構造３１２のみが残される。有利には、誘電体層３０は「エッチング停止」として使用され、エッチング中におけるＳＯＩ層２２の除去が防止される。したがって、ＳＯＩ層２４に沿って伝搬する光信号がレンズ３１２に遭遇すると、光信号は、実効モード・インデックスの変化に「晒される」ことになり、レンズ３１２によって信号が集束する。
【００３３】
図２１に示すように、同じエッチング技法を使用して様々なプレーナ型光デバイスを形成することができる。詳細には、図２１は、ＳＯＩ構造２０を上面図で示したもので、表面領域の大部分を形成するために誘電体３０が露光されている。図１９および２０に関連して上で考察したように、多結晶シリコン・レンズ３１２は、本発明に従って形成されたこの例示的「モード・インデックス変更」デバイスのセットに含まれている。また、図２１には、凹レンズ３１４、プリズム３１６、ビーム・スプリッタ３１８、インライン回折格子３２０、インライン回折格子３２２および回折フレネル・レンズ３２４が示されている。多結晶シリコン層２２をエッチングするために使用されるマスクに形成されるパターンを制御することにより、これらの構造の各々を容易に形成することができる。個々のデバイスの寸法は、エッチング・プロセスの分解能によってのみ決まる。また、上で考察したように、同調可能能動プレーナ型光デバイスを形成することが適切である場合、これらのデバイスの選択部分をドープすることができる。
【００３４】
最後に、多結晶シリコン以外の材料を使用して図２１に示すようなモード・インデックス変更光デバイスを形成することも可能である。たとえば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素さらにはドープ・ガラス材料（たとえばエルビウムなどの希土類材料）を使用することができる。
【００３５】
以上、本発明について、本発明の特定のとりわけ好ましい実施形態を参照して説明した。これらの現時点における好ましい実施形態に本発明を限定する必要がないこと、また、本発明の主題の範囲を逸脱することなく、これらの実施形態に様々な改変を加え、かつ、拡張することができることは当業者には理解されよう。したがって本発明は、上で説明した実施形態のいずれにも何ら制限されず、本発明の制限は、特許請求の範囲によって定義されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】例示的ＳＯＩ構造の横断面図であり、詳細にはＳＯＩ構造のサブミクロン・シリコン表面層（「ＳＯＩ層」）への光学モードの閉込めを示す図である。
【図２】デバイス・シリコン層、ここではＳＯＩ層の上に形成された多結晶シリコンを備えた例示的代替ＳＯＩ構造の横断面図である。多結晶シリコン層およびＳＯＩ層の厚さはいずれもサブミクロンの厚さである。また、図２は、多結晶シリコン層とＳＯＩ層の組合せ（多結晶シリコン層とＳＯＩ層の間に薄い誘電体層配置されている）内への光閉込めモードのサポートを示している。
【図３】図１に示すＳＯＩ構造内への反射垂直表面の形成を示す図である。
【図４】図２に示す多結晶シリコン／ＳＯＩ構造内への反射垂直表面の形成を示す図である。
【図５】サブミクロンＳＯＩ層へのプレーナ型二次元光デバイスの形成に使用することができる例示的処理工程を示す図である。
【図６】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的導波路構造の等角図である。
【図７】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的テーパ導波路構造の上面図である。
【図８】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層にエッチングされた複数のミラー領域を備えた例示的方向転換および経路指定構造の上面図である。
【図９】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的ビーム・スプリッタの上面図である。
【図１０】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された一組の集束および回折二次元光デバイスの上面図である。
【図１１】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的マッハ−ツェンダ干渉計の上面図である。
【図１２】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的多モード干渉プレーナ型光デバイスの上面図である。
【図１３】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的リング共振器アド／ドロップ・デバイスの上面図である。
【図１４】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された一対の結合光導波路の上面図である。
【図１５】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的光スイッチの上面図である。
【図１６】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された一対の交差型導波路の例示的構造の上面図である。
【図１７】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的重畳リング共振器構造の上面図である。
【図１８】本発明によるサブミクロンＳＯＩ層に形成された例示的同調可能能動リング共振器構造の上面図である。
【図１９】図２に示す構造のサブミクロン多結晶シリコン層内へのプレーナ型光デバイスの形成を示す図である。多結晶シリコン・プレーナ型デバイスは、ＳＯＩ層に沿って伝搬する信号に実効モード・インデックス変化を導入している。
【図２０】図２に示す構造のサブミクロン多結晶シリコン層内へのプレーナ型光デバイスの形成を示す図である。多結晶シリコン・プレーナ型デバイスは、ＳＯＩ層に沿って伝搬する信号に実効モード・インデックス変化を導入している。
【図２１】ＳＯＩ層の上に形成して、伝搬する光波信号に様々な実効モード・インデックス変化を導入することができる、厚さがサブミクロンの多数の異なる多結晶シリコン・デバイスの等角図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2007525691.tif 000019
【図１８】
2007525691.tif 000020
【図１９】
2007525691.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月30日(2007.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬する光波信号を操作するためのＳＯＩベース光学構造であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置された単結晶シリコン層であって、前記単結晶シリコン層の厚さが１ミクロン未満であり、下を覆っている誘電体層が露出するよう所定の領域にエッチングが施され、残留しているサブミクロン単結晶シリコン領域と前記エッチング領域の間の屈折率の差が前記伝搬する光波信号の特性を操作するためのインタフェースを生成する単結晶シリコン層とを備えた構造。
【請求項２】
少なくとも１つの垂直側壁を備えた少なくとも１つのエッチング領域を生成するべく前記単結晶シリコン層にエッチングが施され、前記残留しているサブミクロン単結晶シリコン層と前記少なくとも１つの垂直側壁の間の前記インタフェースが反射表面を生成している、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号に対して所定の角度で配置された垂直側壁を備えた、請求項２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項４】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号を遮断する湾曲表面を有する垂直側壁を備えた、請求項２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項５】
前記湾曲表面が、伝搬する光を所定の焦点に集束させるための凹形表面である、請求項４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項６】
前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施され、幅がｗ１の第１のエッチング導波路と幅がｗ２の第２のエッチング導波路の間にテーパが施された移行単結晶シリコン領域を備えた、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項７】
伝搬する光波信号を遮断するように配置された回折格子構造を形成するべく前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施された、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項８】
前記回折格子構造が凹面曲率を備えた、請求項７に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項９】
１ミクロン未満の幅を維持する導波路のパターンを形成するべく前記サブミクロン単結晶シリコン層にエッチングが施された、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１０】
前記導波路パターンが、
入力部分、結合部分および出力部分を有する第１の導波路セグメントと、
入力部分、結合部分および出力部分を有する、前記第１の導波路セグメントに平行に配置された第２の導波路セグメントと
を備えた導波路結合構造を備え、前記第１および第２の導波路セグメントが、前記平行結合部分が互いに十分に接近し、前記伝搬する光波信号を第１の前記平行結合部分から第２の前記平行結合部分へ結合することができるようになされた、請求項９に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１１】
前記導波路パターンが、
線形導波路セグメントと、
少なくとも１つの円形導波路であって、前記伝搬する光波信号の波長に応じて、前記線形導波路に沿って伝搬する光信号を前記少なくとも１つの円形導波路に結合することができるように前記線形導波路に隣接して配置された円形導波路セグメントを備えた、請求項９に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１２】
前記構造が、前記単結晶シリコン層のエッチング領域から形成された、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、伝搬する光波信号中に干渉パターンを生成するため
の混合部分と、
前記混合部分に結合された、前記混合部分で生成される複数の干渉信号を外結合するべく配置された複数の出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つの多モード干渉計を備えた、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１３】
前記導波路パターンが、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、前記伝搬する光波信号を一対の個別光波信号に分割するための入力Ｙ字形部分と、
前記入力Ｙ字形部分の第１のアームに結合された第１の導波路と、
前記入力Ｙ字形部分のもう一方の第２のアームに結合された第２の導波路と、
前記第１および第２のアーム部分でそれぞれ第１の導波路終端および第２の導波路端に結合された、前記一対の個別信号を結合して１つの出力光波信号にするための出力Ｙ字形部分と、
前記出力Ｙ字形部分に結合された、前記出力光波信号を受け取るための出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つのマッハ−ツェンダ干渉計を備えた、請求項９に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１４】
前記構造が、さらに、
ＳＯＩ層の上に配置された比較的薄い誘電体層と、
前記比較的薄い誘電体層の上に配置された、厚さがサブミクロンのデバイス・シリコン層とを備え、前記デバイス・シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記単結晶シリコン層を組み合わせた厚さが１ミクロン未満である、請求項１に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１５】
前記厚さがサブミクロンのデバイス・シリコン層が、多結晶シリコン、アモルファス・シリコン、グレインサイズ強化多結晶シリコン、グレインサイズ多結晶シリコンからなるグループから選択される、請求項１４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１６】
少なくとも１つの垂直側壁を備えた少なくとも１つのエッチング領域を生成するべく、前記単結晶シリコン層、比較的薄い誘電体層およびデバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施され、前記少なくとも１つの垂直側壁と前記残留しているサブミクロン単結晶シリコン層および前記残留しているサブミクロン・デバイス・シリコン層の前記組合せとの間の前記インタフェースが反射表面を生成している、請求項１４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号に対して所定の角度で配置された垂直側壁を備えた、請求項１６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの垂直側壁が、前記伝搬する光波信号を遮断する湾曲表面を有する垂直側壁を備えた、請求項１６に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項１９】
前記湾曲表面が、前記伝搬する光波信号を所定の焦点に集束させるための凹形表面である、請求項１８に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２０】
前記サブミクロン単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施され、幅がｗ１の第１のエッチング導波路と幅がｗ２の第２のエッチング導波路の間にテーパが施された移行領域を備えた、請求項１４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２１】
伝搬する光波信号を遮断するように配置された回折格子構造を形成するべく、前記サブミクロン単結晶シリコン層および前記デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施された、請求項１４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２２】
１ミクロン未満の幅を維持する導波路のパターンを形成するべく、前記サブミクロン単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記サブミクロン・デバイス・シリコン層の前記組合せにエッチングが施された、請求項１４に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２３】
前記導波路パターンが、
入力部分、結合部分および出力部分を有する第１の導波路セグメントと、
入力部分、結合部分および出力部分を有する、前記第１の導波路セグメントに平行に配置された第２の導波路セグメントと
を備えた導波路結合構造を備え、前記第１および第２の導波路セグメントが、前記平行結合部分が互いに十分に接近し、前記伝搬する光波信号を第１の前記平行結合部分から第２の前記平行結合部分へ結合することができるようになされた、請求項２２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２４】
前記導波路パターンが、
線形導波路セグメントと、
少なくとも１つの円形導波路であって、前記伝搬する光波信号の波長に応じて、前記線形導波路に沿って伝搬する光波信号を前記少なくとも１つの円形導波路に結合することができるように前記線形導波路に隣接して配置された円形導波路セグメントを備えた、請求項２２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２５】
前記導波路パターンが、
入力導波路部分と、
前記入力導波路部分に結合された、前記伝搬する光波信号を一対の個別光波信号に分割するための入力Ｙ字形部分と、
前記入力Ｙ字形部分の第１のアームに結合された第１の導波路と、
前記入力Ｙ字形部分のもう一方の第２のアームに結合された第２の導波路と、
前記第１および第２のアーム部分でそれぞれ第１の導波路終端および第２の導波路終端に結合された、前記一対の個別信号を結合して１つの出力光波信号にするための出力Ｙ字形部分と、
前記出力Ｙ字形部分に結合された、前記出力光波信号を受け取るための出力導波路部分と
を備えた少なくとも１つのマッハ−ツェンダ干渉計を備えた、請求項２２に記載のＳＯＩベース光学構造。
【請求項２６】
伝搬する光波信号を操作するためのＳＯＩベース光学構造であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置された、厚さが１ミクロン未満の単結晶シリコン層と、
前記単結晶シリコン層の上に配置された比較的薄い誘電体層と、
前記比較的薄い誘電体層の上に配置された、厚さが１ミクロン未満のデバイス半導体層とを備え、前記単結晶シリコン層、前記比較的薄い誘電体層および前記デバイス半導体層を組み合わせた厚さが同じく１ミクロン未満であり、下を覆っている前記単結晶シリコン層を通って伝搬する前記光波信号の光挙動を修正するための少なくとも１つのプレーナ型二次元光デバイスを形成するべく前記デバイス半導体層にエッチングが施された構造。