(57)【要約】  光学信号を運ぶために自身内部に形成された導波路を含んだ半導体基板と、導波路内で直列に長手方向に沿って配置された複数の検出器とを含む光学信号分配ネットワークであって、それぞれの検出器は、それらを通して光学信号を検出することが可能であって、光学信号を複数の検出器のすべてに到達させることができるほどにその光学信号に対して十分に透明で、また複数の検出器のすべてによって検出できる。
2007501448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学信号を運ぶために自身内部に形成された導波路を含んだ半導体基板と、
導波路の長手方向に沿って直列に配置された複数の光学検出器と、
を含み、それぞれの前記検出器は、それらを通して光学信号を検出することが可能であって、光学信号を複数の検出器のすべてに到達させることができるほどにその光学信号に対して十分に透明で、また複数の検出器のすべてによって検出可能であることを特徴とする回路。
【請求項２】
基板はシリコンであり、導波路はＳｉＧｅであることを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
導波路は蛇行形状であることを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項４】
導波路は螺旋形状であることを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項５】
光学信号は光クロック信号であることを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項６】
複数の光検出器のそれぞれは、異なった光の波長を検出することを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項７】
半導体基板から離れて配置され光導波路に光学信号を供給するための光学信号源と、光学信号源からの光学信号を導波路に結合するための光学系と、をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項８】
最初に述べた半導体基板の上面に作製された第２の半導体基板をさらに有し、前記第２の半導体基板が、自身の内部に作製されたマイクロ電子回路構成と一体化された半導体を含んだ回路であって、複数の光検出器のそれぞれが第２の半導体基板内のマイクロ電子回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項９】
半導体基板に形成された第２の導波路と、
第２の導波路の長手方向に沿って直列に配置された第２の複数の光検出器と、をさらに有し、
第２の複数の光検出器の前記光検出器のそれぞれは、それらを通して第２の光学信号を検出することが可能であって、前記第２の光学信号を前記第２の複数の検出器のすべてに到達させることができるほどに前記光学信号に対して十分に透明で、また前記第２の複数の検出器のすべてによって検出可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学信号分配ネットワーク。
【請求項１０】
光入力信号を受信し、半導体基板に形成され、それを第１および第２の光出力信号に分割するための光学スプリッタをさらに有する光学信号分配ネットワークであって、第１の導波路は第１の光出力信号を受け取るために前記スプリッタに結合され、また第２の導波路は第２の光出力信号を受け取るために前記スプリッタに結合されることを特徴とする請求項９に記載の光学信号分配ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体チップまたは基板において光学信号を分配するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある用途において、ＩＣチップ上の複数の位置に共通の信号をブロードキャストする必要がある。複数のスイッチを操作する制御信号は、複数の位置にブロードキャストされうる信号に関する１つの例である。より一般的な例は、チップ上の複数のデバイスを同調させるための電子時計である。さらに他の一般的な例は、信号バス上のブロードキャスト分配への使用であり、そのバスにおいては、１つの位置がブロードキャストモードにおける多くの位置に信号を分配する。
【０００３】
電子時計は高帯域幅信号の送電の変化（変動）からのタイミングジッター(timing jitter)によって制限される。この制限は、２０ギガヘルツ付近かそれを超えるクロックスピードに近付くにつれてマイクロプロセッサの性能に対する重大な損失になると予想される。また、大きなマイクロプロセッサ・チップ上では、電子時計信号の分配は、チップで発生する全熱量の５〜１５％にも及ぶ割合を占める可能性がある。
【０００４】
光学信号としてのクロックを分配することは、電気信号としてのクロックを分配することで与えられるよりもさらに重大な問題のいくつかを解決することが可能である。光クロックの使用は、わずかな費用および高い能率で製造工程に光クロックを導入するための手段を見いだすことができるならば、マイクロプロセッサ速度の継続的な向上を可能にすることの助けとなり、また、動作効率を達成する可能性を提供する。
【０００５】
シリコンおよびＳｉＧｅ合金（例えばＳｉｘＧｅ１−ｘ）の組み合わせは、その１つが光学信号分配ネットワークを簡単かつ経済的に作製することができうる材料の有用な組み合わせとして注意を引き付けてきた。ＳｉｘＧｅ１−ｘにより、シリコン基板内の導波路を作製することが可能である。Ｓｉ０．９５Ｇｅ０．０５の屈折率はシリコンのそれよりわずかに高い。例えば、シリコンが透明となる１３００ｎｍ波長では、５％Ｇｅを有するＳｉ０．９５Ｇｅ０．０５は、約３．５２の屈折率を持っている一方で、結晶シリコンはそれよりも低い、例えば約３．５０の屈折率を持っている。だから、ＳｉｘＧｅ１−ｘのコアがシリコン基板中に形成されるならば、ＳｉｘＧｅ１−ｘコアが内部反射を通じて光学信号を含めることを可能にするためには、その屈折率の差は十分なものである。しかも、この材料の特定の組み合わせは、それ自体が、光学回路構成を作製する従来のシリコン・ベースの半導体作製技術の使用に役立つ。
【０００６】
そのような光学信号分配ネットワークでの使用にとって最もしばしば考えられる検出器は低価格のシリコン・ベースの検出器である。しかしながら、シリコン・ベースの検出器を使用すると、基本的な問題が提起される。導波路はシリコンからなる（すなわちＳｉＧｅ）ので、光学信号に使用される波長は吸収なしにシリコンを通過しなければならない。つまり、シリコンはその波長に対し透明でなければならない。ところが、検出器として働くためには、シリコン・ベースの装置は、その波長を電気信号に変換できるようにそれを吸収しなければならない。したがって、そのようなシリコン・ベースの検出器は、通常、低吸収効率によって特徴付けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このことは、必要な速度で検出器を駆動するのに十分な光電流を生成するのに、非常に高い光強度レベルが使用されねばならないことを、通常意味し、高価なレーザを使用しなければならないことを意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一般に、１つの態様では、本発明は、光学信号を運ぶために自身内部に形成された導波路を含んだ半導体基板と、導波路の長手方向に沿って直列に配置された複数の光学検出器と、を含む光学信号分配ネットワークを特徴とする。それぞれの前記検出器は、それらを通して光学信号を検出することが可能であって、光学信号を複数の検出器のすべてに到達させることができるほどにその光学信号に対して十分に透明で、また複数の検出器のすべてによって検出可能である。
【０００９】
他の実施の態様は、以下の特徴の１つ以上を含む。基板はシリコンであり、導波路はＳｉＧｅである。導波路は蛇行形状である。そして、光学信号は光クロック信号である。さらに、光学信号分配ネットワークは、半導体基板に形成された第２の導波路と、第２の導波路の長手方向に沿って直列に配置された第２の複数の光検出器と、をさらに有する。第２の複数の光検出器の前記光検出器のそれぞれは、それらを通して波長λの光学信号を検出することも可能であって、その光学信号を第２の複数の検出器のすべてに到達させることができるほどに前記光学信号に対して十分に透明で、また第２の複数の検出器のすべてによって検出可能でもある。光学信号分配ネットワークは、光入力信号を受信し、それを第１および第２の光出力信号に分割するための半導体基板に形成された光学スプリッタをもさらに有し、その状況で、第１の導波路は第１の光出力信号を受け取るためにスプリッタに結合され、また第２の導波路は第２の光出力信号を受け取るためにスプリッタに結合される。
【００１０】
ここで説明された光学信号分配システムに使用される個々の検出器は、低い吸収性を持つが、そのような検出器が使用される方式により、光学信号分配システムの総合的な吸収効率をかなり高めることが可能になる。さらに、単一の導波路に沿った直列配置により、追加の複雑な光学素子の使用を必要とせずに、より高い密度の信号がチップ上のポイントを取り出すような信号分配システムの設計が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明と特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【００１２】
Ｈ−木ネットワークはネットワークにおいて多くの地理的に異なった位置にクロック信号を分配する従来の１つの方法である。一般に、Ｈ−木ネットワークは、図１に表されるように、他のＨ形をした枝の中に入れ子にされたＨ形の枝の配列である。Ｈ−木の名は、「Ｈ」文字に似ている構造の幾何学形状から来ており、２つのより小さな分配枝が、次第に各枝から離れて、完全な分配状態を与える一層小さな枝になる状態になっている。Ｈ木の利点は、対称な分配構造をソース（源）から各終端ポイントまでの等しい長さと時間経路によって作ることができ、すべての信号の周波数に対して、すべての終端ポイントで信号の同期受信によってクロック分配と連携する。いくつかの点では、Ｈ−木ネットワークは、光信号分布またはブロードキャストネットワークにおける使用にも適している。導波路３０の構造化されたネットワークには、多重光学スプリッタ３４があり、それはネットワークが１つの導波路３０から２つの導波路に分岐する各位置にある。Ｈ−木ネットワークにおいては、枝の終端ポイントは信号が分配されたポイントを表す。したがって、あらゆる終端ポイントでは、光検出器３２、または光学信号が供給される回路構成に向かって信号を送るための光学タップがある。光学信号がネットワークに取り入れられるポイントもまた存在する。表された実施形態では、これはチップに埋め込まれた光源３９である。あるいはまた、それは、ミラー、格子、または導波路内の他の光カプラ（coupler；結合器）であり、それによって、光学信号がチップの上か下に配置されているソース、あるいはチップのエッジを通るカプラから導波路に指向される。
【００１３】
Ｈ−木の設計は、半導体チップ中における光クロック信号のような、光学信号をブロードキャストする方法としていくつかの欠点を有する。第１に、それはあらゆる分岐においてＹ−分岐またはＹ−分離を必要とする。従来の半導体製造技術を使用することによって作製された光回路においては、狭いあるいは小さい屈曲半径、特にシリコン中のＳｉＧｅ導波路のような低い屈折率コントラストの材料を持った、高品質で効率的な９０度のＹ−分岐を作ることは、不可能でないにしても、非常に困難な可能性がある。それらは、半導体ウェハ上のシャープで鋭く傾斜した角を作製することの困難さと、低い屈折率コントラストの材料に対する全内部反射の不足のために、分岐点の大きな信号損失で特徴付けられる傾向がある。第２に、Ｈ−木ネットワークは、検出器が光の効率的な吸収材でないならば電力を浪費し、そして、光学信号に対して、電力は高価な消耗品である可能性がある。それにもかかわらず、デバイス（特に光検出器）が露出される動作条件の範囲を超えて電力が検出されるぐらいにいつも十分であるように、十分な光強度が終端ポイントに送らなければならない。しかし、終端ポイントで吸収されない光が導波路にまで反射するべきでない。反射した光学信号は、クロック信号の生成を著しく乱し、システムを誤動作させる可能性がある。
【００１４】
したがって、終端ポイントに検出器を有するＨ−木分配ネットワークにおいては、検出器の低い吸収が不都合であることがわかるであろう。しかし、シリコン・ベースの検出器の低吸収特性は、例えば、光クロック信号などの信号をブロードキャストするための光学信号分配ネットワークを設計するのにおいて、異なる手法を使用することによって、実際には有利に利用されうる。
【００１５】
本発明で説明される実施形態は、下流の検出器で吸収されない光を再使用することによって、低い検出器の吸収の問題を解決する。つまり、多数の検出器が、上流の検出器を通過する吸収されない光を下流の検出器で使用できるように、導波路に沿って直列に分配される。多数の地点への伝播のための単一の導波路を使用することは、光学信号を分配するのに必要な分配ネットワークのサイズおよび面積を著しく減少させることも可能にする。
【００１６】
この概念を実施する光学信号分配ネットワークを図２に示す。導波路５２はシリコン基板５０に形成される。説明された実施形態では、導波路は、クラッディング(cladding)によって囲まれた、基板のシリコンであるＳｉｘＧｅ１−ｘコアを含む。ＳｉｘＧｅ１−ｘ（ここでは例えばｘ＝０．９５）は周辺のシリコンより高い屈折率を有するので、ＳｉｘＧｅ１−ｘコアは光学信号を収容し、そしてその結果、それは導波路として機能する。
【００１７】
導波路５２の長手方向に沿って、および導波路５２内には、多くの低吸収検出器５４が配置されるが、それらはシリコン・ベースの検出器であって、例えばそれらを通過する光学信号の一部を電気信号に変換するものである。検出器５４は、光学信号分配層の上か下に配置されるか、またはその横に分配された他の層の上に作成されるべきマイクロ電子回路構成によって決定される位置に設置される。クロック信号分配ポイントのすべてに到達するために、導波路は、多くの屈曲部５６による蛇行形状を有することを必要としうるし、その数は、クロック信号取得ポイント（位置）の分配によるのみならず、屈曲部に関連する損失によっても決定される。検出器への屈曲部と導波路インターフェースは、分散、吸収、および他の導波路効果に起因した長さ当たりの導波路伝送損失(waveguide transmission loss)を超える光損失を必然的に発生させるであろう。したがって、使用される屈曲部の数と、後ほど議論されるように、長さあたりの導波路損失、検出器へのインターフェース損失、および屈曲部対検出器の吸収に基づいた取得ポイントの数を最適化する必要性があるであろう。
【００１８】
光学信号は、いくつかの異なる手法の１つを使用して導波路に導入される。１つの手法によると、導波路はミラー、格子、または導波路に作られた他の結合素子を、ソースの終端に有する。光学信号は、例えばミラー素子に光の焦点を合わせるレンズを適切に配置した光ファイバによって、上または下から提供される。当技術分野では様々なミラーまたは結合素子が知られている。１つの例は、ＳｉＧｅコアにおいて形成され、光を上または下から結合させる角度で光が反射するように選定された間隙を有するブラッグ(Bragg)格子である。他の例は、金属からの単一反射面、あるいはＳｉＧｅコアを蒸着する前または後に導波路チャンネル内に作られる酸化物界面での全内部反射である。他の手法は、導波路の側面を通して光学信号を導入し、そして導波路の長手軸に向けて進入させ、光ファイバと光の焦点合わせをするレンズの適切な配置を再び使用することである。とにかく、おそらくは光クロック信号のような場合などの、多くの終端ポイントにブロードキャストされる光学信号のためには、理論的に、光学信号は単一ポイントのみにおいて導入する必要がある。
【００１９】
光学信号分配回路が光クロック信号を分配するものであるならば、導波路の一層下方で生成する検出された光クロック信号は、以前のものよりも大きな遅れか、またはスキュー(skew；ゆがみ)を呈することになる。というのは、検出ポイントが、もはや、Ｈ−木におけるようにソースからの等しい通過時間にはないからである。スキューは、ポイントからポイントへのクロックタイミング(clock timing)の変化（変動）であり、光回路において、よりよく予測できる可能性がある。対照的に、タイミングジッターは、クロック信号におけるパルスからパルスへの時間変動であり、あまり予測できない。しかしながら、光学信号を使用する利点は、スキューがよりよく予測でき決定できるということである。その上、光クロック信号分配ネットワークでは、クロック信号におけるスキューはクロック周波数または配線パラメータ(wire parameter) 、および電気時計におけるような製造変化とはあまり関係しない。つまりそれは、導波路に沿った距離と、より単純な関係がある。これらの特性のために、クロック信号を受け取るマイクロ電子回路を設計する際に、スキューを考慮に入れることができ、あるいは、マイクロ電子回路に対してクロック信号を利用できるようにする修正回路構成を各ポイントで含めることができる。
【００２０】
クロックスキューは、クロック信号分配ネットワークにおいて対処しなければならない共通の問題であり、そしてその問題は、この分野でよく知られた技法を使用することで容易に解決できる。この問題を解決するための回路構成は、通常、スキュー除去回路に結合された位相ロックループ(phase lock loop)またはレシーバノード回路(receiver node circuit)を含むことができる。位相ロックループ（ＰＬＬ）回路は、より低いジッターに入力クロック信号を平均化する方法で入力クロック信号に内部クロックをロックし、そして異なった位相角で入力同期クロック信号をより高い周波数またはより低い周波数の出力に変換することができる。スキュー除去回路は、与えられたポイントにおける固定スキューまたはクロックタイミングエラーを除去することができるプログラム可能な遅延回路である。本質的に、スキューを除去するのに必要な遅延は、光学信号分配チェーンに沿って前もって抽出される信号の中にプログラムされる。これらのタイプのスキュー除去回路は、検出器中の固定されたクロックスキューを低減し、回路設計者のニーズに応じて回路における検出器のランダムな配置を可能にする。
【００２１】
図２に表されたような直列の光学信号分配システムを設計する際には、多くの要素を考慮に入れる必要がある。第１に、光の効率と導波路分配ラインの長さを通した信号の一様性との間で設計上の妥協を選択しなければならない。光強度が直列の経路を通して検出器に有効に吸収できるならば、さらなる光強度を生成することができる。しかし、直列接続において過度の光損失が起こるならば、光強度は光路の端部で減少するだろうし、光強度の効果は直列経路におけるすべての検出器に亘って一定でなくなるだろう。より一定でない光強度を信号検出器に与えることは、検出器信号の電圧、速度、ジッター、およびレイテンシー(latency)に影響する可能性がある。レイテンシーは、信号における有用な電子出力変化に対して検出器上に存在する光信号が変化する間の時間である。回路上の強度低下の効果は、検出器、または導波路から検出器までにある結合器のための何らかの設計の下に、予測できる方法での光強度低下に応じて光結合を増加させるようにして補償することができ、それにより予測できる光損失の存在の下で検出器上の一定の信号を維持することができる。
【００２２】
他方では、より一定のビームを可能にするために導波路経路におけるあまりにも低い強度が各検出器で生産的に除去されるならば、光強度は経路の終端で不経済に廃棄される。従って、光学的に効率的な設計が、可能な範囲内のすべての強度を使用して、検出器で有用な吸収を最大化する一方で、許容できる最大の強度の変化に至る非生産的な光損失を最小化する。良好な妥協は、光路を通して１０％から９０％の間の光損失であって、上記で議論した補償機構と一部の電気設計上の信号変化に対する許容誤差とに依存する。
【００２３】
上記妥協における損失計算の一部として、最小化されなければならない非生産的な光損失を考慮に入れるべきである。これらの非生産的な損失は、導波路インターフェース散乱吸収(waveguide interface scattering and absorption)、導波路曲げ放射損失(waveguide bend radiation loss)、検出器あるいは結合器から検出器までの伝播中の効率の悪い結合損失か散乱損失から発生する。最も重要なのは、経路の全長に亘る光強度の損失が、上記の妥協によって議論された如く比較的一定の信号がすべての装置に分配されることを可能にしうるように、導波路が十分低い損失導波路であることを要することである。これは、導波路が１ｃｍかける１ｃｍのオーダーのＩＣチップ上に実装されるならば、導波路自体に帰する損失が約１ｄｂ／ｃｍ未満であるべきことを意味する。（なお、ｄｂは伝播強度の対数（底は１０）の１０倍と定義される。）従って、１ｄｂの損失（または−１ｄｂ）は７９．４％の伝播または２０．６％の損失に対応している。第２に、屈曲部は低損失屈曲部（例えば、＜１ｄｂ／屈曲；屈曲当たり１ｄｂ未満）である必要があり、そして許容される最大数は、如何に正確な損失が各屈曲に対してやはり上記妥協の枠内にあるか、に依存するであろう。明らかに、各屈曲に関連する損失が低ければ低いほど、導波路に沿って使用できる屈曲部は多くなる。ＳｉＧｅコア内のより高いＧｅ成分によって、よりタイトな屈曲半径が可能になることが知られている。したがって、例えば７〜１０％のＧｅ成分によって、１ｃｍ２チップ上に蛇行形状の導波路構造を構築するために必要な半径の屈曲部を作製することができる。
【００２４】
上記で示したように、直列の経路の最も重要な使用は低吸収検出器を使用できることである。つまり、それらにより、光学信号の大きな割合が導波路に沿った次の検出器に通過することができることになる。例えば、いくつかの短い長さの低吸収の検出器は０．１％から１％の光のみを吸収しうる。残りの９９．９％から９９％の光はチェーン状の他の検出器に有効に吸収できる。しかも、すべての想定可能で妥当な動作条件の下で導波路の終端に達する光学信号が導波路における最後の検出器によって検出できないほど低いレベルに低下しないように、検出器の透過は、温度域、寿命、動作出力、電圧、および他の環境因子に亘って安定している必要があり。環境因子が最悪の場合において許容されうる経路に沿った光学変化のレベルは、先に議論したように光路に沿った光学的均一性にとって必要であることと同様である。この環境変化は、確かに、経路の終端で光強度を廃棄することによってどのくらいの非生産的な損失を許容すべきであるか、を決定することに含めなければならない設計の一部である。そういうものとして、検出器および他の結合装置は、温度と他の環境因子に伴うそれらの吸収における変化を最小にするように設計されるべきである。この装置安定性は重要である。というのは、より大きな光損失と不均一性を伴う環境変化を許容するために、光透過の大きな変化（変動）が、非能率的な光強度の廃棄を伴う低損失光路を有するシステム設計を要求しうるからである。
【００２５】
１つの改善は、検出される波長に対する光共振器に低吸収検出器を設置することであって、それは、所与の、またはより低い光強度での、より多くの吸収と光電流を可能にする。例えば、強め合う干渉により光が共振する間隔を持った吸収部材の対向する側に、隔てられた２つのミラーを使用することによって、キャビティが作られる。これらのミラーは、薄い金属、誘電体スタック、またはブラッグ格子のように導波路に沿った周期パターンで作成することができる。ブラッグ格子は、共振器帯域幅よりさらに狭い波長の、非常に狭い帯域を作ることができるという点で、特別な利点がある。だから、光が増幅されないならば、いずれも反射されないだろう。
【００２６】
検出器のための他の共振器は、直列の導波路に密結合する導波路リングで作ることができる、それはまた、共振波長の光のみを検出して他の波長の光は透過するであろう。共振器の限界は、あらゆる温度に亘って十分安定していなければならず、光源と干渉を引き起こしうるほどに十分な光を導波路下方に反射させてはならないということである。上記で説明した共振器のいずれもが、良好な工学技術によってこの任務を達成しうるであろう。
【００２７】
そのような手法を使用して、多重化された波長分配枠組み(scheme；スキーム)のうち１つの波長のみを検出する多重化共振器が作製できるであろうし、また、吸収されない他の波長の光は、導波路上の他の検出器に効率的に伝えられる。このことは、図３において概略的に示されており、それぞれが様々な波長λ１、λ２およびλ３を検出する検出器８０、８１、および８２が、光導波路８５に沿って直列に分配されている。各検出器で生成された電気信号は、対応する様々な電子モジュール８６、８７、および８８まで渡される。
【００２８】
波長多重化された検出器の利点は、複数の独立した分配チャンネルが、より効率的でコンパクトな経路に対し同一の導波路を共有できるということである。多重のソースが、それぞれ、それら自体の周波数または波長でブロードキャストでき、キャビティを、所与のポイントで必要な信号を受け取るように構築し、あるいは調整することが可能である。これにより、選択されたポイントに指示されたブロードキャストをすることが、それらのポイントが調整される適切な波長でブロードキャストするよう選ぶことによって、可能になる。この方法は、シリコンチップ全体についての、問題解決された高速な信号入力の使用を可能にするであろう。
【００２９】
チップ上選択ポイントにおいて信号を受け取るための他の方法においては、光学信号は、選択された検出器だけが応答する位相シフトまたは振幅変調によってコード化できるだろう。これは電子フィルタリングまたは調整を使用することを必要としうる。電子フィルタリングは、選択された受信器によって受け取るためだけにデジタルにコード化された信号の受信にも使用できる。
【００３０】
波長選択可能な検出器の他の利点は、チャープ光源(chirped optical source)で動作するということである。チャープ光源は時間の経過と共に波長を変えるものである。これが、クロック内の各パルスにより波長変化（変動）が定期的に起こるように制御されるならば、検出器は、そのポイントでのクロックスキューを調整するのに必要な特定の遅延時間に対して調整できる。
【００３１】
さまざまな代案の導波路設計のうち、いずれのものも使用できる。これはＳｉ／ＳｉＯ２導波路、窒化シリコン導波路、ポリマー導波路、およびこれらの材料の組み合わせを含む。これらの材料の多くはＳｉＧｅ基板手法と互換性がない可能性があり、電気配線平面内またはその上に最も良好に配置されうる。
【００３２】
さまざまな代案の検出器設計のうち、いずれのものも使用できる。これはＳｉＧｅ超格子検出器、ひずみシリコン検出器(strained silicon)、Ｇｅバンドギャップ吸収(Ge bandgap absorption)、および不純物ベースＳｉＧｅ検出器(impurity-based SiGe detector)を含み、その詳細が以下で開示される。Ｇｅバンドギャップなどによるこれらの検出器のいくつかは高い吸収性を有する。それにもかかわらず、薄いＧｅ検出器を使用して、または導波路からの光を、光の弱い導波路の周辺から結合することにより、低吸収検出器を作ることができる。これらの手法は、与えられた時間で切り替わる、また、より少ない光電流、従ってより少ない光を必要とする、また、より小さく低容量式検出器を可能にする、ということにおいて、利点がある。他の利点は、導波路端部の周囲で結合することが設計および経路を簡素化することができる、ということである。
【００３３】
分配されたクロック信号の安定性を達成するために、他のいくつかの注意が払われる必要がある。例えば、クロック信号のソースへの逆反射は、クロック信号を生成するソースだけでなく、検出器の上側とさらにラインに位置するフェーズ・ロック・ループ(phase locked loop；位相固定ループ)回路の混乱を避けるために、最小にする必要がある。部品間の変わり目での逆反射を抑える方法は、それらのポインに傾斜させるかカーブさせた接合部分を提供し、部品間の屈折率を一致させ（すなわち低Δｎの接合部分）、やはり、逆反射の可能性を減少すること（すなわち屈折率の一致）を含む。これらは、光学信号によって観測される散乱を引き起こす不連続を減少させ、検出器の検出領域中に一層効果的に光学信号を集束させるような、導波路と検出器の間で一致する良好なモードでもなければならない。終端部では、反射せず、または迷光が回路に影響することを許容しない方法で、光は処理されなければならない。光は様々な方法で反射せずに放射させることができる。これは、光を閉じ込められないような非常に小さな屈曲半径によって可能となる。そして、光は非常にわずかな反射性と共に広い角度内に分配されるであろう。導波路の端部は、接合部分反射が導波路下方に向けて戻されないように傾けることができる。散乱光は、気付かぬうちに他の機器に否定的に影響し、混信またはノイズを引き起こす可能性がある。この散乱光は、この光がどこに向けられているかを巧みに処理することによって、またこの光を他の機器に否定的に影響する前に適切に吸収することによって制御することができる。この光は、ウェハ内の自由電子および他の寄生機構によって吸収することができる。
【００３４】
［代案設計］
図４は光学信号分配ネットワークを設計するための代案的方法を示している。このシステムは、各々がチップの異なった領域を供給する複数の導波路５２’を含む。ここで例示され例は、４つの導波路５２’であり、そのそれぞれが長手方向に沿って直列に配置された複数の検出器５４’を含む。
【００３５】
直列および並列の光路の組み合わせを提供する目的は、高い光損失の存在下での、より多くの分配の選択肢を提供することである。すべての改善の後、もし所与の光路の損失が先に議論した均一性の妥協にとって高過ぎるとしても、経路を多数の経路に分けることによって、すべての検出器要素に一定の様式の下に到達させることができる。
【００３６】
４つの導波路はマルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタ５８に接続されるが、そのマルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタ５８は、対応する導波路５２’が光学的に接続されるｎ個の出力の異なるものにそれぞれ送られたｎ個の同一信号に、入って来た光学信号のパワーを分割するものである。このＭＭＩスプリッタ５８は、光学信号を同じパワーを持った複数の光学信号に分割するためのよく知られた技術を使用する。単一ソースから発する複数の導波路を使用することによって、どの単一の導波路においても必要となるような屈曲部の数を減少させることが可能である。
【００３７】
また、複数の導波路にパワーを分割することは、複数のＹ−スプリッタまたは、より少ない数の出力導波路と共にＭＭＩの直列配列によってもなされうる。直列のスプリッタを使用する分配は、多数の経路を必要とするいくつかの光学配置において、より効率的な設計を可能にする。いずれにしても、分配ネットワークは、有用な経路のために必要に応じ、多くのポイントのどれかにおいて、所与のいくつかの直列経路に対する複数の経路分枝を作る光強度スプリッタにより、直列で複数の経路の多くの組み合わせを含むことができる。
【００３８】
チップに導入された後に光学信号を分割することの代案的手段は、前もってそれを分割することである。その場合、４つの導波路５２’のそれぞれは、上記で説明したような技術を使用する別々のソースによって与えられる。
【００３９】
図５は、直列の経路概念を同様に実施する他の光学信号分配ネットワークを示す。この例では、４つの独立した光学信号分配ライン７２、７３、７４、および７５（すなわち導波路）が示されている。それぞれの光導波路は長手方向に沿って隔てられた複数の光学検出器７８を含んでいる。この場合、導波路または別々の光学源が各ライン上に分配される前に、同じ信号を、スプリッタの使用によってすべてのライン上に分配することが可能である。
【００４０】
［信号のブロードキャスト］
上記で説明した直列の信号検出による光経路の使用は、電子チップにおける高速、高帯域幅の、複数ポイントへの信号のブロードキャストにも有用である。信号ソースは、オン・チップでもオフ・チップでも可能である。信号がオフ・チップで発生するならば、外部デバイスは、より標準的な電気的形態から有用な光学情報を作成する。これは、通常、端部発光型の半導体レーザまたは垂直キャビティ面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL）などのレーザ、あるいは、駆動電流で通常的に変調することによる他の光源の電気変調によって行われる。非常に速い速度（１０ギガヘルツを超える）を必要とするようないくつかの用途では、レーザは効率的に変調できず、光源に対して外部にある変調器が、変調器を光が通過するのに従って信号を作成するように使用される。変調器は、通常、材料の吸収率または透過率を変えるもので、光がその材料上の電圧の配列に基づいて通過する。したがって、規則的な（連続しているか規則的にパルス化された）光のソースが変調器に入射しなければならない。そして、変調器は、何らかの光を吸収するか、またはゆがめることによって、変調信号を加える。この変調効果は、例えば、自由電子注入によって引き起こされる屈折率と吸収率変化、吸収率の増加を引き起こす印加電界によって引き起こされる帯域幅の狭小化、または電熱によって引き起こされる材料の熱変化により起こすことができる。屈折率変化が変調に使用される場合には、他の信号と位相変調光を干渉させることによって（光を減衰させる屈折率変化から）位相角変化を強度や振幅の変調に変換するのに、マッハ・ツェンダーやファブリ−ペローなどの干渉計を使用しなければならない。レーザおよび変調器の両方をベースとする電気信号から光学信号への伝送器は産業上一般的である。
【００４１】
電子チップ上で発生するブロードキャスト・ソースの場合には、伝播されるレーザ変調または信号変調に関して同様の手法が使用される。しかしながら、シリコンチップ中でレーザを生成することの高い困難性のために、変調器が好まれる。この場合、規則的な（連続しているか規則的にパルス化された）光のソースがチップ上の変調器に提供され、そして光学ビーム上に有用な信号を配置する。
【００４２】
信号がオン・チップで生成されるかオフ・チップで生成されるかにかかわらず、その信号はチップ上の複数のポイントにブロードキャストすることができる。先に言及した１つの適用は、光クロックを分配することと関係している。しかしながら、追加の有用なシステムの適用は；チップ上の複数ポイントに制御情報をブロードキャストして回路の同期挙動を改善すること；バス上のデータを、より低いレイテンシーまたは並列演算での使用のためのチップの複数ポイントに分配すること；あるいは、電気信号より速い光学手段を使用するチップ上のポイント間で急速に通信すること；が可能である。データが導波路上で分配されるならば、しばしば、複数ビットが並列で伝播することが望まれる。今日のマイクロプロセッサは、８、１６、３２、および６４ビット幅のバスを使用し、そのバスにおいて、ビット数が同時に同様の数のワイヤ上で送信および受信される。光導波路が、同一導波路中で、異なる波長または周波数チャンネルにおいて各ビットを同時にコード化することにより、配線の数を減少させることができる、ということに注意すべきである。これは、すべてのビットに対する同一経路距離を使用することの結果として、同時受信を改善することを可能にし、また、これは、情報を伝えるのに必要なライン数を減少させるであろう。しかしながら、広帯域検出器に各波長を分ける波長感応性の検出器配列、または分散光学素子が必要である。産業上共通な分散光学素子は、ブラッグフィルタ、干渉導波路配列(interfering waveguide array)、および干渉計を含む。既に述べたように、波長選択可能な検出器は、関係する波長のみに反応しやすくするために光学共振構造の内部またはその背後に配置することにより、広帯域検出器によって作成することができる。波長選択可能な検出器は、不純物拡散などの制御された効果でバンドギャップを変化させることによって、作成することもできる。そして、導波路上における直列の波長選択可能な検出器によって光を吸収することができる。この場合、検出器は、より長いすべての波長が通過し、一方で、より短いすべての波長（バンドギャップよりエネルギーが大きい）を吸収することを可能にするので、最も短い波長検出器が検出器チェーンの最初に置かれなければならない。
【００４３】
［光学準備基板］
上記で議論した直列の経路概念の特に有用な適用は、「光学準備基板(Optical Ready Substrates)」という発明の名称で２００２年１０月２５日に出願された米国特許出願公開第10/280,505号、および「光学準備ウェハ(Optical Ready Wafers)」という発明の名称で２００２年１０月２５日に出願された米国特許出願公開第10/280,492号で詳細に説明されている光学準備基板(optical ready substrate)に関係するものと思われ、いずれも参照としてここに組み入れられている。光学準備基板に対する直列の経路概念の関連性のために、光学準備基板の概念は理解する価値がある。
【００４４】
本質的に、光学準備基板の背後にある基本的な原理は、その製造、およびマイクロ電子回路構成の製造を、全体的に、またお互いに完全に独立して行う方法で、光学信号分配ネットワークが提供されるということである。
【００４５】
光学準備基板は、従来の半導体製造技術を使用して電気回路構成を作ることができるプラットホームを提供する。このように光学信号分配回路構成を電気回路構成と分離することによって、半導体マイクロエレクトロニクス製造業者は、半導体ウェハ上に光学素子を作製するための新技術またはノウハウを開発しなくてもよい。半導体マイクロエレクトロニクス製造業者は、半導体電子部品の製造のためのその工程を光学素子の製造にも適用させるように最適化する必要もない。したがって、例えば、超高精度と高収率を達成するためのその最適化製造工程を有するＣＭＯＳ回路構成を作成する業者は、工程を変更する必要性とは係わりがなく、また、場合によっては電気部品と共に光学素子をも作製するために超高精度と高収率で妥協することの必要性がない。要するに、半導体マイクロエレクトロニクス製造業者は、光学素子を提供してそれらの工程を最適化する光学品製造業者の専門的技術にのみ頼ることができ、基本的な光学信号分配ネットワークへの接続を配置および作製することを除いては、あたかもウェハがブランク（無垢）の半導体ウェハであるかのようにウェハを処理することができる。もちろん、これは理想である。実際には、２つの技術間の分離は、それほど明確ではない。
【００４６】
光学準備基板１０の例を図５に示す。光学準備基板１０は、後工程の段階で光学回路構成の上方の基板の上面に作製され、光クロック信号を半導体集積マイクロ電子回路４０に分配するための半導体集積光信号分配ネットワーク２０を含む。光学準備基板１０は、エピ−シリコン(epi-silicon)またはＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）の構造であり、結晶シリコンのベース基板１２、Ｓｉ０２絶縁層１４、結晶シリコンの上側薄膜層１６を含む。光学信号分配ネットワーク２０は絶縁層１４のすぐ下の基板１２に作られる。ネットワーク２０は、多くの基本的な構成ブロックの１つ以上を使用し；チップ上の様々な場所の間に光学信号を分配するための光導波路３０；光学信号をチップの上から導波路に導入することを可能にし、または光学信号を導波路から外へ向け直すことを可能にする反射素子４７；マイクロ電子回路構成の対応する部品によって使用され、光学信号を電気信号３３に変換する光検出素子３２；分配ネットワークで分岐を起こさせる複数の（この場合２つの）部品に光学信号を分割するスプリッタ（図示せず）、を含んでいる。
【００４７】
多くの異なった方法において光入力信号を提供することができる。エッジ・カップリング・アプローチ(edge coupling approach；端部結合手法)と呼ばれる１つの方法によると、レンズ配置３６は外部の光ファイバ３８からの光を光導波路３０に集光する。あるいは、光ファイバ４３は、レンズ４５の他の配置によってチップの上面または下面を通して指向される方向から導波路３０に光を送る。この場合、導波路３０中に作製された反射素子４７は、導波路３０にその長手軸に沿ってその光を向け直す。反射素子４７、レンズ４５、および光ファイバ４３と同様の、または、同一の部品を使用することによって、光を抽出することができる。（光を導波路に渡す多くの方法があり、光が導入されうる方向が垂直および平面内の方向には制限されない、ということに注意されたい。）
【００４８】
図５に表されたＳＯＩ構造は、基板の低誘電率静電容量と高抵抗のためにマイクロ電子回路において有利である。ＳＯＩ構造を製造するのに多くの知られた方法があり、それのいくつかは、B. Jalaliら著、「Advances in Silicon-on-Insulator Optoelectronics」、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、第４巻、第６号、１９９８年１１月／１２月（第９３８頁〜第９４７頁）によって説明されている。図４の例を製造する有用な２つの手法は、ボンドおよびエッチバックＳＯＩ（bond-and-etchback SOI；ＢＥＳＯＩ）技法および高性能切断工程(smart cut process；スマート・カット・プロセス)である。
【００４９】
ＢＥＳＯＩの技術によると、第１のシリコンウェハが酸化された後に、第２のシリコンウェハの無垢表面に酸化膜層を親水性接合することが続く。次に、第１のシリコンウェハが、機械的、および機械的／化学的プロセスによって必要な厚さにまで減肉され、研磨される。光学信号回路は、酸化膜層が接合される無垢表面を提供する第２のウェハの面に作られることになる。次に、減肉された第１のシリコンウェハは、後ほどマイクロ電子部品が製造される基板を提供することになる。
【００５０】
高性能切断工程によれば、酸化されたシリコンウェハが酸化表面層を通して水素注入される。その後に、酸化物表面が親水性接合によって無垢のシリコンウェハ表面に接着される。それに続く熱処理の間、第１のシリコンウェハが酸化膜層の上面に薄膜シリコン層を残して２つの部分に分かれる（その結果、シリコン基板の多くが除去される）。次に、シリコンの新たな露出表面が、機械的、および化学的／機械的方法で研磨される。この場合、光学信号回路は、第１のウェハの酸化物表面に無垢のシリコンウェハ表面を接着する前に、その無垢のシリコンウェハ表面中に作られることになる。
【００５１】
ＳＯＩ構造以外に光学準備基板の概念を実施する複数の方法がある。例えば、光学回路構成を含むシリコン上で、エピタキシャル層を成長させることができる。あるいは、光学準備ネットワーク層を、マイクロ電子回路が既に作られたシリコンウェハに接着し、次に、複数の金属化相互接続(metalization interconnect)の層を光学層の上面に作ることができる。あるいは、フリップチップ設計(flip chip design)を利用し、それによって１つのチップに光学ネットワークを作り、マイクロ電子回路を第２のウェハに作り、１つのチップを他のチップの上にひっくり返し、２つのチップの電気的相互接続のためにバンプ接合を施すことができる。これらすべての手法において、その原理は基本的に同じである。光学ネットワークとマイクロ電子回路は別々に作られ、通常は異なった層に位置している。
【００５２】
［不純物ベースＳｉＧｅ検出器］
上記で述べたように、各検出器が低吸収であり、導波路の端部で検出器に達する光信号の量に大きく影響しないように、動作領域上での吸収において安定していることを、この技術は必要とする。不純物ベースＳｉＧｅ検出器(impurity-based SiGe detector)は比較的低い吸収性によっても特徴付けられるが、それは上述の直列の経路回路における使用に特に適合するようである。不純物ベース検出器の設計および製造の詳細事項は、「不純物ベース導波路検出器(Impurity-Based Waveguide Detectors)」という発明の名称で２００３年５月２９日に出願された米国同時係属特許出願（AMAT Ref. # 8508 US/NBD/OPTICS/JB1）において提示され、また、「不純物ベース導波路検出器(Impurity-Based Waveguide Detectors)」という発明の名称で２００３年５月２９日に出願された米国特許仮出願U.S.S.N.60/474,155号、さらに「不純物ベース導波路検出器(Impurity-Based Waveguide Detectors)」という発明の名称で同日に出願された米国特許非仮出願において提示されており、いずれも参照としてここに組み入れられている。
【００５３】
一般にこの例では、不純物ベース検出器は、光伝導体（ＰＩＰ）、フォトダイオード（ＰＩＮ）、またはフォトトランジスタ（ＮｐＮ）構造の形態を取ることができるようなＳｉＧｅデバイスである。Ｎ−領域、およびＰ−領域は、高濃度にドーピングされた電極領域を表し、その領域に対して電気接触部分が検出器に合わせて作られる。上記で示された検出器構造はｐ型不純物に適用される。ｎ型ドナー不純物に対する構造は、反対の極性を持つ（絶縁またはｎ型不純物について、ＰＩＰの代わりにＮＩＮ、ＰＩＮの代わりにＮＩＰ、ＮｐＮの代わりにＰｎＰ）。Ｉ領域またはｐ領域またはｎ領域は、不純物検出器領域である。ｐ型またはｎ型不純物は、それぞれ反対のｎ型ドナーまたはｐ型アクセプターを用い、測定された共ドープ処理(measured co-doping)で絶縁して作ることができる。不純物ベース検出器において、Ｉ領域は、ｐ型のタリウムアクセプターまたはインジウムアクセプターなどの深いレベル状態で、また１つ以上のコ・インプラント(co-implant)で、ドープされたＳｉＧｅである。アクセプタードーパントは、１２００〜１３００ｎｍの光学信号がアクセプター状態から伝導帯への電子の転移を引き起こして、その結果光学信号を検出できるように、原子価バンドより十分上方にあるエネルギー状態を生成することで、特徴付けられる。コ・インプラントの目的は、アクセプタードーパントによって生成された深いレベルのホールを電子によって満たし、その結果として、光学信号の検出の際の検出器の効率を増加させ、場合によっては、ＳｉＧｅ格子中のインジウムまたはタリウムの固体溶解度をも増加させることである。
【００５４】
他の実施の形態は添付の特許請求の範囲の中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】Ｈ−木の光学信号分配ネットワークを示す。
【図２】直列の経路概念を実施する光学信号分配ネットワークを示す。
【図３】単一ライン上の波長選択可能な検出器を通じて波長依存の多重化の使用を示す。
【図４】直列の経路概念をも実施する他の光学信号分配ネットワークを示す。
【図５】直列の経路概念をも実施する他の光学信号分配ネットワークを示す。
【図６】直列の経路概念が利用できる光学準備基板の概念を示す。
【符号の説明】
【００５６】
１０  光学準備基板
１２  基板
１４  絶縁層
１６  上側薄膜層
２０  光学信号分配ネットワーク
３０  光導波路
３２  光検出器
３３  電気信号
３４  多重光学スプリッタ
３６  レンズ配置
３８  光ファイバ
３９  光源
４０  半導体集積マイクロ電子回路
４３  光ファイバ
４５  レンズ
４７  反射素子
５０、５０’  シリコン基板
５２、５２’  導波路
５４、５４’  検出器
５４  低吸収検出器
５６  屈曲部
５８  マルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタ
７２  光学信号分配ライン
７８  光学検出器
８０、８１、８２  検出器
８５  光導波路
【図１】
2007501448.tif 000003
【図２】
2007501448.tif 000004
【図３】
2007501448.tif 000005
【図４】
2007501448.tif 000006
【図５】
2007501448.tif 000007
【図６】
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【国際調査報告】
2007501448.tif 000009