JP2008504562A - 薄いシリコン中の光クロスオーバ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 ＳＯＩベースの構造内に形成された導波路の間に光クロスオーバを提供する構成が、前記ＳＯＩ構造内にパターン形成したジオメトリを使用している。このジオメトリは、信号がオーバーラップする領域においてクロストーク効果を低減するように選択されている。好ましくは、光信号が、直交する方向に伝達する（あるいは波長が異なる）ように固定されて、クロストーク効果を最小限にする。ＳＯＩ構造のジオメトリは、所定のテーパ及び／又は反射面を具えるようにパターン形成されて、伝達光信号を方向付ける／方向を定める。光クロスオーバ領域内のパターン形成された導波路領域は、上に横たわるポリシリコンセグメントを有するように形成して、伝達ビームを更に適合させて、クロスオーバ構成のカップリング効率を改善するようにしてもよい。
【選択図】 図１（ｂ）

Description

関連出願のクロスリファレンス
本出願は、２００４年３月２４日に出願した米国暫定出願第６０／５５５，９９３号の利益を主張する。

技術分野
本発明は光クロスオーバに関するものであり、特に、薄いシリコン導波路層を用いた集積光回路における光クロスオーバの形成に関する。

発明の背景
多くの集積光回路の設計と実装において、導波路の交差（以下「クロスオーバ」という）は避けることができない。このことは、特にスイッチの相互接続パターンを有する設計に言える。しかしながら、交差する導波路は交差において非対照的なインデックスプロファイルを示す。このプロファイルは、案内される光モードを妨害し、高次の光モードを励起する。交差領域が急峻である（すなわち、非断熱的である）ため、非案内モードを励起し、交差内にクロストークと光パワーのロスが生じる。更に、交差する平坦な光導波路に関連するロスは、このロスが特定の路で出会う交差数の関数となり、したがって、路レイアウトが変化するため特に問題である。

導波路の交差におけるロスを低減する数多くの技術が提案されている。一つのアプローチが、１９９０年１０月９日にHernandez-Gil et al. に付与された米国特許第４，９６１，６１９号に開示されている。この構成では、導波路の幅が交差ジャンクションで広くなったり、狭くなったりして、この領域での光モード特性を変化させる。このことは、交差において電界がより良く整列できる横方向の屈折率分布を軸方向に変化させる。しかしながら、Hernandez-Gil et al.の構成は、案内される光モードを断熱的に拡張／縮小するために大きなテーパ領域を必要とするため、ガイド材料とクラッド材料の間の屈折率が有意に異なる構成には、それほど好適なものではない。

もう一つの従来技術例である、１９７２年１０月２０日にNishimotoに付与された米国特許第５，１５７，７５６号では、低インデックス材料でできた周辺領域を用いて、クロッシング／交差領域の中央にある導波路材料の島を取り囲むようにしている。この技術も、屈折率の差が十分なものである状態での限定的な使用である。従って、従来技術に対して、コアとクラッド領域間の屈折率の差が有意であるかもしれないシリコンベースの材料システム中に光クロスオーバを提供する構成が必要である。

発明の概要
本発明は光クロスオーバに関するものであり、特に、薄いシリコン導波路層を用いた集積光回路における光クロスオーバの形成に関する。本発明の実装は、特に、ＳＯＩベースの集積光構造に好適に用いられる。ここでは、シリコン基板上の下側絶縁層によって支持されている、光導波路領域が比較的薄い（好ましくは、サブミクロン）シリコン表面層（「ＳＯＩ層」と言う）内に（少なくとも部分的に）形成されている。

本発明によれば、ＳＯＩベースのデバイス内の導波路構造は、特に、クロスオーバ領域に、クロストークの可能性を実質的に低減するように形成されており、一方で、入力導波路部分とそれに関連する出力導波路部分との間を伝達する信号の有意な部分をカップリングし、これによって、別の導波路に沿った光スループットを改善している。

本発明の一実施例では、所定の形状のポリシリコン領域が、クロスオーバ領域における導波路の選択された領域の上に配置されており、交差信号のオーバーラップ領域を低減させることによって、クロストークに起因する信号ロスを更に最小限に抑えている。

このクロスオーバ領域は、オーバーラップする信号が交差する領域を低減させるための「ピンホイール」ジオメトリを具えていても良い。このピンホイール自体が、拡大ビームを平行ビームに変形する、平行ビームを集束ビームに変形する、その他といった、様々な信号状態に適応した様々なジオメトリを具えていても良い。

公知のＣＭＯＳ製造技術を用いて、クロスオーバ領域の所望のジオメトリをパターン化して形成し、製造プロセスを簡略化できることは、本発明の利点である。同様に、ポリシリコンを所望の態様で蒸着しパターン化する能力は、ＣＭＯＳ形成技術から公知である。

本発明のその他の更なる実施例と利点は、添付図面を参照して以下の記載によって明らかになる。

詳細な説明
上記に簡単に述べたとおり、比較的薄いシリコン表面層（「ＳＯＩ層」）をＳＯＩベースの光−電子構造に使用して、高速光信号の伝達を支持している。この分野で知られているとおり、同じＣＭＯＳ製造技術を用いて、同じＳＯＩ構造内で純粋に光機能と光−電子機能を実行して、両方のタイプのデバイスを形成することができる。ＣＭＯＳ技術の使用によって、高インデックスコントラストシリコン導波路の使用によって可能であるのと同様に、光機能のサイズを大幅に低減することができる（例えば、１００Ｘから１０，０００Ｘのオーダで面積の低減が可能）。更に、正しく実装された場合、自由キャリア効果を用いた光のマニピュレーションはＤＣ電力を必要としない。これらの利点によって、光部品は伝統的な電子部品と同じ機能ブロックサイズに達し得る。従って、関連するデバイス間で形成される同じ数の接続が必要な同じ集積回路ダイの上に、数百、さもなければ数千の光／光−電子機能を有することが可能である。しかしながら、本発明が開発されるまでは、以下に詳細を説明するように、このタイプの光構造は、今日の集積電子回路設計でよく知られているマルチレベル金属相互接続構造と同様に、交差光信号のクロスオーバに関連する様々な問題を解決する「マルチレベル」の光相互接続を形成する必要があった。

図１は、本発明によって形成したＳＯＩベースの光クロスオーバ構造の第１実施例を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は同じ構造の斜視図である。以下に述べる様々な実施例すべてについて、本発明の各ＳＯＩベースの光クロスオーバ構造は、シリコン基板１０と、シリコン基板１０の上に配置した絶縁（誘電）層１２を具える。比較的薄い（好ましくは、サブミクロンの厚さ）単結晶シリコン表面層１４が絶縁層１２の上に形成されており、ここで名目上シリコン表面層１４を「ＳＯＩ層」と呼ぶ。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ＳＯＩ層１４を処理して（すなわち、パターン形成およびエッチング）、クロスオーバ領域２０（領域２０内の影領域で示す交差）内で互いに交差する一対の光導波路１６、１８を形成する。本発明によれば、クロスオーバ領域２０は、特にパターン形成されており、二本の伝達光ビームが比較的高効率で、また比較的低クロストークで、互いに交差するように形成されている。ＳＯＩ層１４が除去されているパターン形成した領域は、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの屈折率の低いＣＭＯＳコンパチブル材料で置き換えて（図１（ｂ）に破線で示す）、構造を再度平坦化し、更なる処理を簡単にすることができる。

光クロスオーバの影響を最小限にするために、導波路１６及び１８を通って伝達する光ビームは実質的に互いに直交するべきである（両方が同じ動作波長であれば）か、あるいは、異なる動作波長を示すべきである。このことを議論するために、第１の導波路１６を伝達する信号を光信号Ａとし、第２の導波路１８を伝達する信号を光信号Ｂとする（ここで、信号ＡとＢは、いずれも直交しているか、動作波長が異なる）。

図１（ａ）に示すように、第１の導波路１６は、コーナ２４と２６で規定されるように、クロスオーバ領域２０で終端する入力導波路セクション２２を具える。入力導波路セクション２２の終端によって、図１（ａ）に破線矢印で示すように伝達する光信号Ａをクロスオーバ領域２０を横切るように拡大させる。特に、入力導波路セクション２２の終端の形状は、光ビームがクロスオーバ領域２０に入るときのビーム特性を決定する。本発明によれば、第１の導波路１６の出力導波路セクション２８は、内側に向けてテーパのついた（以下、「ビーム捕捉」と規定する）側壁３０、３２を具え、拡大して伝達する光信号Ａを捕捉して、このビームを出口ポート３４へ再度集束させるよう機能する。出口ポート３４は、好ましくは通常１ミクロン以下の寸法に横方向に制限されており、本発明の構成を特にシングルモードのアプリケーションでの使用に適するようにしている。

同様に、第２の光導波路１８は、コーナ３８、４０を終端とする入力導波路セクション３６を有しており、伝達光信号Ｂが、クロスオーバ領域２０を横切るときに拡大するようになっている（図１（ａ）に点線の矢印で示す）。第２の光導波路１８の出力導波路セクション４２は、ビーム捕捉側壁４４、４６を具え、拡大する光信号Ｂを出口ポート４８内に再度集束させるようにしている（出口ポート４８は、好ましくは横寸法がサブミクロンであり、シングルモードの伝達のみを支持している）。

本発明によれば、入力導波路セクションの端部におけるコーナと、出力導波路セクションに沿ったビーム捕捉側壁を具えるようにクロスオーバ領域２０を正しくパターンニングすることによって、図に示すように交差領域を比較的小さな目立たない領域に制限して、これによって、有意なクロストークと信号ロスを生じることなく光信号ＡおよびＢが、領域２０内で交差することができる。重要なことは、信号ＡとＢが好ましくは直交しているか、異なる波長で動作して、伝達信号間に更なる分離を提供することであると理解するべきである。

図２は、図１に示す構成の代替の実施例を示す斜視図である。ここでは、ＳＯＩ層１４内に交差導波路を形成する代わりに、ＳＯＩ層１４の上に配置したポリシリコン層１７内に交差導波路が形成されており、次いで、パターン形成により所望の導波路構造を形成したものである。ポリシリコン層１７の追加は、図に示すように、光モードフィールドを変形するように作用する。このようなＳＯＩベースのデバイスを形成する場合は、比較的薄い酸化物層１５がＳＯＩ層１４とポリシリコン層１７の間に配置されており、酸化物層１５がポリシリコン層１７と同じようにエッチングされて、クロスオーバ構造を形成している。この特別な実施例では、光信号Ａの伝達を支持する第１の導波路１９と、光信号Ｂの伝達を支持する第２の導波路２１を含む上述した構成と実質的に同一の構成が、上述したクロスオーバ領域２０と共に形成されている。

図３は、図１に示す実施例の別の変形例を示す。ここでは、戦略的に配置したポリシリコンセグメントが加えられており、伝達光信号の光路を更に適合させて制御するようにしている。ここでは、図１に示すものと同様に、導波路がＳＯＩ層１４に設けられている。特に、図３（ａ）は、この例示的な「多重負荷（poly-loaded）」変形例の平面図であり、図３（ｂ）は、同じ構成の斜視図である。この変形例の製造工程では、まず比較的薄い酸化物層５０がＳＯＩ層１４の上に形成され、ポリシリコン層５２が酸化物層５０の上に形成される。次いで、層５０、５２の組み合わせをパターン形成してエッチングによって図３に示すような分散適合領域を形成する。特に、ポリシリコン層５２は、一対の入力発射セグメント５４、５６を形成するようパターン形成されており、ここでは、これらのセグメントがそれぞれ終端部分５８と６０を有する。光ロスを更に低減するために、ポリシリコン層５２を更に処理して、その構造の結晶性を強化して、形態においてＳＯＩ層１４と同様にすることができる。入力セグメント５４、５６の特定のジオメトリは、伝達光信号ＡおよびＢを、導波路１６および１８の内側部分に制限することを助け、分散ロスを低減して、クロスオーバ領域２０内での信号オーバーラップ領域を最小限に抑える（例えば、図１（ａ）のクロスオーバ領域２０の斜線領域を図３（ａ）の斜線領域と比較されたい）。図３（ａ）と（ｂ）を参照すると、一対の出力テーパ付セグメント６２および６４が出力導波路セクション２８と４２の上にそれぞれ横たわってポリシリコン層５２に形成されているのが示されている。ポリシリコンセグメント６２と６４のテーパ付ジオメトリは、反射を低減し、出口ポート３４と４８内への伝達信号のカップリング効率を改善するのに使用される。入力発射セグメント５４、５６の終端５８、６０も反射を低減するためにテーパを付けてもよい。

上述したストリップ導波路構造の代替として、「リブ」導波路構造をＳＯＩ層１４に形成して、本発明によるクロスオーバ領域を有する一対の交差導波路を具えるようにしても良い。図４は、この例示的な実施例の斜視図であり、ここではＳＯＩ層１４を、部分的にエッチングして、導波路領域の外側の層１４の一部を除去し、ＳＯＩ層１４の残りの部分はそのままにして、下にある誘電層１２が完全に覆われるようにしている。図に示すように、ＳＯＩ層１４のパターンニングと制御されたエッチングによって、上述したようにクロスオーバ領域２０で交差する第１の導波路４１と第２の導波路４３を形成することができる。

図５（ａ）および（ｂ）は、本発明のもう一つの実施例を平面図と断側面図でそれぞれ示す。この実施例では、一対の導波路７０と７２を用いて、シリコン基板１０、絶縁層１２およびＳＯＩ層１４のＳＯＩベース構造内での光信号ＡおよびＢの伝達を支持するようにしている。この特定の実施例では、クロスオーバ領域７４は、第１の光導波路７０の第１の導波路セクション７８に沿って第１の内側テーパ領域７６を、および、第１の光導波路７０の第２の導波路セクション８２に沿って第２の外側テーパ領域８０を形成することによって規定されている。図５（ａ）に特に示すように、クロスオーバ領域７４は更に、適宜に構成されたポリシリコンブリッジ部分８４を用いて規定されており、本発明によってクロストークを最小限に抑えるための光信号ＡおよびＢの物理的な分離を容易にしている。図５（ｂ）に最も良く示すように、ポリシリコンブリッジ部分８４を具えることは、ブリッジ部分８４を介して内側テーパ領域７６の外へ伝達光信号Ｂを広げ、外側テーパ領域８０内に入れるように機能する。有利なことに、図５（ｂ）に明らかに示されているように、クロスオーバ領域７４では、伝達光信号Ｂが伝達光信号Ａの信号路の外へ移動する。従って、光信号ＡおよびＢの間の光クロストークと信号ロスの可能性が有意に低減される。

上述したとおり、ポリシリコンブリッジ部分８４は、反射を低減し、伝達光信号をそれぞれの出力導波路セクション７２と８２により効率よくカップリングさせるために、第１の導波路７０と第２の導波路７２に沿ったテーパ付終端を具えるように形成されている。

効率のよいクロスオーバ領域構造が開発され、図６−１１に示す様々な実施例に記載されている。一般的に、このクロスオーバ領域は、「ピンホイール」ジオメトリとして規定されており、伝達光信号ＡおよびＢをその入力および出力導波路セクション間に導くために全反射（ＴＩＲ）を提供する側壁を具える。図６の平面図に示す第１の実施例では、クロスオーバピンホイール領域９０を用いて、入力導波路領域９２と出力導波路領域９４との間で光信号Ａをカップリングさせるようにしている。同様に、クロスオーバピンホイール領域９０を用いて、入力導波路領域９６と出力導波路領域９８との間で光信号Ｂをカップリングさせるようにしている。

本発明によれば、クロスオーバピンホイール領域９０は、ＳＯＩ層１４を適宜パターンニングとエッチングを行って、伝達信号を再度方向付けるための反射側壁表面セットを形成し、伝達信号がオーバーラップするクロスオーバピンホイール領域９０（領域９０内の斜線領域によって表示されている）の面積を低減するようにしている。ＳＯＩ層１４をエッチングしてこのような表面を形成することによって、ＳＯＩ層１４と隣接する物質（例えば、「空気」、または二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの絶縁材料）間の屈折率の違いが生じ、伝達信号がＴＩＲして、再度方向付けられ、クロスオーバピンホイール領域９０内にとどまる。図６を参照すると、入射する光信号Ａは、入力導波路領域９２へまずカップリングされる。図１に関して上述した実施例のように、光信号Ａは、入力導波路領域９２の終端における一対のコーナ１００と１０２にくると、拡大し始める。拡大する信号は、上述したとおり、次いで、ＳＯＩ層１４をパターニング及びエッチングして形成した第１の湾曲した側壁表面１０４に当たる。拡大する光信号Ａは、次いで、第１の湾曲表面１０４から反射されて、平行な態様で、図に示すように、クロスオーバピンホイール領域９０内を、やはりＳＯＩ層１４内に形成されている第２の湾曲した側壁表面１０６にくるまで、伝達する。図６において点線の矢印で示すとおり、第２の湾曲した側壁表面１０６は、伝達信号Ａを出力導波路領域９４内に集束させるよう機能する。

同様に、入射光信号Ｂは、入力導波路セクション９６内にカップリングし、その後、入力導波路セクション９６の終端部においてコーナ１０８と１１０にぶつかるときに拡大するように示されている。拡大する光信号Ｂは，次いで第３の湾曲した側壁表面１１２に当たる。この表面は信号Ｂを平行にしてクロスオーバピンホイール領域９０を通って再度方向付ける（点線で示す）。平行になった伝達信号Ｂは、次いで、第４の湾曲した側壁表面１１４に当たる。この表面は、図６に示すように、伝達光信号Ｂを出力導波路セクション９８内へ集束させるように機能する。図６の実施例の有意な特徴は、双方向デバイスとして使用できることである（すなわち、「出力」と「入力」およびその又逆に使用できる）。

しかしながら、出力導波路セクション９４と９８へのカップリングは、これらのセクションへの入力するときの「コーナ」の存在に関係する反射とバックスキャッタリングの問題がある。すなわち、第１の出力導波路セクション９４のコーナ１１６、１１８と、第２の出力導波路セクション９８のコーナ１２０、１２２が、クロスオーバピンホイール領域９０と出力導波路セクション９４、９８との間のカップリング効率に影響することがある。図７は、出力導波路セクションへのカップリングに関するこの問題に取り組んだ、図６の実施例の変形例を示す図である。ここで、各出力導波路領域は、カップリング効率を改善するためにビーム捕捉テーパ部分を具えるように構成されている。図に示すように、第１の出力導波路セクション９４は、ビーム捕捉部分１２４を具えるように構成されており、第２の出力導波路セクション９８は、ビーム捕捉部分１２６を具えるように構成されている。テーパ付ビーム捕捉部分を使用することで、より大量の伝達信号を集めて、関連する出力導波路セクション内に方向づけることができる。本発明の様々な導波路特徴の形成に従来のＣＭＯＳプロセスを使用することによって、クロスオーバピンホイール領域９０のパターンニングを調整することでビーム捕捉部分１２４、１２６を容易に設けることができる。出力導波路セクション内へのカップリング効率を改善する一方で、テーパジオメトリを含めることによって、双方向デバイスとしての構造を使用する可能性をなくすことになると理解するべきである。従って、双方向デバイスを使用する必要がある場合は、図７の構造より、図６の構造が好ましい。

図８は、図６及び７に関連して上述したピンホイールジオメトリの更に別の変形例である。この変形例では、ポリシリコンセグメントが、図７に示す構造の入力および出力導波路領域の選択された部分の上に設けられており、クロスオーバピンホイール領域９０内へ、およびこの領域からのカップリング効率を更に改善している。特に、第１及び第２のポリシリコンセグメント１２８と１３０が入力導波路セクション９２と９６の上に配置されており、伝達入力信号の横方向の制限を改善して、光ビームが入力するクロスオーバ領域９０の特性を具体化している。図に示すように、両ポリシリコンセグメント１２８と１３０の終端にテーパが付けられており、ポリシリコン／シリコン導波路構造からＳＯＩ層１４への信号カップリングのみをより良く制御している。更にポリシリコンセグメント対１３２および１３４が、出力導波路セクション９４と９８の上にそれぞれ配置されて図８に示されており、ここでは、ポリシリコンセグメント１３２と１３４を用いて、各出力導波路セクション内へ（また、セクションに沿って）のカップリング効率を改善するようにしている。ポリシリコンセグメントを使用する代わりに、様々なその他のリブタイプの構造（例えば、図４を参照されたい）を使用することもできる。

本発明の代替の実施例の平面図が図９に示されている。この場合、入力信号はクロスオーバ構造に入る前に平行である。特に、伝達光信号ＡおよびＢが比較的広い入力導波路セクション１４０と１４２の中にそれぞれカップリングされているところが示されている（図６−８の入力導波路セクション９２と９６に比較して「比較的広い」）。図６に関連して上述した実施例と同様に、図９に示す構造は双方向デバイスであると考えられる。この実施例では、伝達する平行な信号を受けるために拡大したピンホイールクロスオーバ領域１４４が形成されており、信号がオーバーラップする（斜線領域１４６がこのオーバーラップ領域を示す）導波路の物理的な大きさを制限するように信号の集束動作を実行する。図９に示すように、平行な光信号Ａは、第１の湾曲した側壁表面１４８に当たり、ここで、図に示すように表面１４８のカーブが平行な伝達信号Ａを集束ビームに変えるように制御されている。オーバーラップ領域１４６を通過した後、伝達光信号Ａは、拡大し始めて、拡大したピンホイールクロスオーバ領域１４４を、第２の湾曲した側壁表面１５０に当たるまで伝達する。表面１５０のカーブは、信号が第１の出力導波路領域１５２に入るときに平行波に再度変換されるように制御されている。

同じ態様で、入力導波路セクション１４２に沿って伝達する入力平行光信号Ｂは、光信号Ｂを再度方向付けてオーバーラップ領域１４６に向けて信号を集束するように機能する第３の湾曲した側壁表面１５４に当たる。光信号Ａと同様に、伝達光信号Ｂは、その後、拡大して、第４の湾曲した側壁表面１５６に当たり、光信号Ｂを第２の出力導波路セクション１５８に導かれる平行信号に変える。上述した実施例と同様に、従来のＣＭＯＳ製造技術を用いてＳＯＩ層１４を処理して、クロスオーバ領域１４４についての所望の「拡大したピンホイール」ジオメトリを形成する。

図１０は、入力平行ビームをサブミクロン寸法の導波路に集束させるように形成された、代替の「ピンホイール」ジオメトリクロスオーバ領域を示す。所望のシステム構成は、シングルモード光信号を使用する。この構成では、平行な光信号Ａは、入力導波路セグメント２４８に沿って伝達し、第１の湾曲した側壁表面２５０に入る。ここで、第１の側壁２５０の曲率は、上述した光路長内で所望の集束が行われるように計算されている。上述した構成と同様に、第１の湾曲した側壁表面２５０は、ＳＯＩ層１４をパターニングおよびエッチングして形成され、図に示すような形状を示している。エッチングによって除去されたＳＯＩ層１４の部分は、次いで、比較的インデックスの低い材料（二酸化シリコンや、窒化シリコン）を用いて再平坦化され、必要なＴＩＲ条件を維持する。

図１０を参照すると、光信号Ａは、集束ビームに変換され、その後、サブミクロン寸法の導波路２５２に向けられる。ここで、導波路２５２は、シングルモード（基本モード）の伝達光信号のみが支持されるようにこの光ビームを十分に横方向に制限するように形成されている。上述したいくつかの実施例と同様に、ビーム捕捉側壁２５４、２５６が導波路２５２の入口に形成されており、光信号Ａをシングルモード導波路に方向付けるよう補助している。上述したいくつかのその他の構成と同様に、ポリシリコンセグメントを出力導波路セクションの上に設けて、カップリング効率を改善するようにしても良い。

同様に、第２の湾曲した側壁表面２５８に入るところの入力光信号Ｂが記載されている。ここでは、表面２５８の曲率で入力平行信号を受けて、平行波を集束ビームに変換するように計算されている。この場合、集束した光信号Ｂは、その後、シングルモード導波路２６０に導入される。導波路２６０は、カップリング効率を改善するためのビーム捕捉側壁２６２と２６４を具える。

平行信号のクロスオーバを提供するのに好適な特別な実施例が図１１に記載されている。この場合、４５°のミラー構造セットがＳＯＩ層１４の表面内にエッチングされており、入力と出力の間で、所望する９０°で信号を再度方向付けしている。上述したいくつかの構成と同様に、図１１の構成は双方向光クロスオーバデバイスであり、「入力」と「出力」の逆転が可能である。図１１を参照すると、平行光信号Ａが入力導波路領域２７０に沿って、第１のミラー２７２に当たるまで伝達する。第１のミラーは、９０°の回転を介して光信号Ａを再度方向付けして、第２のミラー２７４に当たるまで、実質的に直交する信号路に沿って伝達するように配置されている。第２のミラー２７４は次いで、光信号Ａを９０°回転させて出力導波路領域２７６へ再度方向付けする。同様に、第３及び第４のミラー２７８、２８０がＳＯＩ層１４内の所定の位置に形成されており、入力導波路セクション２８２と出力導波路セクション２８４との間で平行光信号Ｂを再度方向付けしている（上述の場合、「入力」および「出力」導波路を逆転して、双方向伝送を提供するようにしても良い）。

上述の様々な実施例と反対に、光信号のクロスオーバは、一の導波路からの信号を隣接する導波路へエバネッセントにカップリングする時に生じることがある。エバネッセントカップリングは、この分野でよく知られている。図１２は、エバネッセントカップリングを用いた第１の実施例を示す図であり、ここでは、ＳＯＩベースの光−電子構造のＳＯＩ層１４をパターニングしてエッチングすることによって、一対のリング共鳴器１６０と１６２が形成されている。図に示すように、エッチングした構造は、入力導波路セクション１６４と出力導波路セクション１６６間を伝達する光信号Ａをカップリングさせるのに使用される。横方向の光導波路１６８は、図１２に示すように、信号路に沿って光信号Ｂの伝達を支持するように使用されている。上述した実施例と同様に、ＡおよびＢは、好ましくは直交する信号（または、実質的に異なる波長で伝達する信号）である。リング共鳴器１６０と１６２と、横方向の光導波路１６８の中央領域との組み合わせが、クロスオーバ領域１７０として規定される。動作中は、光信号Ａは、入力導波路セクション１６４内にカップリングされる。第１のリング共鳴器１６０の存在が、光信号Ａのエネルギィの少なくとも一部をそのリング構造にエバネッセントにカップリングするよう機能する。吸収エレメント１７２が入力導波路セクション１６４の終端部に配置されているところが示されている。吸収エレメント１７２は、単に、リング共鳴器１６０に接続されていない全ての残りの信号を制限するのに使用される受動デバイスである。代替的に、吸収エレメント１７２は、導波路１６４に残っている光エネルギィの量を決定することによってリング共鳴器の機能をモニタして、この情報を用いて、リング共鳴器１６０の波長感度を「調整」するのに使用する能動光デバイスを具えていても良い。

図１２に示すように、横方向の導波路１６８は、第１のリング共鳴器１６０に関連して、第１のリング共鳴器１６０から横方向の導波路１６８へ、実質的に全ての光エネルギィをカップリングするように配置されている。この場合、第２のリング共鳴器１６２が、第１のリング共鳴器の「下流側」に、横方向の導波路１６８に沿って配置されており、伝達光信号Ａが第２のリング共鳴器１６２にカップリングするようになっている。第２のリング共鳴器１６２に対して出力導波路セクション１６６を正しく位置決めすることによって、光信号Ａが第２のリング共鳴器１６２から出力導波路セクション１６６にエバネッセントにカップリングする。この特別な構造は、双方向デバイス（入力および出力が逆転する）として使用することがあるので、第２の吸収エレメント１７４が出力導波路セクション１６６の終端部に設けられている。

図１３は、本発明の代替のエバネッセントカップリング構成を示す図であり、ここでも、ＳＯＩベースの構造のＳＯＩ層１４をパターンニングし、エッチングすることによって導波路セクションとクロスオーバ領域が形成されている。図１３に示す実施例では、ＳＯＩ層１４内に示すように一対の導波路１８０と１８２が形成されている。導波路１８２は、横方向の導波路構造として示されており、導波路１８０は、導波路１８２の一部に実質的に平行に形成された「Ｕ」字基部を有する「Ｕ」字形状の導波路として示されており、エバネッセントカップリング（「クロスオーバ」）領域１８４を形成している。クロスオーバ領域１８４の長さＬは、伝達（直交）信号の波長の関数として決定され、入力伝達光信号Ａは、Ｕ字形状の導波路１８０の入力導波路セクション１８６から横方向の導波路１８２の出力導波路セクション１８８へカップリングされ、従って、光信号Ｂは、横方向の導波路１８２の入力導波路セクション１９０からＵ字形状の導波路１８０の出力導波路セクション１９２へカップリングされる。

本発明によって形成された光タップタイプのクロスオーバが図１４に示されており、これは、横方向の導波路２００と、ＳＯＩベースの構造のＳＯＩ層１４をパターンニングしてエッチングすることによって形成された一対の光タップ導波路２０２、２０４を具える。図に示すように、伝達光信号Ａは、第１の光タップ導波路２０２に沿った入力として適用されており、ついで、横方向の導波路２００にエバネッセントにカップリングされる。光信号Ｂは、導波路２００の全長に沿って横方向に伝達しているところが示されており、ここでは、光信号Ｂからの比較的少量の（もし、あれば）エネルギィが、光タップ２０２と２０４のいずれか一方へカップリングされる。クロスオーバ領域２０６は、この実施例では、横方向の導波路２００の中央部分２０８を具えるものとして規定されている。この部分では、光信号ＡおよびＢの双方が、光タップ２０２と２０４の端部２１０と２１２と同様に、それぞれ支持されている。図１２に示すように、一対の吸収エレメント２１４と２１６を端部２１０と２１２の終端にそれぞれ配置して、あらゆる残りの信号を吸収し、可能であれば、検出エレメントとして機能するようにしても良い。実際、図１４の構成も、双方向であり、ここでは、入力及び出力導波路が逆転して、反対方向に光信号の伝達を支持することができる。

本発明は、いくつかの好ましい実施例について図に示す説明したが、請求の範囲によって規定される本発明の精神と範囲から外れることなく、その形式と詳細に、様々な変更、変形、追加、その他を行うことができる。

図面を参照すると、
図１（ａ）と（ｂ）は、本発明によって形成した、ＳＯＩベース構造中の光クロスオーバの第１の例示的な実施例を示すものであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は斜視図である。 図２は、図１の構成の代替の実施例を示す斜視図であり、ＳＯＩ構造の上に蒸着したポリシリコン層内に形成した光導波路とクロスオーバ領域を有する。 図３（ａ）と（ｂ）は、図１の実施例の変形例を示す図であり、入力及び出力導波路領域上に蒸着したポリシリコンセグメントを有する。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は斜視図である。 図４は、本発明の代替の実施例を示す図であり、ＳＯＩ構造のＳＯＩ層内にリブ構造の光導波路が形成されている。 図５（ａ）と（ｂ）は、光クロスオーバ領域にポリシリコンブリッジセグメントを用いている本発明の代替の実施例の平面図と斜視図である。 図６は、光クロスオーバ領域中の「ピンホイール」ジオメトリを有する第１の例示的構成を示す平面図である。 図７は、ビーム捕捉出力導波路領域を有する図６の実施例の変形例を示す図である。 図８は、入力及び出力導波路領域の上に配置したポリシリコンセグメントを具える図６の実施例の変形例を示す図である。 図９は、特に、平行入力ビームを使用するために構成した、ピンホイールジオメトリ光クロスオーバ領域の代替の構成を示す図である。 図１０は、図９の構成の変形例を示す図であり、出力ビームがサブミクロンの導波路に向けて集束し、ついで、光クロスオーバ領域を通過している。 図１１は、複数のチューニングミラーを用いて光クロスオーバ領域を形成する、本発明の代替の実施例を示す図である。 図１２は、クロスオーバ機能を実行するのに一対のリング共鳴器を用いて、本発明に従って形成した、例示的なエバネッセントにカップリングした光クロスオーバ領域の平面図を示す。 図１３は、代替のエバネッセントにカップリングした実施例の平面図であり、この場合は、一対のエバネッセントにカップリングした導波路を用いている。 図１４は、本発明によって形成した光タップクロスオーバ構造の平面図である。

Claims (24)

1. シリコン基板を覆う絶縁層の上に配置された表面シリコン導波路層を具えるシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ベースの光デバイスにおいて：
   第１の光信号の伝達を支持する第１の光導波路と；
   第２の光信号の伝達を支持する第２の光導波路と；
   前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との交差によって規定される光クロスオーバ領域であって、前記クロスオーバ領域における前記第１及び第２の光信号間のクロストークを低減し、前記光クロスオーバ領域内の光スループットを改善するように規定されたジオメトリを示す光クロスオーバ領域と；
   を具えることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
2. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路の少なくとも一部が、サブミクロンジオメトリを示し、シングルモード光信号のみの伝達を支持することを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
3. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記光クロスオーバ領域ジオメトリが、前記第１及び第２の光信号がそれぞれ関連する第１及び第２の光導波路に沿って連続する前記クロスオーバ領域の出口領域においてビーム捕捉導波路セクションを具えるように規定されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
4. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路と前記光クロスオーバ領域が、前記ＳＯＩベースの光デバイスの表面シリコン層内に形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
5. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路が、少なくとも部分的に、前記表面シリコン層内のストリップ導波路として形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
6. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路が、少なくとも部分的に、前記シリコン層内のリブ導波路として形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
7. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記ＳＯＩベースの光デバイスが更に、前記表面シリコン導波路層の上に横たわるポリシリコン層を具えることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
8. 請求項７に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路と前記光クロスオーバ領域が前記表面シリコン層に形成されており、前記ポリシリコン層が４つの別のセグメントセット内にパターン形成されており、第１のセグメントが前記クロスオーバ領域の入口において前記第１の導波路の入力部分の上に配置されており、第２のセグメントが、前記クロスオーバ領域の出口において前記第１の導波路の出力部分の上に配置されており、第３のセグメントが前記クロスオーバ領域入口において前記第２の導波路の入力部分の上に配置されており、第４のセグメントが前記第２の導波路の出力部分の上に配置されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
9. 請求項８に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、少なくとも前記第２及び第４のポリシリコンセグメントが、前記光クロスオーバ領域に隣接する前記終端部にテーパ付端部を具えるように形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
10. 請求項７に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて：
    前記第１の光導波路が、前記光クロスオーバ領域において一対の分離されたセクションに分かれており、第１の分離セクションが、入力導波路セクションとして規定され、第２の分離セクションが出力導波路セクションとして規定され、前記第２の光導波路が、前記第１及び第２の分離セクション間にできたギャップを通って配置されており；
    前記光クロスオーバ領域のジオメトリが、前記第１の光導波路の前記入力導波路セクションと前記出力導波路セクションの間にブリッジ導波路セクションを形成するようにパターン形成されたポリシリコン層によって規定されている；
    ことを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
11. 請求項１０に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記ポリシリコンブリッジ導波路セクションが、前記第１及び第２の光導波路に沿ってテーパ付終端部を具えるようにパターン形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
12. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記光クロスオーバ領域が：
    前記第１の光導波路に沿って伝達する前記第１の光信号を遮断するように配置された第１の反射面対であって、前記第１の反射面対の入力表面が前記光クロスオーバ領域へ前記第１の光信号の第１の再方向付けを提供し、前記第１の反射表面対の出力表面が、前記光クロスオーバ領域からおよび前記第１の光導波路の出力導波路セクションへ前記第１の光信号の第２の再方向付けを提供する反射面対と；
    前記第２の光導波路に沿って伝達する前記第２の光信号を遮断するように配置された第２の反射面対であって、前記反射面の第２の対の入力面が前記光クロスオーバ領域へ前記第２の光信号の第１の再方向付けを提供し、前記第２の反射表面対の出力面が、前記光クロスオーバ領域からおよび前記第２の光導波路の光導波路セクションへ前記第２の光信号の第２の再方向付けを提供する反射面対と；
    を具えることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
13. 請求項１２に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の入力面が拡大入力信号を平行な再度方向付けた信号に変形するような湾曲面であることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
14. 請求項１３に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の出力面が、平行入力信号を拡大した再方向付け信号に変形するような湾曲面であることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
15. 請求項１２に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記反射面の各々が、４５°の反射ミラー面として形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
16. 請求項１２に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の入力面が、平行入力信号を集束する再方向付け信号に変形するような湾曲面であることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
17. 請求項１６に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の出力面が、拡大入力信号を平行な再方向付け信号に変形するような湾曲面であることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
18. 請求項１２に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路が、これらのそれぞれの出力導波路セクションに沿って内側にテーパの付いた部分を具えるように形成されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
19. 請求項１２に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記デバイスが更に、前記第１及び第２の光導波路の入力及び出力セクションの上に配置された複数の分離リブ導波路セグメントを具えることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
20. 請求項１９に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記リブセグメントがポリシリコンセグメントを具えることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
21. 請求項１９に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記複数の分離リブセグメントが、前記光クロスオーバ領域に隣接するテーパの付いた終端部を具えることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
22. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記光クロスオーバ領域が、横方向の光導波路に関連する少なくとも一の波長選択リング対を具えるリング共鳴器ジオメトリを具え、第１のリング共鳴器を通って入力導波路セクションから、及び前記横方向の光導波路内へ、その後、第２のリング共鳴器を通って出力導波路セクションへ前記第１の光信号を送信するものとして規定されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
23. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記光クロスオーバ領域が、前記第１の光信号を前記第１の光導波路から前記第２の光導波路へ転送し、前記第２の光信号を前記第２の光導波路から前記第１の光導波路へ転送することに関連する所定の長さのエバネッセントカップリングした導波路ジオメトリを具えるものとして規定されていることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。
24. 請求項１に記載のＳＯＩベースの光デバイスにおいて、前記光クロスオーバ領域が、入力光タップ導波路セグメントと、横方向の導波路と、出力タップ導波路セグメントを具える光タップジオメトリを具えるものとして規定されており、前記第１の光信号が前記入力光タップ導波路セグメントへの入力として適用され、その後、横方向の導波路にカップリングされてそれに沿って伝達し、次いで出力光タップにカップリングされることを特徴とするＳＯＩベースの光デバイス。

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