专利名称：薄硅中的光交叉区的制作方法
技术领域：
本发明集中于光学交叉区，尤其涉及光学交叉区在使用薄硅波导层的 积体光路(integrated photonic circuit)上的形成。
背景技术：
在许多积体光路的设计和实现中，波导管相交处(以下为"交叉区，，) 是不可避免的。这在涉及开关互连模式的设计中尤其如此。然而，交叉波 导管呈现在交叉处不对称的系数分布(index profile)。此分布干"^光导才莫 (guided optical mode)，以及引起较高级光模。由于交叉区域是(即非绝 热的)是突变的，因此其可引起非导模，这导致相交处内的串扰和光功率 损耗。此外，由于与交叉的平面光波导有关的损耗为特定路径中所石並到的 交叉数量的函数，以及因而会随着路径布置而改变，因此该损耗引起特别 关注。已建议了许多技术用于降低波导交叉处的损耗。于1990年10月9日， Hernandez-Gil等人出版的美国专利4,961 ，619公开了 一方法。在此装置中， 波导的宽度在交叉接合点处增加或降低以改变在此区域处的光模特性。这 引入了横向折射系数分布上的轴线变化，其允许电场在交叉处的更好对 齐。然而，Hernandez-Gil等人的装置不是很适合于波导材料和包层材料间 的折射系数存在显著差异的装置，这是因为其需要大的锥形区域来绝热 膨胀/收缩光导模。在另一现有技术参考，1972年10月20日Nishimoto出版的美国专利 5，157，756中，周边区域的低系数材料用于包围在交叉/相交区域中心的波 导材料岛。此技术也具有在折射系数差异相当大的情况下的有限的应用。 因此，现有技术中存在对一结构的需要，该结构用于提供芯和包层区域间 的折射系数的差异可是显著的硅基材料系统中的光学交叉结构。发明内容本发明集中于光交叉区，更具体地，光交叉区在使用薄硅波导层的积 体光路中的形成。本发明的实施尤其很适合用于基于SOI的集成光子结构 中，其中在相对薄的(优选地，亚微米)硅表面层(称作"SOI层，，)形成光波导区，所述相对薄的硅表面层由在下面的绝缘层支持，所迷绝缘层 在硅基底上。根据本发明，在所述基于SOI的器件内的波导结构在交叉区域特别成形，以基本降低串扰的可能性，同时还在输入波导管部分和其关联的输出 波导管部分间耦合相当大部分的传播信号，因此改善沿分离的波导管的光 通度。在本发明的一实施例中，预定形状的多晶硅区域在所述交叉区域，布 置在波导管的所选区域上，以进一步通过降低相交信号的重叠区来最小化 由于串扰而导致的信号损耗。所述交叉区域可包括"纸风车状(pinwheel)，，几何结构，其用于减 少重叠的信号相交的区域。所述纸风车本身可包括多种几何结构，以适应 不同的信号条件，例如将扩展的束变换成准直的束，将准直的束变换成聚 焦的束等。本发明的优点在于，公知的CMOS处理技术可用于图案化和形成所述 交叉区域的期望的几何结构，这筒化了制造工艺。相似地，自CMOS处理 技术的能够以期望的方式沉积和图案化多晶硅是公知的。在下面的论述中以及通过参照附图，本发明的其它和另外的实施例以 及优点将变得显而易见。
现在参考附图，图1 (a)和(b)示出根据本发明形成的基于SOI的结构中的光学交 叉结构的第一示例性实施例，图1 (a)包括俯视图，以及图1 (b)包括等 距图；图2包括图1的装置的可替换实施例的等距图，该装置具有的光波导 和交叉结构区域在布置在SOI结构上的多晶硅层中形成；图3 (a)和(b)示出图1的实施例的变更，其具有的多晶硅^:布置 在输入和输出波导区域之上，图3(a)为俯视图，以及图3(b)为等距图；图4示出本发明的可替换实施例，其形成有在SOI结构的SOI层中的 肋结构光波导管；图5 (a)和(b)在俯视图和等距图中示出使用在光学交叉区域中的 多晶硅桥接段的本发明的可替换实施例。图6为包括在光学交叉结构区域中的"纸风车状"几何结构的第一示 例性装置的俯^L图；图7示出包括束捕获输出波导区域的图6的实施例的变更。图8示出图6的实施例的变更，其包括布置在输入和输出波导区域之 上的多晶硅段；图9显示纸风车状几何结构的光学交叉结构区域的可替换装置，其尤 其配置成使用于准直的输入束；图10示出图9的装置的变更，其中输出束在通过光学交叉区Jt或之后 聚焦到亚微米波导管；图11示出本发明的可替换实施例，其使用多个转向反射镜来形成光 学交叉区域；图12包括根据本发明形成的示例性消散波耦合光学交叉区域的俯视 图，其使用 一对环形谐振器来执行交叉功能；图13为可替换的消散波耦合实施例的俯视图，在这种情况下，使用 一对消散波耦合波导管；以及图14包括根据本发明形成的光分接头(optical tap)交叉构造的俯祸L图。详细说明如上简要所述，相对薄的硅表面层("SOI层")使用于基于SOI的 光电装置中，以支持高速光信号的传播。本领域已知，使用相同的CMOS 制造技术形成两种器件，可在相同的SOI结构内执行纯粹的光学和光电功 能。使用CMOS技术允许(如通过使用高折射率对比(indexcontrast)硅 波导管所实现的)极大地降低光功能元件的尺寸(相当于，例如面积减少 约100X到10，000X)。另外，当适当实施时，^_用自由载流子效应的光操 控不需要DC电源。这些优点使光学器件能够接近如传统电子器件一样的 功能块尺寸。因此，在相同的集成电路晶片上可具有即使没有数千个也有 数百个光学/光电功能元件，其需要同样数量的连接件在关联的器件间形 成。然而，直到本发明的发展，如下面更详细地描述，对于这种光学装置， 仍存在形成"多级"光学互连的需要，该"多级"光学互连类似于在今天 的集成电路设计中公知的多级金属互连结构，其解决了与相交光信号的交 叉有关的多种问题。图1示出根据本发明形成的基于SOI的光学交叉结构的第一实施例， 其中图1 (a)包括俯视图，以及图1 (b)包括相同结构的等距图。如下面 论述的全部多种实施例，本发明的每一基于SOI的光学交叉结构包括硅基 底IO和布置在硅基底IO之上的绝缘(电介质)层12。相对薄(优选地， 亚微米厚度)单晶硅表面层14在绝缘层12上形成，其中硅表面层14名 义上称为"SOI层，，。如图1 (a)和(b)所示，已处理(即图案化和蚀 刻)SOI层14,以形成一对光波导管16、 18，其在交叉区域20彼此相交 (在区域20内用阴影区表示相交处)。根据本发明，交叉区域20被特别 地图案化和形成以允许以两传播的光束以相对高的效率和相对低的串扰 彼此交叉通过。可用具有较低折射系数的CMOS相容材料，例如氧化硅或氮化硅来取代已移去SOI层14的图案区(如图1 (b)中的点线所示)， 以重新平面化该结构，以及简化进一步的处理。为了最小化光学交叉的效果，通过波导管16和18传播的光束应该彼 此基本正交(如果两者具有相同工作波长)，或显示不同的工作波长。对 于本发明的目的，沿第一波导管16传播的信号称作光信号A，以及沿第二 波导管18传播的信号称作光信号B (其中信号A和B或者正交或者为不 同的工作波长)。如图1 (a)所示，第一波导管16包括;渝入波导部分22，如拐角24 和26所界定的，其终端在交叉区域20。如图1 (a)的短划线箭头所示， 输入波导部分22的终端允许传播的光信号A当其穿过交叉区域20时扩展。 具体地，输入波导部分22的终端的形状确定当束进入交叉区域20时的 该束的特征。根据本发明，第一波导管16的输出波导部分28包括向内的 锥形(以下定义为"束捕获")侧壁30、 32,其用于捕获扩展的传播的光 信号A，以及将束重新聚焦到出口 34。优选地，出口 34侧向地限制为一 般小于1微米的尺寸，这允许本发明的装置尤其很适合使用于单模应用中。以相似的方式，形成第二光波导管18,其包括输入波导部分36,其 终端在拐角38、 40，以允许传播的光信号B当其穿过交叉区域20时扩展 (如图1 (a)中的点线箭头所示)。第二光波导管18的输出波导部分42 包括束捕获侧边44、 46，以将扩展的光信号B重新聚焦到出口 48 (优选 地，出口 48具有亚微米的侧向尺寸，以支持仅单模传播)。根据本发明，交叉区域20的适当图案结构包括在输入波导部分端部 处的拐角以及沿输出波导部分的束捕获侧壁，其通过(如所示)将相交区 限制到相对小的阴影区域，允许光信号A和B在区域20内相交，而不经 受显著的串扰和信号损耗。重要地，应该理解，优选地，信号A和B为正 交的，或在不同的波长工作，以提供传4番信号间的另外的隔离。图2包括图1的装置的可替换实施例的等距图，其中，而不在SOI层 14内形成交叉波导管，交叉波导管在多晶硅层17内形成，该多晶硅层17 已布置在SOI层14上，且随后图案化，以形成期望的波导结构。若所示， 多晶硅层17的增加用于改变光模场。如在这样的基于SOI的器件形成的情况下，相对薄的氧化层15布置在SOI层14和多晶硅层17之间，其中 以与蚀刻多晶硅层17相同方式蚀刻氧化层15,来形成交叉结构。在此具 体实施例中，形成如上所述的基本相同的装置，其包括第一波导管19，该 第一波导管19用于支持光信号A的传播，以及包括第二波导管21,该第 二波导管21用于支持光信号B的传播，其具有如上所述的交叉区域20。
图3示出图1的实施例的另一变更，其中，已增加了在关键的地方定 位的多晶硅段，以进一步成形和控制传播的光信号路径，其中如图1中， 波导管在SOI层14内形成。具体地，图3 (a)包括此示例性的"多负载 (poly-loaded)"变更的俯视图，以及图3 (b)包括相同装置的等距图。 在对于此变更的制造过程中，首先在SOI层14上形成相对薄的氧化层50, 以及在氧化层50上形成多晶硅层52。然后，图案化和蚀刻层50、 52的组 合以形成图3所示的分离的成形区。具体地，多晶硅层52被图案化，以 形成一对输入发射段(input launching segment) 54、 56,其中这些段分别 包括终端的段部分58和60。为了进一步降低光损耗，可进一步处理多晶 硅层52以增加其结构的结晶度，从而其在形态上类似于SOI层14。输入 段54、56的特定的几何结构帮助将传播的光信号A和B限制到波导管16、 18的内部区域，因此降低了散射损耗，以及使在交叉区域20内的信号重 叠区域最小化(例如，比较图1 (a)的交叉区域20中阴影区与图3 (a) 中的阴影区)。参照图3 (a)和(b)，示出一对输出锥形段62和64在 多晶硅层52中形成，从而分别置于输出波导部分28和42上。多晶硅段 62和64的锥形几何结构用于降低反射，以及改善传播信号分别到出口 34、 48的耦合效率。应该注意，输入发射段54、 56的终端处58、 60也可为锥 形的，以降低反射。
作为对上述的带波导管结构的替换，根据本发明可在SOI层14中形 成"肋"波导结构，其包括一对具有交叉区的交叉波导管。图4包括此示 例性实施例的等距图，其中，已部分蚀刻SOI层14，以移去在波导区域外 侧的层14的一部分，SOI层14的其余部分未触动，从而下面的介电层12 保持完全被覆盖。如所示，SOI层14的图案化和受控的蚀刻允许第一波导 管41和第二波导管43如前在交叉区域20中相交形成。图5 (a)和(b)分别在俯视图和剖面側视图中示出本发明的另一实 施例。在此实施例中， 一对波导管70和72用于支持光信号A和B在硅基 底10、绝缘层12和SOI层14的基于SOI的结构内传播。在此具体实施例 中，通过沿第一光波导管70的第一波导部分78形成第一向内的锥形区域 76和沿第一光波导管70的第二波导部分82形成第二向外的锥形区域80, 来界定交叉区域74。根据本发明，通过使用多晶硅桥接部分84进一步界 定交叉区域74,该多晶珪桥接部分84如图5 (a)具体所示适当地构造， 以促使光信号A和B的物理分离，来最小化串扰。最佳如图5 (b)所示， 多晶硅桥接部分84的包括用于使传播的光信号B移出向内的锥形区域76, 通过桥接部分84,然后进入向外的锥形区域80。有利地，如图5 (b)清 晰所示，在交叉区域74，传播的光信号B移动离开传播的光信号A的信 号路径。因此，显著降低了光信号A和B间的光串扰和信号损耗的可能性。
如上所述，形成多晶硅桥接部分84，包括沿第一波导管70和第二波 导管72的锥形终端处，以降低反射和将传播的光信号更有效地耦合进其 相应的输出波导部分72和82。
已发展有效的交叉区域结构，且在图6-11所示的多种实施例中示出。 一般上，此交叉区域定义为"纸风车状"几何结构，其包括侧壁，该侧壁 提供全内反射(TIR),在输入和输出波导部分之间导引传播的光信号A 和B。在如图6的俯视图所示的第一实施例中，交叉纸风车状区域90用于 在输入波导部分92和输出波导部分94间耦合光信号A。以相似的方式， 交叉纸风车状区域90用于在输入波导部分96和输出波导部分98间耦合 光信号B。
根据本发明，通过适当地图案化和蚀刻SOI层14以形成一組^Jt侧 壁表面来形成交叉纸风车状区域90,该一组反射侧壁表面用于改变传播的 信号的方向，和降低交叉纸风车状区域90内传播的信号将重叠的区域(由 区域90内的阴影区表示)。通过蚀刻SOI层14以形成这样的表面，SOI 层14和接近的材料(例如，"空气"，或绝缘材料例如氧化硅或氮化硅) 间的折射系数的差异，传播的信号将经历TIR，以及改变方向，以保持在 交叉纸风车状区域90内。参照图6,进入的光A首先耦合到输入波导部分92。如以上关于图1所述的实施例，光信号A在碰到输入波导区域92的 终端处的一对拐角100和102时开始扩展。然后，扩展的信号撞到第一弯 曲的侧壁表面104，如上所述该侧壁表面104通过图案化和蚀刻SOI层14 来形成。然后，扩展的光信号A反射离开第一弯曲表面104，以及如所示， 在交叉纸风车状区域90内以准直的方式传4番，直到碰到也在SOI层14内 形成的第二弯曲的侧壁表面106。如图6中的短划线箭头所示，第二弯曲 的側壁表面106用于将传播的信号A聚焦到输出波导区域94。
类似地，示出itA的光信号B耦合到输入波导部分96,以及此后当其 碰到在输入波导部分96的终端处的拐角108和110时扩展。然后，扩展 的光信号B撞到第三弯曲的侧壁表面112，其准直信号B且改变该信号B 的方向(如点线所述)通过交叉纸风车状区域90。如图6所示，准直的传 播信号B然后撞到第四弯曲的侧壁表面114，其用于将传播的光信号B聚 焦到输出波导部分98。图6的实施例的重要的方面在于，其可用作双向器 件(即，使用"输出"作为"输入"，反之亦然)。
然而，耦合到输出波导部分94和98可遇到反射和反向散射的问题， 这些问题与存在有到这些部分的输入处的"拐角，，有关。即，第一输出波 导部分94的拐角116、 118和第二输出波导部分98的拐角120、 122可影 响交叉纸风车状区域90和输出波导部分94、 98间的耦合效率。图7示出 图6的实施例的变更，其解决了此与耦合进输出波导部分有关的关注。这 里，形成每一输出波导区域，包括束捕获锥形部分，以改善其的耦合效率。 如所示，形成第一输出波导部分94，包括束捕获部分124，以及形成第二 输出波导部分98,包括束捕获部分126。锥形束捕获部分的使用允许集中 和将更大量的传播的信号导引到其关联的输出波导部分。用于形成本发明 的多种波导特征的传统CMOS处理的使用允许通过调整交叉纸风车状区 域90的图案结构容易地包括束捕获部分124、 126。尽管改善了到输出波 导部分的耦合效率，然而应该理解，包括锥形几何结构导致消除了将该结 构使用作双向器件的可能性。因此，如果需要使用双向器件，那么图6的 结构保持优越于图7的结构。
图8是以上与图6和7有关所述的纸风车状几何结构的另一变更。在此变更中，多晶硅^殳已包括在图7结构的输入和输出波导区域的所选部分 之上，以进一步改善进入和离开交叉纸风车状区域90的耦合效率。具体 地，第一多晶硅部分128和第二多晶硅部分130已布置在输入波导部分92 和96之上，以改善传播的输入信号的侧向限制，以及调整进入交叉区域 90的光束的性质。如所示，两多晶硅^敬128和130的终端处是锥形的，以 更好地控制信号从组合的多晶硅/硅波导结构到仅SOI层14的耦合。图8 中显示另一对多晶硅_歐132和134，其分别布置在处处波导部分94和98 之上，其中多晶硅段132和134用于改善到(以及沿)每一输出波导部分 的耦合效率。应该理解，可使用多种其它的肋形结构(例如，见图4)， 来代替使用多晶硅段。
图9中示出本发明的可替换实施例的俯视图，其中在此情况下，输入 信号在进入交叉结构之前被准直。具体地，显示传播的光信号A和B分别 耦合到相对宽的输入波导部分140和142 (与图6 - 8的输入波导部分92 和96相比，"相对宽")。如以上关于图6所示的实施例，图9所示的 结构认为是双向器件。在此实施例中，形成扩展的纸风车状交叉区域144， 以适合传播的准直信号，以及对该信号执行聚焦操作，从而限制波导管的 信号重叠的物理程度(阴影区146示出重叠区)。如图9所示，准直的光 信号A撞到第一弯曲的侧壁表面148，其中控制表面148的弯曲以将准直 的传播信号A变换成聚焦的束，如所示。在传播的光信号A通过重叠区 146之后，其开始扩展以及通过扩展的纸风车状交叉区域144传播，直到 撞到第二弯曲的侧壁表面150。控制159的弯曲使得信号当其进入第一输 出波导区域152时重新转换成准直的波。
以相似的方式，沿输入波导部分142传播的输入的准直光信号B碰到 第三弯曲的侧壁表面154，其用于改变光信号B的方向，以及向重叠区域 146聚焦该信号。如光信号A,传播的光信号B此后扩展，然后撞到第四 弯曲的侧壁表面156，其将光信号B变换成准直的信号，该准直的信号被 导入第二输出波导部分158。如以上所述的实施例，可使用传统的CMOS 制造4支术来处理SOI层14，以形成交叉区域144的期望的"扩展的纸风车 状"几何结构。图10示出可替换的"纸风车状"几何结构交叉区域，已形成其将进 入的准直束聚焦到亚微米尺寸的波导管；用于使用单模光信号的系统的期 望装置。在此装置中，准直的光信号A沿输入波导段248传播，且碰到第 一弯曲的侧壁表面250,其中已计算第一侧壁250的曲率，以提供在规定 的光程长度内的期望的聚焦。如以上所述的装置，通过图案化和蚀刻SOI 层14以显示出所示的形状，来形成第一弯曲的侧壁表面250。然后，使用 相对低的系数材料(例如二氧化硅或氮化硅)随后重新平面化通过蚀刻移 去的部分SOI层14，以保持必要的TIR条件。
返回参照图10,光信号A转换成聚焦的束，该聚焦的束此后被导引到 亚微米尺寸的波导管252，其中形成波导管252以提供对光束的足够的侧 向限制，从而支持传播的光信号的仅单模(基模)。如上所述的多个实施 例，可在波导252的进入处形成束捕获侧壁254、 256，以帮助将光信号A 导引到单才莫波导管。如以上所述的多种其它装置，可在输出波导部分布置 多晶硅^爻以改善耦合效率。
以相似的方式，示出进入的光信号B碰到第二弯曲的側壁表面258， 其中计算表面258的曲率以接收进入的准直信号，并将该准直的波转换成 聚焦的束。在此情况下，聚焦的光信号B此后被导引到单模波导管260, 波导管260包括束捕获侧壁262和264以改善其耦合效率。
图11示出适合于提供准直信号的交叉的具体实施例。在此情况下， 一组45°反射镜结构可蚀刻到SOI层14的表面，以提供输入和输出间的 期望的90°的信号方向改变。如上所述的多种装置，图11的装置为双向 光学交叉器件，其允许"输入，，和"输出，，对换。参照图11，准直的光信 号A沿输入波导区270传播，直到其撞到第一反射镜272,定位该第一反 射镜272以改变光信号A的方向，经过90°旋转，从而现在沿基本垂直的 信号路径传播，直到碰到第二反射镜274。然后，第二反射镜274再次改 变光信号A的方向，经过90°旋转，进入输出波导区276。相似地，在 SOI层14内预定的位置形成第三反射镜278和第四反射镜280,以提供准 直的光信号B在输入波导部分282和输出波导部分284间的方向改变(其 中如上所述，可对换"输入，，和"输出，，波导管以提供双向传输)。与以上所述的多种实施例相比，通过消散地将自 一波导管的信号耦合 到接近的波导管，也可出现光信号的交叉。消散波耦合是本领域公知的。图12示出使用消散波耦合的第一实施例，其中通过图案化和蚀刻基于SOI 的光电结构的SOI层14来形成一对环形谐振器160和162。如所示，蚀刻 的结构用于在输入波导部分164和输出波导部分166间耦合传播的光信号 A。横向光波导管168用于支持光信号B沿如图12所示的信号路径传播。 如上所述的实施例，优选地，A和B为正交信号(或信号以基本不同的波 长传播)。因此，环形谐振器160、 162与横向光波导管168的中央区域 的组合定义为交叉区域170。在操作中，光信号A耦合进输入波导部分164。 第一环形谐振器160的存在用于将光信号A中的至少一部分能量消散地耦 合进其环形结构。显示吸收元件172位于输入波导部分164的终端处。吸 收元件172可仅为无源器件，其用于提供对未耦合进环形谐振器160的任 何剩余信号的容纳。可替换地，吸收元件172可包括有源光器件，其用于 通过确定剩余在波导管164中的光能的数量来监测环形谐振器的功能，使 用此信息可"调谐"环形谐振器160的波长灵敏度。如图12所示，横向波导管168相对于第一环形谐振器160布置，从 而基本将自第一环形谐振器160的全部光能耦合进横向波导管168。在此 情况下，第二环形谐振器162沿4黄向波导管168定位于第一环形谐振器160 的"下游"，从而传播的光信号A然后耦合进第二环形谐振器162。通过 相对于第二环形谐振器162适当地定位输出波导部分166,光信号A自第 二环形谐振器162消散地耦合进输出波导部分166。在输出波导部分166 的终端处包括第二吸收元件174，这是因为此特定的结构可用作双向器件 (输入和输出对换)。图13示出本发明的可替换消散波耦合装置，再次通过图案化和蚀刻 基于SOI的结构的SOI层14，来形成波导部分和交叉区域。在图13的实 施例中，如所示在SOI层14内形成一对波导管180和182。示出波导管 182为橫向波导结构，以及示出波导180为"U，，形波导管，形成"U，，的 基部基本与波导管182的一部分平行，以及形成消散波耦合("交叉") 区域184。交叉区域184的长度L确定为传播的(正交)信号的波长的函数，从而输入的传播的光信号A自U形波导管180的输入波导部分186 耦合进横向波导管182的输出波导部分188，因此，光信号B自横向波导 管182的输入波导部分190耦合进U形波导管180的输出波导部分192。图14显示根据本发明形成的光分接头式交叉，其包括通过图案化和 蚀刻基于SOI结构的SOI层14形成的一对光分接头波导管202、 204和横 向波导管200。如所示，施加传^"的光信号A作为沿第一光分4妄头波导管 202的输入，其然后消散地耦合进横向波导管200。显示光信号B沿波导 管200的整个范围在横向方向传播，其中(若有的话)相对很少的自光信 号B的能量被耦合进光分接头202和204之一。在此实施例中，交叉区域 206定义为包括横向波导管200的中央部分208以及分别地光分接头202 和204的端部分210和212，该横向波导管200的中央部分208支持光信 号A和B。如图12所示的实施例， 一对吸收元件214和216可分别布置 在端部分210和212的终端处，以吸收任何剩余的信号，以及可能地用作 检测元件。实际上，图14的装置也是双向的，其中可对换输入和输出波 导管，以支持沿相反方向的光信号的传播。尽管已对于若干优选实施例显示和描述了本发明，然而应该理解，在 不脱离本文所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在其 形式和细节方面进行多种改变、修改、添加等。
权利要求
1. 一种基于绝缘体硅片(SOI)的光器件，其包括布置在绝缘层上的表面硅波导层，所述绝缘层覆盖硅基底，所述基于SOI的光器件包括第一光波导管，其用于支持第一光信号的传播；第二光波导管，其用于支持第二光信号的传播；以及光交叉区域，其由所述第一光波导管和所述第二光波导管的相交处界定，所述光交叉区域展现出一几何结构，所述几何结构被界定为降低所述交叉区域中所述第一和第二光信号间的串扰以及改善所述光交叉区域内的光通度。
2. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二光波 导管的至少一部分展现出亚微米几何结构，以及支持仅单模光信号的传播。
3. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中界定所述光交叉区域 几何结构以包括在所述交叉区域的出口区的束捕获波导部分，在其中所述 第一和第二光信号继续沿其关联的第一和第二光波导管。
4. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中在所述基于SOI的光 器件的所述表面硅层内形成所述第一和第二光波导管以及所述光交叉区 域。
5. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二光波 导管至少部分地作为带波导管在所a面硅层内形成。
6. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二 光波导管至少部分地作为肋波导管在所述表面硅层内形成。
7. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中所述基于SOI的光器 件进一步包括多晶硅层，其置于所述表面硅波导层上。
8. 如权利要求7所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二光波 导管和所述光交叉区域在所述表面硅层中形成，以及所述多晶硅层^fe图案化为一组四个分离的段，第一段布置在所述第一波导管的输入部分上，在到所述交叉区域的入口处；第二段布置在所述第一波导管的输出部分上， 在所述交叉区域的出口处；第三段布置在所述第二波导管的输入部分上， 在到所述交叉区域的入口处；以及第四段，布置在所述第二波导管的输出 部分上。
9. 如权利要求8所述的基于SOI的光器件，其中至少所述第二和第四 多晶硅段形成为包括在接近所述光交叉区域的终端处的锥形端部分。
10. 如权利要求7所述的基于SOI的光器件，其中所迷第一波导管在所述光交叉区域分成一对分离的部分，第一分离的 部分定义为输入波导部分，以及第二分离的部分定义为输出波导部分，通 过在所迷第一和第二分离的部分间所产生的间隙布置所述第二光波导管； 以及所迷光交叉区域几何结构由所述多晶硅层界定，图案化所述多晶硅层 以形成在所迷第一光波导管的所述输入波导部分和所述输出波导部分间 的桥接波导管部分。
11. 如权利要求10所述的基于SOI的光器件，其中所述多晶硅桥接波 导管部分被图案化以包括沿所述第一和第二光波导管的锥形端终端。
12. 如权利要求1所述的基于SOI的光器件，其中所述光交叉区域包括第 一对反射表面，布置其以拦截沿所述第 一光波导管传播的所述第一 光信号，所述第一对反射表面的输入表面用于提供所迷第一光信号到所述 光交叉区域的第一方向改变，以及所述第 一对反射表面的输出表面用于提 供所述第 一光信号离开所述光交叉区域且进入所述第 一光波导管的输出 波导部分的第二方向改变；以及第二对反射表面，布置其以拦截沿所述第二光波导管传播的所述第二 光信号，所述第二对反射表面的输入表面用于提供所述第二光信号到所述 光交叉区域的第一方向改变，以及所迷第二对反射表面的输出表面用于提 供所述第二光信号离开所述光交叉区域且进入所述第二光波导管的光波导部分的第二方向改变。
13. 如权利要求12所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二 输入表面是弯曲的，以将所述扩展的输入信号变换成准直的改变方向的信 号。
14. 如权利要求13所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二 输出表面是弯曲的，以将准直的输入信号变换成扩展的改变方向的信号。
15. 如权利要求12所述的基于SOI的光器件，其中所述反射表面的 每一个形成为45。的反射镜表面。
16. 如权利要求12所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二 输入表面是弯曲的，以将准直的输入信号变换成聚焦的改变方向的信号。
17. 如权利要求16所述的基于SOI的光器件，其中所述第一和第二 输出表面是弯曲的，以将扩展的输入信号变换成准直的改变方向的信号。
18. 如权利要求12所述的基于SOI的光器件，其中形成所述第一和 第二光波导管以包括沿其相应的输出波导部分的向内锥形的部分。
19. 如权利要求12所述的基于SOI的光器件，其中所述器件进一步 包括多个分离的肋波导管段，其布置在所述第一和第二光波导管的输入和 输出部分上。
20. 如权利要求19所述的基于SOI的光器件，其中所述肋段包括多 晶硅段。
21. 如权利要求19所述的基于SOI的光器件，其中所述多个分离的 肋段包括接近所述光交叉区域的锥形端终端。
22. 如权利要求l所述的基于SOI的光器件，其中所述光交叉区域界 定为包括环形谐振器几何结构，所述环形谐振器几何结构包括与横向光波 导管关联的至少一对波长选择的环，其用于使自输入波导部分的所述第一 光信号传输通过第一环形谐振器以及进入所述横向光波导管，以及此后通 过第二环形谐振器进入输出波导部分。
23. 如权利要求l所述的基于SOI的光器件，其中所述光交叉区域界定为包括具有预定长度的消"ft耦合的波导几何结构，其与将自所迷第一光 波导管的所述第一光信号传输到所述第二光波导管以及将自所述第二光 波导管的所述第二光信号传输到所述第 一光波导管有关。
24.如权利要求l所述的基于SOI的光器件，其中所述光交叉区域界 定为包括光分接头几何结构，其包括输入光分接头波导段、横向波导管以 及输出分接头波导段，所述第 一光信号作为输入施加到所述输入光分接头 波导段，以及此后耦合进所述横向波导管以沿其传播，然后耦合进所述输 出光分接头。
全文摘要
一种装置使用在SOI结构中的图案化几何结构，所述装置用于提供光交叉区，所述光交叉区在基于SOI结构中形成的波导管之间，选择其以降低信号重叠区域中的串扰效果。优选地，光信号固定以沿正交方向传播(或具有不同的波长)以最小化串扰效果。所述SOI结构的几何结构被图案化，包括预定的锥和/或反射表面，以导引/调整传播的光信号。可形成在所述光交叉区域内的图案化波导区域，其包括叠加的多晶硅段，以进一步指引所述传播的束，以及改善所述交叉装置的耦合效率。
文档编号G02B6/125GK101248379SQ200580009284
公开日2008年8月20日 申请日期2005年3月24日 优先权日2004年3月24日
发明者凯瑟琳·A·亚努舍弗斯奇, 卡尔潘都·夏斯特里, 大卫·佩德, 威普库马·帕特尔, 普拉卡什·约托斯卡, 索哈姆·帕塔克, 罗伯特·凯斯·蒙特哥莫里, 马格利特·吉龙 申请人:斯欧普迪克尔股份有限公司;大卫·佩德;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;索哈姆·帕塔克;卡尔潘都·夏斯特里;凯瑟琳·A·亚努舍弗斯奇