专利名称：光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功能性光波导，具体地说，涉及一种光波导器件， 该光波导器件的特性，例如光波的传播损耗、光波的传播常数、群速 度和色散，可以通过施加外部电压并在那里注入电流以高速进行电控 制。
背景技术：
近年来，各种光器件例如光开关、光复用器/解复用器和光调制器
已经使用具有半导体例如Si和Ge和复合半导体例如AIGaAs和 InGaAsP的芯的光波导被实验制造出来。使用Si作为芯的光波导器件 与使用硅石作为芯的常规光波导器件相比尺寸明显减小，此外，该光 波导器件的特性可以通过对芯本身注入电流并施加电压以有源方式进 行电控制，因为该芯由半导体形成。另一方面，通常，使用硅石作为 芯的常规光波导用热方法进行控制。这是因为硅石是绝缘体，因此不 能使电流在其中流动。作为控制光波导特性例如光波的传播损耗、光 波的传播常数、群速度和色散的方法，存在使用热光(T-O)效应、声光 (A-O)效应、磁光(M-O)效应、电光(E-O)效应(也称为"泡克耳斯 (Pockels)效应")和载流子等离子体效应中的任何一种的已知方法。 其中，使用电光(E-O)效应的方法(利用电光(E-O)效应施加电压来改变 折射率)和使用通过注入电流产生的载流子等离子体效应控制折射率 的方法用于以高速控制所述特性，因为这些方法可以提供lns或更小的 快速响应。
顺便提及，作为使用Si作为芯的光波导，存在Si脊形波导和Si 线波导。Si脊形波导提供氧化物膜和在其上的控制电极以形成MOS结 构，由此施加电压以实现对波导折射率的控制。近来，已经实现了使
用包括Si脊形波导的MOS结构的Si高速光调制器。然而，Si脊形波 导将光基本地宽松地限制到芯中，因此Si脊形波导不适应曲率半径为 几fim的锐曲率(sharp curvature)。为此，Si脊形波导中的波导需要缓 和地弯曲，这不可避免地增加了使用该波导的器件例如光开关和光调 制器的尺寸。另一方面，Si线波导将光强烈地限制到芯中并且可适应 曲率半径为几Hm的锐曲率，因此Si线波导作为一种可以减小光器件尺 寸的技术而引起了人们的注意。
然而，Si线光波导芯的截面在亚微米平方的量级，并且该芯的外 围通常被覆盖了绝缘体，例如硅石和空气，因此难以均匀且有效地将 电流注入到该芯中以及对该芯施加电压。
专利文献l(日本专利特开No. 2004-170836)描述了一种可变光衰 减器，其中通过使用具有Si线作为芯的波导进行电控制可以提供任何 可选的光衰减，所述芯被覆盖有例如绝缘体的包层。由添加了氧或氮 的硅(例如，多晶硅)制成的上包层层被形成为覆盖Si芯的上部和两 侧并沿该芯形成波导。该波导包括p型载流子供给部分和n型载流子 供给部分，在p型载流子供给部分中p型杂质被引入上包层一侧的一 部分中，在n型载流子供给部分中n型杂质在引入上包层的相对侧。 由于氧或氮被添加到形成p型和n型载流子供给部分的区域，使得芯 的外围折射率低，由此将光限制在该芯内。
另一方面，下述是已知的。在折射率的周期分布在光波长量级的 光子晶体中，存在所谓的光子带隙，其中禁止光在对应于所述周期的 波长区域中的存在，并且将干扰周期结构的人为缺陷引入晶体中使得 光能够存在于光子带隙中并且各种光能够被控制。
在专利文献2 (日本专利特开No. 2002-303836)中描述了具有这 种光子晶体结构的光开关。在专利文献2的第0054到0060段的描述 和图12中，公开了三角形晶格光子晶体结构和形成在SOI晶片的未掺杂的Si层中的线缺陷波导；杂质被注入线缺陷波导的两侧中以形成 电极；线缺陷波导的光传播通过的部分中光子晶体的光子带隙结构改 变，由此可以注入电流或者可以施加反向偏压；以及存在于光子带隙 的线缺陷波导的波导模式变为截止状态(或者处于光不能传播的状 态)，其使得光不能通过线缺陷波导进行传播并用作光开关。
专利文献1:日本专利特开No. 2004-170836
专利文献2:日本专利特开No. 2002-303836 (段落号0054到0060 和图12)
发明内容
本发明要解决的问题
在专利文献1中，将载流子通过p型和n型载流子供给部分注入 到波导芯以改变波导的传播损耗。然而，由于p型和n型载流子供给 部分与该芯接触，因此明显数量的杂质被掺杂到芯部中，在此掺杂是 不希望有的，可能引起光传播通过该波导而遭受大的传播损耗。
本发明的目的是提供一种用于实现特性的电控制的结构和一种在 使用半导体作为芯的这种光波导中制作该结构的方法。
解决所述问题的手段
本发明人已经集中地进行了调査研究来解决上述问题并获得了本 发明。也就是说，本发明涉及一种使用半导体作为芯的光波导，包括 紧邻该芯的两个外部区域；和一种结构，其中该芯通过桥结构电连接 到所述外部区域以使得通过该桥结构从所述外部区域电流被注入该芯 中并且电压被施加到该芯；其中波导芯与被该桥结构间隔开的所述外 部区域光学隔离。
术语"光学隔离"在这里指的是光被限制在光波导芯中并且沿该光 波导芯被引导的光的电磁场分布的尾部(tail)不太可能延伸到所述外
部区域，结果，光对所述外部区域的影响可以被忽略。换句话说，沿 光波导芯传播的光与所述外部区域存在与否无关。
本发明的效果
作为本发明的效果，电可控光波导的使用实现了高速响应光开关 和光调制器。
图1是根据本发明的光波导的一个概念图； 图2是根据本发明的光波导的另一概念图； 图3是普通Si线光波导的结构图4是示出根据本发明的第一示例性实施例的示意性透视图5是示出根据本发明的作为第一示例性实施例的改进的第二示
例性实施例的示意性透视图6 (a)是补充根据本发明的第一示例性实施例的顶平面图； 图6 (b)是补充根据本发明的作为第一示例性实施例的改进的第
二示例性实施例的顶平面图7 (a)是使用本发明的光波导的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)
干涉仪光开关(光调制器)的分支部分的扩大的顶平面图；和
图7 (b)是使用本发明的光波导的马赫-曾德尔(Mach-Zelmder)
干涉仪光开关的透视图。
标记说明 1:波导芯 2:外部区域 3:桥 4:衬底 5:缝隙孔
701和703: p型半导体 702: n型半导体
704:电极
705: Si芯 706:下包层 707:上包层
具体实施例方式
图1和2是示出根据本发明的波导结构的概念图。该波导主要包 括Si芯1、两个或更多个外部区域2，其不与芯1光耦合(即与芯1 隔离)而是设置成与芯1相距一定距离、和桥3，其将外部区域2电连 接到芯1。由于在波导芯1中传播的光通过桥3与外部区域2光学地断 开(即不与其耦合)，因此在芯i中传播的光可以在波导芯1中传播
而不受外部区域2存在的影响，同时被强烈地限制在波导芯1中。此 外，波导芯l通过桥3电连接到外部区域2，因此可以施加电压并且可 以使电流从外部区域2流到芯1。为此，桥3优选以尽可能窄的间隔且 以相等间隔设置使得可以均匀地施加电压并且可以使电流均匀地流过 波导芯l。尽管未示出，电极(即正电极和负电极)设置在外部区域2 上以施加电压并且使电流流到芯1。优选将适当量的杂质掺杂到外部区 域2、桥3和波导芯1中以适度地减小这些部分的电阻，从而施加电压 并使电流流到芯l。掺杂过量的杂质会降低电阻，这仅对于引起电流流 动是期望的，然而，通过所述部分传播的光会经受明显的光吸收损耗。 为此，需要的是防止故意地将杂质掺杂到芯的光传播所通过的部分中， 或者需要的是以低浓度掺杂杂质，即使它们被掺杂到其中。因此，需 要以尽可能低的浓度将杂质掺杂到芯中，以中等浓度将杂质掺杂到桥 部分中，以及以高浓度将杂质掺杂到外部区域中。由此，每个部分的 电阻以下述顺序逐渐减小芯>桥>外部区域。然而，光吸收损耗的大
小以下述顺序逐渐增高芯<桥<外部区域。如果仅注入电流或仅施加
电压，那么p型和n型杂质都可用于掺杂。换句话说，对于全部情况 可以仅掺杂p型杂质，或者相反地，对于全部情况可以仅掺杂n型杂 质。如果芯部分的载流子密度由施加的电压的方向(极性)控制，那 么需要p型杂质掺杂到两个外部区域之一中，n型杂质掺杂到其另一个
中。在这种情况下，需要将这些杂质掺杂成正好在芯部分处形成pn结
界面。由此，芯中的载流子密度可以由所施加的电压(正向或反向偏 压)的极性有效地控制。这样，对芯中的载流子密度进行调制通过载 流子等离子体效应改变了芯区域中的折射率，使得能够控制在芯中传 播的光的传播常数(相位)。
关于外部区域2和桥3的布置，如图1所示，两个外部区域2设 置成垂直于衬底(未示出)。外部区域2可以通过与衬底垂直的桥3 与芯1相连。或者，如图2所示，两个外部区域2设置成平行于衬底4。 外部区域2可以通过与衬底4平行的桥3与芯1相连。再或者，尽管 未示出，外部区域并不总是与波导芯相对，而是它们可以与波导芯垂 直或者成任何角度。选择哪种结构的抉择取决于使用该波导实现的器 件的结构。在下述中，参考附图详细描述了本发明的示例性实施例。 尽管这里示例了使用Si半导体作为芯的Si线波导，但是本发明不限于 该示例，而是可应用于使用其他半导体例如Ge等或复合半导体例如 AlGaAs和InGaAsP作为芯的光波导。
Si线波导由Si芯和用于覆盖该芯的包层形成，该包层由诸如硅石、 聚合物或空气的材料形成，其折射率基本小于Si的折射率(约3.5)(期 望折射率为2或更小以实现10)im或更小的曲率半径)，并且这些材料 是电绝缘的。Si线波导芯的截面优选宽度为约0.3pm到0.5pm且厚度 为约0.3^im到0.2pm，使得Si线波导用作单模波导。芯的截面大于上 述尺寸，则Si线波导用作多模波导。图3示出普通Si线波导的结构。 在图3中，0.3pm到0.5nm宽的Si芯11形成在Si衬底13上的Si02 包层12中，其形成单模波导。
考虑到制作，期望这样的结构，其中电流如图4所示从Si芯的一 侧注入以均匀且有效地将电流注入到具有如此非常小截面的Si芯中。 在本发明的Si线波导中，芯1通过桥结构3电连接到外部区域2使得 可以从波导芯1的一侧注入电流或施加电压。通过桥结构3电连接到
芯1的外部区域2包括用于使电流流到芯1并将电压施加到芯1的电
极(未示出)。如图4中所示，尽管示出桥3的结构，其中以规则间 隔形成矩形缝隙形孔5，但是所述孔的形状不限于矩形，而可以是圆形、
椭圆形或多边形，例如三角形。简而言之，可以存在这样的结构，其
中波导芯1与外部区域2光学地隔离使得光被强烈地限制在波导芯1 中，并且在电学方面可以将电流通过桥3从外部区域2注入波导芯1 中。这样，为了使电流流到波导芯或对波导芯施加电压，需要将适量 的杂质掺杂到芯l、桥3和外部区域2中以便它们具有适当的电阻。在
这种情况下，需要掺杂杂质使得杂质浓度以下述顺序增高芯<桥<外
部区域。更具体地说，需要掺杂杂质使得芯区域中的载流子密度为
lxlO"或更小，桥区域中的载流子密度约为lx1018，以及外部区域中的 载流子密度为lxlO"或更大。如图6 (a)所示，p型杂质掺杂到其中 一个外部区域中且n型杂质掺杂到另一个外部区域中，以在芯区域内 部或周围形成pn结，使得能够通过载流子等离子体效应对该芯的折射 率进行电控制。
在图4结构中缝隙沿波导的纵向方向周期性地布置，在图4结构 中的波导芯中传播的光沿传播方向探测折射率的周期性调制，因此在 具有特定具体波长的光上产生布拉格反射，这使得光难以进行传播(或 传播损耗增加)。假定A是由于所述缝隙产生的折射率的周期性调制的 周期，那么产生布拉格反射的波长人可以表示为人二2nA/q(其中，"n" 是波导的等效折射率，"q"是自然数)。例如，如果A二300nm且n二2， 则布拉格反射出现在约1.2(im、 600nm和40nm的波长处。为此，需要 避免这些区域。
另一方面，在图5的缝隙结构中，缝隙的孔5位置在波导芯1的 两侧移动。也就是说，在波导芯1的两侧(左侧和右侧)的缝隙的周 期性重复的相位偏移了7t。换句话说，在缝隙的孔位于芯左侧的情形下， 桥设置在芯的右侧。相反，在桥位于芯左侧的情形下，缝隙设置在芯 的右侧(参考图6 (b))。由此，在芯中传播的光因缝隙的规则布置
而没有探测到折射率的调制，不同于在图4中缝隙的位置在波导芯两
侧彼此相符的情形(参见图6 (a))。为此，该结构不受布拉格反射
的影响，因此它可用于任何波长。此外，对于缝隙孔完全随机形成而 在波导的纵向方向上没有周期性的波导来说，不必考虑波导芯左侧和 右侧的相位并且这种结构因缝隙孔的原因而不受布拉格反射的影响。 然而，从实现电流均匀注入到芯中的观点来看在某种程度上需要周期 性。
专利文献2使用光子晶体的光子带结构的变化，而本发明可以通
过注入电流和施加电压直接改变芯层的折射率而不使用这种带结构变 化来调制波导的传播常数，使得能够进行开关。
实例
尽管下面参考实例详细描述了本发明，但是本发明不仅仅限于这 些实例。
(实例1)
作为本发明的第一实例，下面将描述光波导的结构和制作光波导
的方法。首先，制备SOI衬底，该SOI衬底表面的Si层厚度为大约200nm 到300nm且该SOI衬底的Si层下面的掩埋氧化物膜(BOX)层厚度为 大约l!im到3pm。这种SOI衬底在市场上有销售并可容易地获得。其 次，如图4所示，缝隙形孔5被制作成穿过表面的Si层以形成波导芯 区域。这种加工可以使用Si干法刻蚀机例如商业上可得到的ICP设备 来执行。用具有lpm或更大厚度的硅石层覆盖经加工的表面Si层，形 成使用Si作为芯的通道波导(channel waveguide)。形成这种结构使 得能够通过具有该缝隙结构的桥3从外部区域2将电流注入到芯1或 将电压施加到芯l。波导芯1通过桥3电连接到外部区域2，同时在波 导中传播的光被充分限制在芯区域1中以便几乎不受外部区域2影响。 为了由此将光充分限制在芯区域中以便几乎不受外部区域影响，缝隙5 可以是例如宽度为200nm且长度为lpm或更大的矩形，并且可以以
lOOmn的间隔设置。上述缝隙的尺寸仅是目标值，更确切地说，波导 模式的电磁场分布通过电磁场分析来计算以尽可能地最小化光的电磁 场覆盖外部场的比率。
另一方面，需要将杂质适当地掺杂到芯、桥和外部区域中以使电 流流到该芯。特别地，可以这样进行掺杂，即芯区域中的载流子密度 为1><1017或更小，桥区域中的载流子密度为大约lxlO"以及外部区域 中的载流子密度为lxl0"或更大。如图6 (a)所示，p型杂质掺杂到 其中一个外部区域中且n型杂质掺杂到另一个外部区域中，以在芯区 域中或周围形成pn结界面。需要这种p型和n型杂质掺杂区域在加工 SOI晶片之前形成。也就是说，最简单的方法是首先通过离子注入或杂 质扩散到SOI晶片中选择性地形成p型和n型区域，其后，通过热处 理激活这些杂质并通过刻蚀与形成的p型和n型区域成直线地形成桥 结构。此外，在外部区域中形成电极(欧姆接触)以使电流流到芯并 将电压施加到该芯。
(实例2)
下面将描述作为本发明的第二实例的光波导结构的示例性实施 例。如上所述，第一实例中示出的波导结构具有发生布拉格反射的波 长带，因此需要避免这种波长带。另一方面，如图5所示，在波导芯l
两侧缝隙孔在位置上偏移了7T的结构不会引起布拉格反射在宽的波长
范围内起作用。图5所示的波导在结构和制作方法方面与第一实例中 的波导相同，除了孔的位置发生偏移。
(实例3)
通过使用上述实例中描述的光波导结构可以实现特性可电控制的 多种光波导器件。图7示出作为其中一个实例的马赫-曾德尔 (Mach-Zehnder)干涉仪光开关。图7 (a)是其分支部分的扩大的顶 平面图。图7 (b)是马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪光开关的示 意性透视图。在该光开关中，Si线波导芯705分别形成在马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的两个分支上，外部区域通过桥形成在其两 侧。该波导芯被下包层706和上包层707包围。如图7 (a)所示，pn 结形成在每个分支的波导芯部分处，并且使电流从设置在外部区域上 的电极704流到每个分支的波导芯以通过载流子等离子体效应控制每 个分支的波导芯的折射率，由此实现光开关。在该元件中，外部区域 分成三个部分。杂质掺杂到每个部分中以形成p型和n型区域。在如 图所示的结构中，夹在马赫-曾德尔(Mach-Zelmder)干涉仪的两个分 支之间的区域由n型半导体702形成，马赫-曾德尔(Mach-Zehnder) 干涉仪的两个分支外面的两个区域由p型半导体701和703形成。所 述p型区域和n型区域可以对换。因此，在该开关中，公共电极形成 在由n型半导体702形成的外部区域中，该外部区域是夹在马赫-曾德 尔(Mach-Zehnder)干涉仪的两个分支之间的区域，并且将极性彼此 相反(正和负)的电压施加到形成在由p型半导体701和703形成的 外部区域中的电极上，其将载流子注入到所述分支之一的芯中(折射 率因载流子等离子体效应而减小)，并从另一个所述分支的芯提取载 流子(折射率因载流子等离子体效应而升高)，由此使该开关执行推 挽式操作(push-pull operation)。因此这使得该开关能够在与不使该开 关执行推挽式操作的电压的大约一半一样低的电压下执行开关操作。
权利要求
1. 一种使用半导体作为芯的光波导，包括紧邻所述芯附近的两个外部区域；和一种结构，其中所述芯通过桥结构电连接到所述外部区域以能够通过所述桥结构从所述外部区域将电流注入所述芯中并且将电压施加到所述芯；其中所述波导芯与被所述桥结构间隔开的所述外部区域光学隔离。
2. 根据权利要求l所述的光波导，其中所述波导芯由平行于衬底表面的半导体层的一部分形成，多个孔 沿着所述波导的纵向方向形成在所述半导体层中以形成所述桥结构， 并且所述波导芯通过所述多个孔与所述外部区域光学隔离。
3. 根据权利要求2所述的光波导，其中 所述多个孔以缝隙形状形成。
4. 根据权利要求3所述的光波导，其中 所述缝隙形的孔沿所述波导的所述纵向方向周期性地布置。
5. 根据权利要求4所述的光波导，其中沿所述波导的所述纵向方向周期性地形成的所述缝隙形的孔的位 置在所述波导芯的两侧在相位上偏移了兀，所述两侧即左侧和右侧。
6. 根据权利要求1到5中的任一项所述的光波导，其中 电极形成在所述外部区域中以将电压施加到那里，将电流注入到波导芯区域中或将电压施加到波导芯区域，由此能够电气地控制波导 的特性。
全文摘要
一种波导结构包括由半导体例如Si形成的芯(1)、没有光学地连接到该芯而是设置成与该芯相距一定距离的两个外部区域(2)、和将外部区域电连接到芯的桥(3)。由于在波导芯中传播的光被强烈地限制在波导芯中并且与外部区域光学地断开，即不与其耦合，使得光能够在波导中传播而不受外部区域存在的影响。此外，由于波导芯通过桥电连接到外部区域，因此可以从外部区域施加电压到该芯并且可以使电流从外部区域流到该芯。
文档编号G02B6/12GK101384931SQ20078000507
公开日2009年3月11日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年2月9日
发明者山田博仁 申请人:日本电气株式会社