光学波导元件和用于制造光学波导元件的方法

光学波导元件和用于制造光学波导元件的方法
【专利摘要】本发明提供一种光学波导元件和一种用于制造光学波导元件的方法，这使得在降低制造所述光学波导元件的成本时可靠地消除影响主信号光的杂散光成为可能。所述光学波导元件的特征在于具有硅层和位于所述硅层上方和下方的二氧化硅层。这个光学波导元件的特征还在于，硅层包含脊形波导和位于距所述脊形波导至少规定距离处的杂质注入区域。
【专利说明】
光学波导元件和用于制造光学波导元件的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种光学波导元件和一种用于制造光学波导元件的方法。
【背景技术】
[0002]由于高速强度调制信号和波长复用技术，更大容量和更长距离的光学纤维通信技术已经得到高度发展。另外，近年来，数字信号处理技术的改进已经使得能够使用偏振光复用和多级相位调制技术大幅度地增加在现有光学纤维网络中的传输容量。
[0003]传输容量的大幅度增加已经引起了对于光学波导元件要求更高的功能、更高的精度和更小的尺寸。例如，在PTL I中公开了一种小型光学波导元件。然而，还要求降低光学波导元件的成本。为了满足这种矛盾的要求，已经实施了多项技术发展以实现与传统的玻璃波导相比能够大幅度地降低尺寸的硅光学波导。能够利用在大规模集成(LSI)的制造中使用的互补金属氧化物半导体(CMOS)加工技术(见NPL I)实现这种硅光学波导。
[0004]然而，由玻璃形成的、用于通信的光学纤维和由硅形成的硅光学波导元件在传播模式中具有高度不同的尺寸。因此，在用于通信的这种光学纤维和这种硅光学波导元件之间的光耦合是困难的。在强的光学约束状态中硅光学波导电路的设计也是困难的，并且在传播光的损耗和性质等方面存在多个问题。
[0005]在这种硅光学波导中，作为硅光学波导，脊形硅光学波导是有利的，因为脊形硅光学波导能够降低尺寸，在脊形硅光学波导和用于通信的光学纤维之间的耦合的损耗能够得到改进，并且在脊形硅光学波导中传播光的性质是可行的。
[0006]PTL 2公开了一种包括脊形硅光学波导的光学开关。根据PTL 2的光学开关包括:光通过其传播的光学波导;和包括其能带宽度小于在光学波导中包括的半导体的能带宽度的材料的光吸收器。光吸收器吸收在除了光学波导之外的部分中泄漏的光，并且防止泄漏光流入光学波导中。PTL 2公开了，当光学波导包括InP时，在光吸收器中使用InGaAs等，并且当光学波导包括诸如玻璃或者铌酸锂材料时，在光吸收器中使用包含金属诸如铬，或者金属填料(粉末)的有机膜、树脂等。
[0007]引用列表
[0008]专利文献
[0009][PTL I]日本专利公开N0.8-313745
[0010][PTL 2]日本专利公开N0.2004-264631
[0011]非专利文献
[0012][NPL1]R.A.Soref和J.P.Lorenzo“All-silicon active and passive guided-wave components for I.3and 1.6μηι(用于1.3和1.6μηι的、全娃有源和无源导波构件”，Journal of Quantum Electronics,Vol.QE-22,N0.6,p.873(1986)

【发明内容】

[0013]技术问题
[0014]如上所述，在PTL2中，其能带宽度小于在光学波导中包括的半导体的能带宽度的材料被用作光吸收器，并且光吸收器吸收从光学波导泄漏的光。然而，由于在能带宽度之间的差异而吸收光的光吸收器当吸收光时可以发射新的光。换言之，在根据PTL 2的光学开关中，在吸收从光学波导泄漏的光之后，光吸收器可以发射新的光，并且新的光可以成为杂散光。如上所述，根据PTL 2的光学开关存在杂散光未被充分地消除的问题。
[0015]此外，在根据PTL2的光学开关中，其材料不同于光学波导层的材料的光吸收器在光学波导层中形成。因此，光学开关的制造要求在光学波导层中的光学波导的顶侧、底侧、右侧和左侧上置放由不同材料形成的光吸收器，由此增加了在CMOS过程技术中的过程诸如抗蚀剂图案化、蚀刻和抗蚀剂剥离的数目。相应地，根据PTL 2的光学开关存在制造光学开关所需要的成本增加的问题。
[0016]本发明的一个目的在于解决上述问题，并且提供一种光学波导元件和一种用于制造光学波导元件的方法，这使得在降低制造光学波导元件的成本时，可靠地消除影响主信号光的杂散光成为可能。
[0017]解决问题的方案
[0018]本发明的一种光学波导元件包括硅层和置放在硅层上方和下方的二氧化硅层，其中硅层包括脊形光学波导和置放在距脊形光学波导不小于预定距离处的杂质注入区域。
[0019]本发明的、一种用于制造光学波导元件的方法包括:利用第一抗蚀剂保护在硅层中除了被注入杂质的区域之外的区域的顶表面;从利用第一抗蚀剂保护的硅层的顶表面上方将形成电子或者空穴的杂质注入硅层中；在注入杂质之后剥离第一抗蚀剂;在剥离第一抗蚀剂之后，利用第二抗蚀剂保护在硅层中对应于脊形光学波导的顶表面的区域;在利用第二抗蚀剂保护的硅层中在除了利用第二抗蚀剂保护的区域之外的区域中从硅层的顶表面移除具有预定深度的部分;并且在移除具有该预定深度的部分之后剥离第二抗蚀剂。
[0020]本发明的、用于制造光学波导元件的另一种方法包括:在二氧化硅层的顶表面上置放硅层；在硅层中在对应于包括脊形光学波导的凸起的顶表面的区域中置放第二抗蚀剂;对硅层的包括第二抗蚀剂的预定区域进行蚀刻;在蚀刻之后剥离第二抗蚀剂;在剥离第二抗蚀剂之后，在硅层中在除了被注入杂质的区域之外的区域的顶表面上置放第一抗蚀剂;从第一抗蚀剂和硅层上方注入形成电子或者空穴的杂质；在注入杂质之后剥离第一抗蚀剂;并且在被剥离了第一抗蚀剂的硅层的顶表面上置放另一个二氧化硅层。
[0021]本发明的有利效果
[0022]根据本发明的光学波导元件，能够在降低制造光学波导元件的成本时可靠地消除影响主信号光的杂散光。
[0023]附图简要说明
[0024]图1是根据本发明第一示例性实施例的光学波导元件I的截面视图。
[0025]图2是根据本发明第二示例性实施例的光学波导元件I的截面视图。
[0026]图3是代表制造根据本发明第二示例性实施例的光学波导元件I的过程的流程图。
[0027]图4是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201期间在SlOl中SOI晶片201的截面视图。
[0028]图5是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201期间在S103中SOI晶片201的截面视图。
[0029]图6是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201期间在S105中SOI晶片201的截面视图。
[0030]图7是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201期间在S106中SOI晶片201的截面视图。
[0031]图8是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201期间在S107中SOI晶片201的截面视图。
[0032]图9是利用本发明第二示例性实施例的制造过程形成的SOI晶片201的截面视图。
[0033]图10是代表根据本发明第二示例性实施例制造光学波导元件I的其它过程的流程图。
[0034]图11是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201的其它进程中的S202中SOI晶片201的截面视图。
[0035]图12是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201的其它进程中的S203中SOI晶片201的截面视图。
[0036]图13是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201的其它进程中的S206中SOI晶片201的截面视图。
[0037]图14是在制造根据本发明第二示例性实施例的SOI晶片201的其它进程中的S208中SOI晶片201的截面视图。
[0038]图15是根据本发明第三示例性实施例的SOI晶片201的截面视图。
[0039 ]图16是根据本发明第四示例性实施例的SOI晶片201的截面视图。
[0040]图17是使用根据本发明第五示例性实施例的数字相干系统的光学接收器的配置框图。
[0041]图18是示意根据本发明第五示例性实施例的90度混合式混频器302的配置实例的视图。
[0042]图19是示意根据本发明第六示例性实施例的偏振光束分裂器301的配置实例的视图。
[0043]图20示意利用根据本发明第七示例性实施例的环形谐振器的可调谐激光器400的配置实例。
【具体实施方式】
[0044]〈第一示例性实施例〉
[0045]将参考附图描述本发明第一示例性实施例。
[0046]图1是根据本发明第一示例性实施例的光学波导元件I的截面视图。如在图1中所示意地，光学波导元件I包括Si层10、Si02层11和12，和娃衬底13。如在图1中所示意地，在本发明第一示例性实施例中，光学波导元件I的Si层10包括脊形光学波导。
[0047]如在图1中所示意地，S12层11和12置放在Si层10上方和下方。因为S12的折射率小于Si的折射率，所以S12层11和12将传播光约束在Si层10中。
[0048]如在图1中所示意地，Si层10包括凸起形状(包括脊形光学波导)，并且光被约束在这种凸起中并且传播。在下文中，光通过其传播的区域被描述为光学波导102。
[0049]在光学波导元件I中，Si层10进一步包括其中将杂质注入预定区域中的杂质注入区域101。如在图1中所示意地，Si层10的杂质注入区域101被置放在距Si层10中的凸起不小于预定距离处。在下文中，凸起和置放在凸起和杂质注入区域101之间并且无任何杂质被注入其中的平坦部分被描述成核芯区域100。
[0050]杂质注入区域101具有与核芯区域100相比增加的光吸收系数，并且因此还具有根据Kramers-Kronig关系变化的光学折射率。换言之，因为在Si层10中在核芯区域100和杂质注入区域101之间的边界中发生折射率差异，所以光学反射可以发生。
[0051]相应地，从通过核芯区域100的光学波导传播的主信号光产生的辐射光被从边界反射也是可能的。当边界靠近核芯区域100的光学波导102存在时，反射光返回光学波导102、干涉主信号光，并且使得主信号光的性质劣化。
[0052]因此，在本发明第一示例性实施例的光学波导元件I中，通过在距凸起不小于预定距离处的区域中置放Si层10的杂质注入区域101以在距凸起不小于预定距离处分离边界，防止了反射光干涉主信号光。
[0053]杂质注入区域101例如被置放在距凸起的侧面0.5μπι或者更大的距离处的区域中以减小所产生的反射光对于主信号光的影响。
[0054]杂质注入区域101消除了通过除了核芯区域100之外的任何位置传播的杂散光。杂质注入区域101是通过将在Si层10中形成电子或者空穴的杂质注入Si层10中而形成的，并且通过自由载流子吸收而衰减光。杂质例如是磷或者硼。当磷是杂质时，在Si层10中形成电子。当硼是杂质时，在Si层10中形成空穴。
[0055]在本发明第一示例性实施例中，通过利用离子注入的方法或者通过利用高温扩散的方法，杂质被引入Si层10的预定区域中。在利用离子注入的方法中，通过在高真空下将利用磁场加速的离子束注入晶片中而将杂质引入Si层10的预定区域中，在该晶片中，除了旨在将杂质注入其中的区域之外的任何位置均被掩蔽。在利用高温扩散的方法中，将其中除了旨在使其发生扩散的区域之外的任何位置均被掩蔽的晶片引入高温炉中，并且杂质从未掩蔽的晶片表面扩散以将杂质引入Si层10的预定区域中。
[0056]在包括杂质注入区域101的Si层10中，通过除了核芯区域之外的任何位置传播的光(杂散光)均能够被杂质注入区域101衰减。
[0057]如上所述，本发明第一示例性实施例的光学波导元件I包括其中杂质被注入Si层10的预定区域中的杂质注入区域101，并且因此能够通过自由载流子吸收来衰减通过除了Si层10的核芯区域100之外的任何位置传播的光(杂散光)。不像在PTL 2中描述的、由于能带宽度差异而吸收光的光吸收器那样，能够可靠地消除杂散光，因为当光被吸收时较不可能发射新的光。
[0058]在本发明第一示例性实施例的光学波导元件I中，通过直接地将杂质注入Si层10中，在Si层10中形成杂质注入区域101。相应地，能够降低制造光学波导元件I需要的成本，因为，如在PTL 2中描述地在光学波导层中形成其材料不同于光学波导层的材料的光吸收器是不必要的。
[0059]〈第二示例性实施例〉
[0060]将参考附图描述本发明第二示例性实施例。
[0061]图2是根据本发明第二示例性实施例的光学波导元件I的截面视图。类似根据第一示例性实施例的光学波导元件I地，如在图2中所示意地，本发明第二示例性实施例的光学波导元件I中的Si层10也包括脊形光学波导。
[0062]如在图2中所示意地，Si层10包括核芯区域100(包括脊形光学波导)，核芯区域100包括凸起和无任何杂质被注入其中的平坦部分，并且光被约束在核芯区域100中，并且传播。根据凸起的尺寸(图2中的宽度W、高度H，和高差h)确定光传播模式。在图2中，传播模式被约束在核芯区域100的预定区域(光学波导102)中，并且光以根据约束状态的宽度(图2中的宽度w)存在。
[0063]当Si层10包括具有1.2μπι的宽度W、1.5ym的高度H，和0.5μπι的高差h的凸起形状时，光学波导102用作包括一个传播模式的单一模式波导。在上述凸起尺寸的实例(1.2μπι的宽度W、1.5μπι的高度H，和0.5μπι的高差h)中，即使当包括安全性距离时，光在其中存在的范围的宽度w仍然是6μηι或者更小。
[0064]在本发明的光学波导元件I中，杂质注入区域101被置放在Si层10中的其中保留不必要的硅的区域中，并且通过自由载流子吸收，通过平板波导传播的光的强度被衰减。
[0065]在制造光学波导元件I期间使用了使用等离子体和蚀刻气体的干法蚀刻设备。根据光学波导的置放设计，干法蚀刻设备可以使得蚀刻区域是局部地大的或者在其它情形中局部地小的。在这种情形中，在其中形成光学波导102的晶片表面中蚀刻速率分布和整个晶片的蚀刻速率改变，并且难以高精度地形成光学波导。
[0066]因此，通过仅仅蚀刻核芯区域100的附近，减小了蚀刻区域，并且尝试稳定在蚀刻表面中的分布和蚀刻速率。
[0067]然而，在于晶片中包括的Si层10中，硅保留在未蚀刻区域(剩余硅区域)中。因为Si层10被置于S12层11和12之间，所以光被约束在剩余硅区域中。在下文中，光通过其传播的剩余硅区域被描述成平板区域。换言之，在Si层10中，除了包括光学波导的核芯区域100之外的平板区域包括光通过其传播的平板波导。
[0068]当光在平板波导中存在时，光被约束在平板波导中、传播并且几乎不被衰减地在整个光学波导元件上方展开。当通过平板波导传播的光具有与通过光学波导102传播的主信号光相同的波长时，通过平板波导传播的光干涉主信号光，由此在光学波导的核芯区域100中改变主信号光的相位和强度。结果，主信号光的质量劣化。
[0069]主要地当从光学纤维到硅光学波导元件的光耦合发生时产生通过平板波导传播的光。对应于耦合损耗的非耦合光在光耦合时产生，通过平板波导传播，并且在整个硅光学波导元件上方展开。在与光学波导电路中的滤波器性质有关的损耗的情形中，通过平板波导传播的光产生。关于与滤波器性质有关的损耗，向核芯区域100外部辐射的光(辐射光)例如在分支电路等中作为损耗产生、通过平板波导传播，并且在整个硅光学波导元件上方展开。
[0070]可替代地，在光学波导元件I中使用例如其中平板区域(除了核芯区域100之外的剩余硅区域)被从Si层10移除的设计，要求另外的过程诸如抗蚀剂图案化、蚀刻，和抗蚀剂剥离，并且导致制造成本增加。
[0071]因此，在根据第二示例性实施例的光学波导元件I中，杂质被注入在Si层10中不必要的平板区域中，并且通过自由载流子吸收，通过平板波导传播的光的强度被衰减。在Si层10中，杂质被注入除了核芯区域100之外的区域中。在下文中，杂质被注入其中的区域被描述成杂质注入区域101。杂质注入区域101被置放在在核芯区域100和另一个核芯区域100之间的区域中，并且易于衰减通过平板波导传播的光(平板传播光)。相应地，即使当产生了平板传播光时，平板传播光仍然不影响主信号光。
[0072]由于杂质引起的光衰减被称作自由载流子吸收。随着注入杂质的数量增加，传播光的衰减速率增加。当传播光的波长是1.3μπι时，在其中产生电子的杂质的浓度是118Cnf3的情形中，引起了大约lldB/cm的传播损耗，并且在其中该浓度是119CnT3的情形中引起大约130dB/cm的传播损耗。相应地，当杂质的浓度是119Cnf3时，平板传播光的大部分能够被消除。
[0073]利用注入的杂质(磷或者硼)，在杂质注入区域101中形成电子或者空穴。当光信号通过杂质注入区域101传播时，自由载流子吸收发生，并且光信号衰减。自由载流子吸收仅仅导致热的产生，并且即使当光被吸收时，仍然不发射任何新的光。相应地，根据第二示例性实施例的杂质流入区域101能够可靠地消除杂散光。
[0074]用于将杂质引入Si层10的预定区域中的方法是利用高温扩散的方法，和利用离子注入的方法。
[0075]在利用高温扩散的方法中，将其中除了旨在使其发生扩散的区域之外的任何位置均被掩蔽的晶片引入高温炉中，并且杂质从未掩蔽的晶片表面扩散以将杂质引入Si层10的预定区域中。在利用高温扩散的方法中，要求理想地1000度或者更高的某个高温，并且要求S12等的坚硬掩膜。
[0076]在利用离子注入的方法中，在高真空下将利用磁场加速的离子束注入其中除了旨在将杂质注入其中的区域之外的任何位置均被掩蔽的晶片中，并且杂质被引入Si层10的预定区域中。能够利用离子电流准确地控制注入杂质的数量。还能够准确地利用加速电压控制注入深度。相应地，在利用离子注入的方法中，能够将期望量的杂质准确地引入Si层10中的期望位置中。
[0077]图3是代表通过利用离子注入的方法，通过将杂质引入Si层10的预定区域中而制造光学波导元件I的过程的流程图。图4到图9是在通过利用离子注入的方法将杂质引入Si层10的预定区域中的情形中绝缘硅片(SOI)晶片201的截面视图。
[0078]首先，在利用离子注入的方法中形成SOI晶片201(S 11:晶片形成)。图4是SOI晶片201的截面视图。如在图4中所示意地，SOI晶片201包括硅衬底13、Si02层11，和Si层10，其中S12层11和Si层10被层叠在硅衬底13上。
[0079]然后，利用抗蚀剂(第一抗蚀剂)保护在SOI晶片201的Si层10中除了离子注入区域之外的区域(S102:抗蚀剂图案化)。然后，从SOI晶片201上方注入离子束以将离子注入Si层10中(S103:离子注入)。图5是在执行离子注入的情形中SOI晶片201的截面视图。如在图5中所示意地，利用光致抗蚀剂202保护在Si层10的顶表面中除了离子注入区域之外的区域，并且离子被从SOI晶片201上方注入。
[0080]随后，剥离在步骤102中置放的光致抗蚀剂202(S104:抗蚀剂剥离)，并且然后Si层10的结晶度恢复(S105:快速热退火(RTA)(结晶度恢复))。图6是进行抗蚀剂剥离的SOI晶片201的截面视图。在SOI晶片201中，在Si层10中不受光致抗蚀剂202保护的区域成为离子被注入其中的杂质注入区域101。
[0081]随后，为了在Si层10上置放凸起，利用抗蚀剂203保护将是凸起的顶表面的部分(S106:抗蚀剂掩膜图案化)。图7是进行抗蚀剂掩膜图案化的SOI晶片201的截面视图。如在图7中所示意地，在SOI晶片201中，在Si层10的、除了离子注入区域之外的区域中对应于凸起的顶表面的区域受到抗蚀剂203保护。
[0082]随后，蚀刻其中抗蚀剂203被置放在对应于凸起的顶表面的区域上的Si层10以移除在Si层10中对应于预定深度的部分(S107:蚀刻)。在Si层10中，在S106中在其上置放抗蚀剂203的部分不被蚀刻。图8是进行蚀刻的SOI晶片201的截面视图。如在图8中所示意地，在蚀刻之后，在SOI 201的Si层10上形成凸起。
[0083]最后，剥离在步骤106中受到保护的抗蚀剂203(S108:抗蚀剂剥离)，并且然后在Si层10的顶表面上形成S12层12的膜(S109:上层S12膜形成)。图9是在形成S12层12的膜之后SOI晶片201的截面视图，并且SOI晶片201成为在图1中示意的光学波导元件I。
[0084]在图3中代表的过程是在预先将杂质注入Si层10中并且然后形成肋形波导的情形中的过程。抗蚀剂掩膜图案化的精度是高的，因为在抗蚀剂掩膜图案化中在Si层10中不存在高度差(S102)。然而，当将离子注入Si层10中时，要求比在参考图10描述的、随后的其它过程中的能量更高的能量。
[0085]图10是代表通过利用离子注入的方法将杂质引入Si层10的预定区域中以制造光学波导元件I的过程的流程图。在于图10中代表的过程中，预先形成肋形波导(凸起形状)，并且然后将杂质注入Si层10中。此外，图4、图9和图11到图14是在通过利用离子注入的方法将杂质引入Si层10的预定区域中的情形中绝缘硅片(SOI)晶片201的截面视图。
[0086]首先，形成SOI晶片201(S201)。所形成的SOI晶片与在图4中示意的相同。
[0087]然后，为了在Si层10上置放凸起，利用抗蚀剂203保护将是凸起的顶表面的部分(S202:抗蚀剂掩膜图案化)。图11是进行抗蚀剂掩膜图案化的SOI晶片201的截面视图。如在图11中所示意地，在SOI晶片201的S i层1中，对应于凸起的顶表面的区域受到抗蚀剂20 3保护。
[0088]随后，为了在Si层10上置放凸起，Si层10被蚀刻以移除在Si层10中对应于预定深度(长度)的部分(S203:蚀刻)。在Si层10中，在S202中在其上置放抗蚀剂203的部分不被蚀亥IJ。图12是进行蚀刻的SOI晶片201的截面视图。如在图12中所示意地，在蚀刻之后，凸起在SOI 201的Si层10上形成。然后，剥离在S202中置放的抗蚀剂203(S204:抗蚀剂剥离)。
[0089]随后，利用抗蚀剂保护在SOI晶片201的Si层10中除了离子注入区域之外的区域(S205:抗蚀剂图案化)。然后，从SOI晶片201上方注入离子束以将离子注入Si层10中(S206:离子注入)。图13是在执行离子注入的情形中SOI晶片201的截面视图。如在图13中示意地，利用光致抗蚀剂202保护在Si层10的顶表面中除了离子注入区域之外的区域，并且从SOI晶片201上方注入离子。
[0090]随后，剥离在步骤204中置放的光致抗蚀剂202(S207:抗蚀剂剥离)，并且然后Si层1的结晶度恢复(S208:结晶度恢复(RTA))。图14是进行抗蚀剂剥离的SOI晶片201的截面视图。在SOI晶片201中，在Si层10中不受光致抗蚀剂202保护的区域成为离子被注入其中的杂质注入区域101。
[0091]最后，在Si层10的顶表面上形成S12层12的膜(S209:S12膜形成)。在预先形成肋形波导(凸起形状)并且然后将杂质注入Si层10中的情形中的过程中，在形成S12层12的膜之后SOI晶片201的截面视图与在图9中示意的光学波导元件I的相同。
[0092]在于图4和图9到图14中代表的过程中，在S203中预先切割Si层10，并且因此，能够相应地减小用于将离子注入Si层10中的能量。然而，在抗蚀剂掩膜图案化时在Si层10中存在高度差(S204)，并且抗蚀剂掩膜图案化的精度降低。
[0093]在上述过程中，在离子注入之后，Si层10的结晶度劣化;然而，因为能够使用RTA在短时间中恢复结晶度，并且在除了光学波导之外的区域中执行离子注入，所以考虑硅结晶度对于传播光的影响是不必要的。此外，在离子注入之后执行高温扩散处理使得沿着Si层10的厚度(高度)方向将杂质引入整个Si层10中成为可能。与执行高温扩散处理同时地，还恢复了 Si层10的结晶度。
[0094]因为如上所述本发明第二示例性实施例的光学波导元件I包括其中将杂质注入Si层10的预定区域中的杂质注入区域101，所以能够通过自由载流子吸收衰减通过除了Si层10的核芯区域100之外的任何位置传播的光(杂散光)。此外，因为通过在光学波导元件I中直接地将杂质注入Si层10中而在Si层10中形成杂质注入区域101，所以能够降低制造光学波导元件I需要的成本。
[0095]〈第三示例性实施例〉
[0096]将参考图15描述本发明第三示例性实施例。图15是根据本发明第三示例性实施例的SOI晶片201的截面视图。类似在第一和第二示例性实施例中描述的光学波导元件I地，如在图15中所示意地，在本发明第三示例性实施例的光学波导元件I中的Si层10也包括脊形光学波导。
[0097]如在图15中所示意地，在本发明第三示例性实施例的光学波导元件I中，杂质被引入距Si层的底表面预定高度的区域(Si层10的上部区域、Si层10表面附近的区域)中。在图15的一个实例中，杂质注入区域101仅仅置于Si层10的平板区域的上部的0.2μπι(从表面)的部分中。
[0098]如上所述，因为在核芯区域100和Si层10中的杂质注入区域101之间的边界中发生折射率差异，所以光学反射可以发生，并且反射光对于原始信号的干涉导致主信号光的性质劣化。
[0099]因此，在本发明第三示例性实施例的光学波导元件I中，杂质注入区域101被置于距Si层10的底表面不小于预定高度的区域(Si层10的上部区域、Si层10的表面附近的区域)中。通过仅仅在距Si层10的底表面不小于预定高度的区域中置放杂质注入区域101，在核芯区域100和杂质注入区域101之间的边界的面积减小以防止产生返回核芯区域100中的光学波导102的反射波。
[0100]因为传播到平板波导中的光(杂散光)强烈地受到约束，并且存在于除了核芯区域100之外的区域(平板区域)中，所以即使当杂质注入区域101处于平板区域的上部(表面部分)中时，仍然能够消除杂散光。
[0101]在仅仅将杂质注入平板区域的上部中的情形中，比在整个平板区域都是杂质注入区域101的情形中更大量的注入杂质使得能够有效率地消除杂散光。
[0102]在仅仅将杂质注入Si层10的平板区域的上部(表面)中的情形中，由于例如在利用离子注入的方法中用于注入离子束的能量的、可能的减小，和消除了高温扩散的需要，能够降低制造成本。
[0103]如上所述，因为在本发明第三示例性实施例的光学波导元件I中，杂质仅仅被注入平板区域的上部中，所以能够防止产生干涉通过光学波导102传播的主信号光的反射光。
[0104]〈第四示例性实施例〉
[0105]将参考图16描述本发明的第四示例性实施例。图16是根据本发明第四示例性实施例的SOI晶片201的截面视图。如在图16中所示意地，在本发明第四示例性实施例的光学波导元件I中的Si层10也包括脊形光学波导。
[0106]如在图16中所示意地，本发明第四示例性实施例是其中上述第二示例性实施例和第三示例性实施例被组合的示例性实施例。在根据本发明第四示例性实施例的光学波导元件I中，(I)杂质注入区域101被置于距凸起的侧面不小于第二距离的区域中。在光学波导元件I中，(2)杂质注入区域101仅仅被置放在距凸起的该侧面不大于第一距离的区域中，且在距硅层的底表面不小于预定高度的区域中，该第一距离比第二距离更长。
[0107]如上所述，在平板区域中的核芯区域100附近的区域(不小于比第一距离更短的第二距离的区域)中，杂质被引入距Si层10的底表面预定高度的区域(Si层10的上部区域、Si层10的表面附近的区域)中。因此，在光学波导元件I中，能够减小在核芯区域100和杂质注入区域101之间的边界的面积以防止产生返回核芯区域100中的光学波导102的反射波。
[0108]在远离平板区域中的核芯区域100的区域中，杂质被引入整个Si层10中。因为杂质被注入整个Si层10中，所以由于杂质注入区域101引起的杂散光的衰减速率变高。然而，因为在核芯区域100和杂质注入区域101之间的边界在距核芯区域100不小于预定距离(第一距离)处，所以反射光对于主信号光的影响减小。
[0109]通过在利用离子注入的方法中改变用于注入离子束的能量，能够实现如上所述光学波导元件I的配置。在Si层10中，与远离核芯区域100的区域相比，在核芯区域100附近的区域中，用于注入离子束的能量减小。
[0110]如上所述，在本发明第四示例性实施例的光学波导元件I中，在核芯区域100附近的区域中，能够防止产生反射波，并且能够在可靠地在远离核芯区域100的区域中消除杂散光时减小反射光对于主信号光的影响。
[0111]〈第五示例性实施例〉
[0112]将参考图17描述本发明第五示例性实施例。
[0113]本发明第五示例性实施例是其中将光学波导元件I应用于相干混频器的示例性实施例。能够通过使用硅形成相干混频器而降低相干混频器的尺寸。然而，具有低的光学衰减率的硅引起杂散光通过硅传播并且影响主信号光的可能性增加的问题。因此，将本发明第一到第四示例性实施例的光学波导元件I应用于相干混频器从而解决这个问题。结果，在相干混频器中传播的杂散光被衰减以防止杂散光影响主信号光。
[0114]根据本发明第五示例性实施例的相干混频器能够应用于例如使用以下描述的数字相干系统的光学接收器中的90度混合式混频器，但是不限于应用于90度混合式混频器。
[0115]在该光学数字相干系统中，通过允许相位调制信号利用两个正交偏振波传播实现了高速光学传输。在该光学数字相干系统中，接收光信号侧允许本地光干涉所接收的相位调制信号以输出多个(例如，八个)光信号，并且所输出的光信号被转换成电信号。电信号进一步被转换成数字信号，然后在数字信号处理单元中对数字信号进行解调处理以恢复位串O
[0116]图17是示意使用数字相干系统的光学接收器的配置实例的框图。首先，所接收的光信号和由本地振荡光发生单元300发送并且具有与所接收的光信号相同的频带的本地振荡光被输入偏振光束分裂器301中。本地振荡光发生单元300发送具有预设频率的本地振荡光。
[0117]偏振光束分裂器301将所接收的光信号和本地振荡光裂成分平行于偏振轴的信号分量(X偏振波信号)，和正交于偏振轴的信号分量(Y偏振波信号)。例如，管理员预先确定在发送侧中的光信号的频率值和在接收侧中的本地振荡光的频率值，并且为相应的光源设定这些频率。
[0118]然后，与本地振荡光相组合地将所接收的光信号输入称作相干混频器的90度混合式混频器302中。从90度混合式混频器302输出的八个光信号被光电转换单元303-1到303-4转换成电信号，并且电信号被AD转换器(模拟-数字转换器(ADC) )304-1到304-4进一步从模拟信号转换成数字信号。
[0119]在所接收的光信号中，以如此方式产生的该四个数字信号是对应于平行于90度混合式混频器302的偏振轴的信号分量(X偏振波信号)的实部和虚部，和正交于90度混合式混频器302的偏振轴的信号分量(Y偏振波信号)的实部和虚部的信号。数字信号处理单元305对于由ADC 304-1到304-4产生的数字信号进行解调处理，并且然后，位串最后被符号识别单元306-1和306-2恢复ο
[0120]如上所述，必要的是在该光学数字相干系统中，接收光信号侧包括允许所接收的相位调制信号和来自本地振荡光发生单元300的光信号(本地振荡器信号)相互干涉的、称作相干混频器的90度混合式混频器302。必要的是在90度混合式混频器302中，防止了多个输出光信号的性质的劣化从而抑制在数字信号处理单元305中的信号解调的情形中的误差。换言之，必要的是在90度混合式混频器302中，杂散光对于主信号光的干涉和主信号光性质的劣化受到抑制。
[0121]因此，在本发明第五示例性实施例中，在90度混合式混频器302中，杂质注入区域101被置于预定区域中以可靠地衰减杂散光并且抑制主信号光的性质的劣化。
[0122]图18是示意根据本发明第五示例性实施例的90度混合式混频器302的配置实例的视图。图18示意在允许所接收的光信号和本地光相互干涉以获得八个光学输出信号的情形中，90度混合式混频器302的配置实例。在90度混合式混频器302中，杂质被注入除了主信号光通过其传播的核芯区域100之外的区域中，并且置放了杂质注入区域101。换言之，在90度混合式混频器302中，杂质被注入除了其中存在用于所接收的光信号的光学波导、用于本地光的光学波导、其中所接收的光信号和本地光相互干涉的位置，和用于干涉光的光学波导的核芯区域100之外的区域中。因为杂质注入区域101衰减在90度混合式混频器302中传播的杂散光，并且抑制杂散光对于所接收的光信号、本地光和干涉光的影响，所以光学输出信号性质的劣化受到抑制。
[0123]如上所述，在本发明第五示例性实施例中，因为利用在称作相干混频器的90度混合式混频器302中的预定区域作为杂质注入区域101衰减杂散光，所以能够抑制光学输出信号性质的劣化。
[0124]〈第六示例性实施例〉
[0125]本发明第六示例性实施例是其中将光学波导元件I应用于偏振光束分裂器的示例性实施例。
[0126]根据本发明第六示例性实施例的偏振光束分裂器能够应用于例如使用在图17中示意的数字相干系统的光学接收器中的偏振光束分裂器301(PBS)，但是不限于这种应用。使用根据本发明第六示例性实施例的数字相干系统的光学接收器的配置实例类似于在于图17中示意的本发明第六示例性实施例中的配置实例。
[0127]能够通过使用硅形成偏振光束分裂器301而降低偏振光束分裂器301的尺寸。然而，具有低的光学衰减率的硅引起杂散光通过硅传播并且影响主信号光的可能性增加的问题。因此，为了解决该问题，本发明的第一到第四示例性实施例的光学波导元件I被应用于偏振光束分裂器301以衰减在偏振光束分裂器301中传播的杂散光，由此防止杂散光影响主信号光。
[0128]在一种光学数字相干系统中，在所接收的光信号和本地光被输入90度混合式混频器302中之前，每一种光被输入如在本发明第五不例性实施例中描述地将每一种光分裂成X偏振波信号和Y偏振波信号的偏振光束分裂器301中。
[0129]如上所述，必要的是在该数字相干系统中，抑制多个输出光信号的性质的劣化从而抑制在数字信号处理单元305中的信号解调的情形中的误差。相应地，还有必要的是，在偏振光束分裂器301中，与在90度混合式混频器302中类似地，杂散光对主信号光的干涉和主信号光性质的劣化受到抑制。
[0130]因此，在本发明第六示例性实施例中，杂质注入区域101也被置于偏振光束分裂器301中以可靠地衰减杂散光并且抑制主信号光性质的劣化。
[0131]图19是示意根据本发明第六示例性实施例的偏振光束分裂器301的配置实例的视图。偏振光束分裂器301将输入的光信号分裂成平行于偏振轴的信号分量(X偏振波信号)，和正交于偏振轴的信号分量(Y偏振波信号)。
[0132]在偏振光束分裂器301中，杂质被注入除了其中存在用于输入光信号的波导的核芯区域之外的区域，和除了其中存在用于经历偏振分裂的光学输出信号的波导的核芯区域之外的区域中，并且置放了杂质注入区域101。杂质注入区域101衰减在偏振光束分裂器301中产生的反射光和散射光(杂散光)，并且抑制杂散光对于主信号光的影响。
[0133]如上所述，在本发明第六示例性实施例中，因为利用偏振光束分裂器301中的预定区域作为杂质注入区域101衰减杂散光，所以能够抑制光学输出信号性质的劣化。
[0134]〈第七示例性实施例〉
[0135]将参考图20描述本发明第七示例性实施例。
[0136]本发明第七示例性实施例是其中将光学波导元件I应用于可调谐激光器(可变波长激光器)的示例性实施例。
[0137]能够通过使用硅形成可调谐激光器而降低可调谐激光器的尺寸。然而，具有低的光学衰减率的硅引起杂散光通过硅传播并且影响主信号光的可能性增加的问题。
[0138]此外，存在以下问题，S卩，因为改变光的波长的环形谐振器中的光学波导的长度变长，所以可调谐激光器倾向于产生杂散光。
[0139]进而，还存在以下问题，S卩，因为很多在主信号光通过其传播的光学波导和另一个元件诸如环路反射镜之间的耦合点和很多反射点，可调谐激光器倾向于产生杂散光。
[0140]因此，为了解决这些问题，本发明的第一到第四示例性实施例的光学波导元件I被应用于可调谐激光器以衰减在可调谐激光器中传播的杂散光，由此防止杂散光影响主信号光。
[0141]根据本发明第七示例性实施例的可调谐激光器能够应用于例如使用在图17中示意的数字相干系统的光学接收器中的本地振荡光发生单元300，但是不限于这种应用。
[0142]图20示意利用环形谐振器的可调谐激光器400的配置实例。如在图20中所示意地，可调谐激光器400包括半导体光学放大器(S0A)401、环形谐振器402，和环路反射镜403。
[0143]在可调谐激光器400中，从SOA 401输出的光被输入环形谐振器402中、被从终端中的环路反射镜403反射出去、返回SOA 401，并且被输出。在这种情形中，电流流动到安装在环形谐振器402上的加热器404以改变环形波导的温度并且改变有效折射率，由此将输出光调谐到期望的波长。
[0144]在上述可调谐激光器400中，在环形谐振器402中环形波导的距离是长的，并且存在其中产生反射光和散射光的很多位置。因此，通过环形波导传播的主信号光易受反射光和散射光的影响(干涉)。
[0145]因此，在本发明第七示例性实施例中，杂质被注入可调谐激光器400中的预定区域中，杂散光诸如反射光或者散射光可靠地被杂质注入区域101衰减，并且主信号光性质的劣化受到抑制。
[0146]在可调谐激光器400中，杂质被注入除了其中存在环形波导的核芯区域100之外的区域中，并且置放了杂质注入区域101。杂质注入区域101衰减在可调谐激光器400中产生的反射光和散射光(杂散光)，并且杂散光对于主信号光的影响受到抑制。
[0147]如上所述，在本发明第七示例性实施例中，因为通过允许可调谐激光器400中的预定区域(除了其中存在环形波导的区域之外的区域)成为杂质注入区域101而衰减杂散光，所以光学输出信号的性质的劣化能够受到抑制。
[0148]某些或者所有的上述示例性实施例能够被描述为以下补充性注解，但是不限于以下注解。
[0149][补充性注解I]
[0150]—种光学波导元件，包括在娃层中形成的脊形光学波导，
[0151]其中，杂质注入区域置放在距所述硅层中的所述脊形光学波导不小于预定距离处的区域中，在所述杂质注入区域中，形成电子或者空穴的杂质被注入所述硅层中。
[0152][补充性注解2]
[0153]根据补充性注解I所述的光学波导元件，其中，允许在距所述硅层的底表面不小于预定高度处的部分成为所述杂质注入区域。
[0154][补充性注解3]
[0155]根据补充性注解I和2中的任何一项所述的光学波导元件，其中，允许在距所述脊形光学波导不小于第一距离处的区域，和在距所述脊形光学波导不小于比所述第一距离更短的第二距离处并且在距所述硅层的底表面不小于预定高度处的区域成为所述杂质注入区域。
[0156][补充性注解4]
[0157]根据补充性注解I到3中的任何一项所述的光学波导元件，其中，所述杂质是磷或者硼。
[0158][补充性注解5]
[0159]根据补充性注解I到4中的任何一项所述的光学波导元件，其中，二氧化硅层被置放在所述硅层上方和下方。
[0160][补充性注解6]
[0161]—种相干混频器，包括:
[0162]根据补充性注解I到5中的任何一项所述的光学波导元件;和
[0163]干涉单元，所述干涉单元允许输入的输入光信号和由本地振荡光发生单元振荡的本地光相互干涉，并且输出多个输出光信号，
[0164]其中，所述光学波导元件传输所述输入光信号、所述本地光，和所述多个输出光信号。
[0165][补充性注解7]
[0166]—种偏振光束分裂器，包括:
[0167]根据补充性注解I到5中的任何一项所述的光学波导元件;和
[0168]分裂单元，所述分裂单元将输入的输入光信号分裂成作为平行于变化轴的信号分量的第一光信号，和作为正交于所述变化轴的信号分量的第二光信号，
[0169]其中，所述光学波导元件传输所述输入光信号与所述第一光信号和所述第二光信号。
[0170][补充性注解8]
[0171]—种可调谐激光器，包括:
[0172]环形谐振器，所述环形谐振器包括根据补充性注解I到5中的任何一项所述的光学波导元件；
[0173]半导体光学放大器，所述半导体光学放大器输出光信号;和
[0174]环路反射镜，所述环路反射镜反射输入光信号，
[0175]其中，所述环形谐振器将由所述半导体光学放大器输出的光信号改变为预定波长；
[0176]所述环路反射镜向所述光学波导元件反射并且返回从在所述环形谐振器中包括的所述光学波导元件输入的光信号;并且
[0177]所述半导体光学放大器向外部输出由所述环路反射镜反射并且通过所述光学波导元件传输的光信号。
[0178][补充性注解9]
[0179]—种用于制造光学波导元件的方法，包括:
[0180]利用第一抗蚀剂保护在硅层中除了被注入杂质的区域之外的区域的顶表面；
[0181]从利用所述第一抗蚀剂保护的所述硅层的顶表面上方将形成电子或者空穴的杂质注入所述硅层中；
[0182]在注入所述杂质之后剥离所述第一抗蚀剂；
[0183]在剥离所述第一抗蚀剂之后利用第二抗蚀剂保护在所述硅层中对应于脊形光学波导的顶表面的区域；
[0184]在利用所述第二抗蚀剂保护的所述硅层中，在除了利用所述第二抗蚀剂保护的区域之外的区域中移除距所述硅层的所述顶表面具有预定深度的部分;并且
[0185]在移除具有所述预定深度的部分之后剥离所述第二抗蚀剂。
[0186][补充性注解10]
[0187]—种用于制造光学波导元件的方法，包括:
[0188]利用第二抗蚀剂保护在硅层中对应于脊形光学波导的顶表面的区域；
[0189]在利用所述第二抗蚀剂保护的所述硅层中，在除了利用所述第二抗蚀剂保护的区域之外的区域中移除距所述硅层的顶表面具有预定深度的部分；
[0190]在移除具有所述预定深度的部分之后剥离所述第二抗蚀剂；
[0191]在剥离所述第二抗蚀剂之后利用第一抗蚀剂保护在硅层中除了被注入形成电子或者空穴的杂质的硅层中的区域之外的区域的顶表面；
[0192]从利用所述第一抗蚀剂保护的所述硅层的顶表面上方注入杂质;并且
[0193]在注入所述杂质之后剥离所述第一抗蚀剂。
[0194][补充性注解11]
[0195]根据补充性注解9或者补充性注解10所述的用于制造光学波导元件的方法，其中，利用所述第一抗蚀剂保护的区域是在距对应于所述脊形光学波导的侧面的位置不大于预定距离处的区域。
[0196][补充性注解12]
[0197]根据补充性注解9到11中的任何一项所述的用于制造光学波导元件的方法，其中，所述杂质被注入在距所述硅层的底表面不小于预定高度处的部分中。
[0198][补充性注解13]
[0199]根据补充性注解9到12中的任何一项所述的用于制造光学波导元件的方法，其中，在被注入所述杂质并且在距对应于所述脊形光学波导的侧面的位置不大于预定距离处的区域中，所述杂质被注入在距所述硅层的底表面不小于预定高度处的部分中。
[0200][补充性注解14]
[0201]根据补充性注解9到13中的任何一项所述的用于制造光学波导元件的方法，其中，所述杂质是磷或者硼。
[0202][补充性注解I5]
[0203]根据补充性注解9到14中的任何一项所述的用于制造光学波导元件的方法，其中，二氧化硅层被置放在所述硅层上方和下方。
[0204]本发明不限于上述示例性实施例，并且本发明涵盖在不偏离本发明的主旨的情况下的任何设计修改等。该申请要求基于在2013年12月25日提交并且其全部公开在这里并入的日本专利申请N0.2013-267193的优先权。
[0205]工业适用性
[0206]根据本发明的光学波导元件能够广泛地应用于利用CMOS加工技术制造并且其中置放硅光学波导的光学构件。
[0207]附图标记列表
[0208]10 Si层
[0209]11，12 S12层
[0210]13硅衬底
[0211]100核芯区域
[0212]101杂质注入区域
[0213]102光学波导
[0214]201 SOI 晶片
[0215]202抗蚀剂
[0216]203抗蚀剂
[0217]300本地振荡光发生单元
[0218]301、301-1、301_2偏振光束分裂器
[0219]302 90度混合式混频器
[0220]303光电转换单元
[0221]304 ADC
[0222]305数字信号处理单元
[0223]306符号识别单元
[0224]400可调谐激光器
[0225]401 SOA
[0226]402环形谐振器
[0227]403环路反射镜
[0228]404加热器
【主权项】
1.一种光学波导元件，包括硅层和置放在所述硅层上方和下方的二氧化硅层， 其中，所述硅层包括脊形光学波导和置放在距所述脊形光学波导不小于预定距离处的杂质注入区域。2.根据权利要求1所述的光学波导元件，其中，所述杂质注入区域是形成电子或者空穴的杂质被注入到所述硅层中的区域。3.根据权利要求2所述的光学波导元件，其中，所述杂质是磷或者硼。4.根据权利要求1到3中的任何一项所述的光学波导元件，其中，在距所述硅层的底表面不小于预定高度处的部分是所述杂质注入区域。5.根据权利要求1到3中的任何一项所述的光学波导元件，其中，允许在距所述脊形光学波导不小于第一距离处的区域，和在距所述脊形光学波导不小于比所述第一距离更短的第二距离处并且在距所述硅层的底表面不小于预定高度处的区域成为所述杂质注入区域。6.一种相干混频器，包括: 根据权利要求1到5中的任何一项所述的光学波导元件;和 干涉单元，所述干涉单元允许输入的输入光信号和由本地振荡光发生单元振荡的本地光相互干涉，并且输出多个输出光信号， 其中，所述光学波导元件传输所述输入光信号、所述本地光，和所述多个输出光信号。7.一种偏振光束分裂器，包括: 根据权利要求1到5中的任何一项所述的光学波导元件;和 分裂单元，所述分裂单元将输入的输入光信号分裂成作为平行于变化轴的信号分量的第一光信号，和作为正交于所述变化轴的信号分量的第二光信号， 其中，所述光学波导元件传输所述输入光信号与所述第一光信号和所述第二光信号。8.一种可调谐激光器，包括: 环形谐振器，所述环形谐振器包括根据权利要求1到5中的任何一项所述的光学波导元件； 半导体光学放大器，所述半导体光学放大器输出光信号;和 环路反射镜，所述环路反射镜反射输入光信号， 其中，所述环形谐振器将由所述半导体光学放大器输出的光信号改变为预定波长；所述环路反射镜向所述光学波导元件反射并且返回从在所述环形谐振器中包括的所述光学波导元件输入的光信号;并且 所述半导体光学放大器向外部输出由所述环路反射镜反射并且通过所述光学波导元件传输的光信号。9.一种用于制造光学波导元件的方法，包括: 在二氧化硅层的顶表面上置放硅层； 在所述硅层中在除了被注入杂质的区域之外的区域的顶表面上置放第一抗蚀剂； 从所述第一抗蚀剂和所述硅层上方注入形成电子或者空穴的杂质； 在注入所述杂质之后剥离所述第一抗蚀剂； 在剥离所述第一抗蚀剂之后在所述硅层中在对应于脊形光学波导的顶表面的区域上置放第二抗蚀剂； 对所述硅层的包括所述第二抗蚀剂的预定区域进行蚀刻； 在所述蚀刻之后剥离所述第二抗蚀剂;和 在被剥离了所述第二抗蚀剂的硅层的顶表面上置放另一个二氧化硅层。10.—种用于制造光学波导元件的方法，包括: 在二氧化硅层的顶表面上置放硅层； 在所述硅层中在对应于包括脊形光学波导的凸起的顶表面的区域上置放第二抗蚀剂； 对所述硅层的包括所述第二抗蚀剂的预定区域进行蚀刻； 在所述蚀刻之后剥离所述第二抗蚀剂； 在剥离所述第二抗蚀剂之后在所述硅层中在除了被注入杂质的区域之外的区域的顶表面上置放第一抗蚀剂； 从所述第一抗蚀剂和所述硅层上方注入形成电子或者空穴的杂质； 在注入所述杂质之后剥离所述第一抗蚀剂;并且 在被剥离了所述第一抗蚀剂的硅层的顶表面上置放另一个二氧化硅层。
【文档编号】G02B6/134GK105849606SQ201480070563
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月12日
【发明人】高桥森生
【申请人】日本电气株式会社