DE60100936T2

DE60100936T2 - Mehrschichtige integrierte vorrichtung und ein verfahren zur herstellung davon

Info

Publication number: DE60100936T2
Application number: DE60100936T
Authority: DE
Inventors: Moti Margalit; Meir Orenstein
Original assignee: Lambda Crossing Ltd
Current assignee: Lambda Crossing Ltd
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: WO2001081962A3; EP1248960B1; AU2001252522A1; EP1248960A2; IL151095A; US6504971B1; ATE251761T1; DE60100936D1; WO2001081962A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung befindet sich in dem Gebiet von planaren bzw. ebenen Lichtwellenschaltungen (PLC) und betrifft eine mehrschichtige integrierte optische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung davon.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Nachrichtentechnik ist die ermöglichende Technologie für das Informationszeitalter und das wesentliche Rückgrat für Weitstreckenkommunikation. Weil diese Technologie fortschreitet, gibt es ein großes Interesse, optische Strecken in den Kurzstrecken-, Regionalnetzen und Teilnehmeranschlussleitungen sowie in lokalen Netzwerken und Kabelfernsehnetzwerken bereitzustellen. In all diesen Netzwerken war die Beste sich vermehrende Lösung die Annahme des Wellenlängenmultiplexes(WDM), das die Aggregation vieler verschiedener Informations-tragender Lichtströme für die gleiche Lichtleitfaser zur Folge hat. Vorrichtungen, die fähig sind, auf einzelne Informationsströme zuzugreifen, sind in gegenwärtigen und zukünftigen Netzwerken grundlegend erforderlich. Diese Vorrichtungen können ebenfalls der Lichtleitfaser Informationsströme zusetzen sowie Informationen auf einen optischen bzw. Lichtstrom durch optische Modulation aufdrücken.
PLC Technologie ist bei der Bildung moderner optischer Elemente für Kommunikationssysteme zentral. Lichtwellenleiter und zusätzliche funktionelle Strukturen werden in einem planaren bzw. ebenen optischen transparenten Medium entsprechend dieser Technologie hergestellt, um den Lichtdurchgang zu leiten und Kopplung, Filterung, Schaltung und zusätzliche Verarbeitungsfunktionen zu implementieren, wie für optische Kommunikation erforderlich.
Vorhandene Beispiele von planaren bzw. ebenen Lichtwellenschaltungen umfassen optische Schalter und Modulatoren basierend auf dem Mach Zender Interferometer(MZI), bei dem eine Interferenz zwischen Phasen-kohärenten Lichtwellen erzeugt wird, die über verschiedene Weglängen befördert wurden; regelmäßig angeordnete Wellenleiterrouters(AWG), die zum Verbinden und Aufteilen bzw. Spreizen vielfacher optischer bzw. Lichtkanäle, nämlich Multiplexer und Demultiplexer, verwendet werden. Um jedoch eine gute Modulationsleistung mit dem MZI zu erreichen, wird das Letztere typischerweise mit langen Interferenzarmen ausgelegt. Als eine Folge ist diese Vorrichtung nicht Größen-effizient in ihrer Implementierung und begrenzt die Skalierungsfähigkeit komplexer optischer Schaltungen. Ein anderes Merkmal von Vorrichtungen vom MZI-Typ in ihren überwiegenden Implementierungen ist ihre Frequenzunempfindlichkeit über eine gewünschte Frequenzbandbreite. Als eine Folge können Vorrichtungen vom MZI-Typ nicht zum Wellenlängenrouting verwendet werden.
Eine wichtige Antriebskraft, die PLC Technologie vorantreibt, ist der Bedarf an verbesserter Funktionalität in dem optischen Bereich. Dieser Bedarf wird durch die Beschränkung der Wellenleitertechnologie vom Stand der Technik behindert, welche zweidimensional ist (d. h., Einfunktionsschichtarchitektur). Im Gegensatz zu den integrierten elektronischen Schaltungselementen sehr großen Maßstabs, bei denen Abmessungen der Grundelemente auf Submikrometergröße reduziert wurden, sind die PLC Schaltungselemente inhärent sehr viel größer, wobei dadurch die Nutzung von Mehrschichtarchitekturen sehr viel entscheidender ist als in der Elektronik.
Bei der Implementierung von PLC gibt es einen Widerspruch zwischen den Anforderungen der Kopplung an Lichtfasern und von Schaltungsgrößenreduktion. Eine Kopplung an Fasern wird am besten durch Verwendung von Wellenleitern mit Modalfeldern erhalten, die ähnlich sind zu den Fasernmoden mit einem kleinen Brechungsindexunterschied in Bezug auf das umgebende Medium. Die Funktionalität der optischen Schaltungen hängt von der Menge optischer Elemente in der Schaltung ab. Durch Verringern der Schaltungsgröße können mehr optische Elemente integriert werden und die erreichbare Funktionalität wird erhöht. Kleinere Abmessungen implizieren eine strengere Steuerung der optischen Mode und kleinere optische Moden, folglich einen hohen Indexkontrast zwischen Wellenleiterkern und umgebenden Medium. Es ist von grundlegender Wichtigkeit, ein Mittel zum Verbinden beider Elemente in einer funktionellen optischen Schaltung bereitzustellen.
Die Wichtigkeit des Verwendens der vertikalen Abmessungen beim Bilden komplexer optischer Schaltungen wurde erkannt und in der Vergangenheit angesprochen. Dies ist mit der Tatsache assoziiert, dass vertikale Herstellungstoleranzen besser sind als horizontale Herstellungstoleranzen und deshalb eine derartige vertikale integrierte optische Vorrichtung (Filter, Schalter, Modulator) einfacher oder billiger herzustellen ist. Optische Vorrichtungen, die diesen Zugang verwenden, sind zum Beispiel in dem Artikel „Vertically Coupled Glass Microring Resonator Channel Dropping Filters", B. E. Little et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 11, Nr. 2, Februar 1999 offenbart. Dieser Zugang ist zur Herstellung von optischen Schaltungen basierend auf Strukturen mit sehr verschiedenen Brechungsindices entscheidend, sodass der effektive Kopplungsbereich zwischen den Strukturen, z. B., Kopplung zwischen Wellenleitern und Ring-Mikroresonatoren, sehr klein ist. In diesem Fall kann die vertikale Abmessung, die bei herkömmlichen Prozessen leichter zu steuern ist, die Struktur zur genauen Kopplung vermitteln, wie in dem vorstehend erwähnten Verweis beschrieben.
Vor kurzem entwickelte integrierte elektro-optische Vorrichtungen verwenden Resonanzringe, um eine Frequenz-selektive Schaltung zu erreichen. Eine derartige Vorrichtung wird, zum Beispiel, in WO 99/17151 offenbart. Die Vorrichtung enthält einen Ringresonator, der durch lineare Wellenleiter zusammengeschaltet ist, um Licht aus einem ersten linearen Wellenleiter mit dem zweiten zu koppeln, wenn die Frequenz des Lichts, das durch den ersten Wellenleiter durchgeht, die des Resonanzzustands des Rings erfüllt. Durch Anlegen eines elektrischen Felds an den Ring können sein Brechungsindex und folglich sein Resonanzzustand wie gewünscht eingestellt werden, wobei dadurch der Durchgang des vorher gekoppelten Lichts verhindert wird, wobei die Vorrichtung deshalb als ein Schalter wirkt. Alternativ kann der Verlust des Ringwellenleiters geändert werden. Das Zufügen von Verlust zu dem Ring erniedrigt seinen Betrieb als ein Hohlraumresonator und Licht kann nicht von Wellenleiter zu Wellenleiter gekoppelt werden.
Um zwei oder mehr Schichten zusammengeschalteter Wellenleiter mit der Technik vom Stand der Technik zu bilden, muss ein Planarisierungsschritt durchgeführt werden. 1A–1D veranschaulichen aufeinanderfolgende Hauptschritte der Technik vom Stand der Technik, die zur Herstellung einer in 1E gezeigten, allgemein mit 10 bezeichneten Wellenleiterstruktur eingesetzt wird. Anfang wird eine Pufferschicht 12 aus SiO₂ auf einem Siliziumwafer 14 aufgebracht (1A). Dann wird eine Schicht 16 aus dotiertem SiO₂ mit einem höheren Brechungsindex (SiO₂+ Ge) im Vergleich zu dem der Pufferschicht 12 auf die Pufferschicht aufgebracht (1B). Diese Schicht 16 dient zur Bildung eines Kerns 16A des Lichtwellenleiters und seine Dicke liegt typischerweise in dem Bereich von 4–12 μm. Um den Wellenleiterkern 16A zu bilden (1C), werden der Wellenleiter sowie andere optische Strukturen unter. Verwendung von Photolithographie, gefolgt von Ätzen, maskiert. Eine dritte Schicht aus SiO₂ oder obere Hüllschicht 18 wird dann aufgebracht, um die geätzte Struktur abzudecken (1D).
Diese Schicht 18 erhält zu einigem Ausmaß die Topographie der darunter liegenden Struktur und fordert folglich eine Planarisierung, um zu erlauben, dass eine darüber liegende Wellenleiterstruktur aufgebracht wird. Eine Planarisierung kann durch chemisches mechanisches Polieren, Reflow-Techniken, Aufbringung einer sehr dicken Schicht, selektives Ätzen oder Aufbringungstechniken implementiert werden. Wie in 1F gezeigt kann nach Erreichen einer planaren bzw. ebenen oberen Schicht eine zweite Wellenleiterstruktur 20 über der Struktur 10 auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt werden.
Eine Planarisierung ist ein schwieriger Prozessschritt, der eine kostspielige Ausrüstung verwendet und schwierig ist, genau auf Wafer großer Fläche angewendet zu werden. Es wird deshalb wünschenswert sein, diesen Schritt bei der Herstellung mehrschichtiger Lichtwellenleiterstrukturen auszuschließen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht folglich ein Bedarf in dem Fachgebiet, die Herstellung einer dreidimensionalen (mehrschichtigen) integrierten optischen Vorrichtung durch Bereitstellung eines neuen Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung zu erleichtern, und an einer neuen integrierten optischen Vorrichtung basierend auf einer optischen Struktur, die verschiedene Materialsysteme einschließt. Eine derartige Vorrichtung kann ein optischer Frequenz-abhängiger Schalter, ein Modulator, ein optischer Add/Drop-Multiplexer(OADM), ein Spektralanalysator, ein Sensor etc. sein.
Die Hauptidee der vorliegenden Erfindung besteht aus dem Verwenden einer Wellenleiterdefinition auf mehreren Schichten, dem Ermöglichen, einen Wellenleiter niedrigen Kopplungsverlusts mit Wellenleitern hoher Beschränkung zu verbinden. Die vorliegende Erfindung öffnet neue Horizonte für die Funktionalität optischer Vorrichtungen unter Verwendung planarer Wellenleitertechnologie. Die vorliegende Erfindung stellt ein Herstellungsverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Wellenleiterstrukturen mit dreidimensionalen Zusammenschaltungen bereit. Zudem, weil erkannt wird, dass dreidimensionale Zusammenschaltungen zum Bilden hochdichter optischer Schaltungen auf Resonanzbasis entscheidend sind, stellt die Erfindung ein Herstellungsverfahren derartiger Vorrichtungen bereit.
Die Erfindung stellt die Herstellung dreidimensionaler optischer wellenleitender Strukturen durch einfache Verfahrensschritte bereit. Die Hauptinnovation betrifft hier den Ausschluss oder wenigstens die Erleichterung des Planarisierungsschrittes, der schwierig zu implementieren ist. Wie vorstehend gezeigt, ist eine Planarisierung erforderlich, um die Störungen in einer gegebenen Schicht zu überwinden, die durch vorher aufgebrachte Schichten verursacht werden. In der vorliegenden Erfindung minimiert die Annahme neuer Wellenleiterstrukturen die Störung und erleichtert eine Mehrebenenintegration lichtleitender Strukturen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird folglich ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Vorrichtung bereitgestellt, die eine Struktur enthält, die wenigstens ein wellenleitendes Element umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(i) Bilden einer Grundstruktur, die ein Substratmaterial enthält, das eine Puffermaterialschicht trägt, die mit einer Kernmaterialschicht mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zu dem der Pufferschicht bedeckt ist;
(ii) Definieren des wenigstens einen wellenleitenden Elements in einer Leitschicht auf der Grundstruktur, wobei die Leitschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex hergestellt ist, der höher als der Brechungsindex der Pufferschicht und der Kernschicht ist, und gewählt ist, um eine Höhe des wenigstens einen wellenleitenden Elements zu minimieren und eine effektive Lichtleitung in der Kernschicht bereitzustellen;
(iii) Bilden einer Hüllschicht auf einer Oberfläche einer in Schritt (ii) erhaltenen Struktur, wodurch ein Höhenunterschied zwischen einer Höhe des Hüllschichtbereichs über dem wenigstens einen wellenleitenden Element und einer Höhe des Hüllschichtbereichs außerhalb des wellenleitenden Elements im wesentlichen klein ist, wobei dadurch eine ausreichende Flachheit der Oberfläche der Hüllschicht bereitgestellt wird, um eine Bildung einer weiteren Wellenleiterstruktur darauf zu erlauben und eine signifikante Lichtausbreitungs-Abweichung bzw. Störung innerhalb der weiteren Wellenleiterstruktur zu verhindern.

Wenigstens ein Wellenleiterelement kann durch einen Steg mit dem Material mit hohem Index (im Vergleich zu der Pufferschicht) auf der Grundstruktur definiert werden. Alternativ kann dieses Wellenleiterelement ein Resonatorring (Resonanzhohlraumschleife) sein, wobei die weitere Wellenleiterstruktur in dem Fall ein weiteres wellenleitendes Element enthält, das auf der Hüllschicht durch Wiederholen der Schritte (i) und (ii) gebildet wird.
Es sollte klar sein, dass der hier verwendete Ausdruck „ausreichende Flachheit der Hüllschicht" eine Flachheit andeutet, die durch den Höhenunterschied der verschiedenen Bereiche der Hüllschicht (d. h., über dem wellenleitenden Element und außerhalb des wellenleitenden Elements) viel kleiner definiert ist, als die optische Modegröße eines weiteren wellenleitenden Elements.
Zum Beispiel kann der Höhenunterschied in der Ordnung von einigen Hundert Nanometern erhalten werden, wobei die optische Modegröße des weiteren, auf der Hüllschicht gebildeten Wellenleiters etwa einige Mikrometer ist. Der Höhenunterschied der Hüllschicht überschreitet typischerweise nicht die Höhe des wenigstens einen wellenleitenden Elements (d. h. die Dicke der Leitschicht), das von der Hüllschicht bedeckt ist.
Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten optischen Vorrichtung bereitgestellt, die wenigstens zwei vertikal ausgerichtete Wellenleiterstrukturen enthält, wobei jede wenigstens ein wellenleitendes Element einschließt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Bilden einer Grundstruktur, die ein Substrat enthält, das eine Pufferschicht trägt, die mit einer Kernmaterialschicht mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zu dem der Pufferschicht bedeckt ist;
(b) Definieren des wenigstens einen wellenleitenden Elements der unteren Wellenleiterstruktur in einer Leitschicht auf der Grundstruktur, wobei die Leitschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex hergestellt ist, der höher als der Brechungsindex der Pufferschicht und der Kernschicht ist, und gewählt ist, um eine Höhe des wenigstens einen wellenleitenden Elements zu minimieren und eine effektive Lichtleitung in der Kernschicht bereitzustellen; und
(c) Bilden einer oberen Hüllschicht auf einer in Schritt (b) erhaltenen Struktur, wodurch ein Höhenunterschied zwischen einer Höhe des Hüllschichtbereichs über dem wenigstens einen wellenleitenden Element und einer Höhe des Hüllschichtbereichs außerhalb des wellenleitenden Elements im wesentlichen klein ist, wobei dadurch eine ausreichende Flachheit der oberen Hüllschicht bereitgestellt wird, um die direkte Bildung der oberen Wellenleiterstruktur darauf zu erlauben;
(d) Bilden der oberen Wellenleiterstruktur auf der oberen Hüllschicht durch Aufbringen einer weiteren Pufferschicht und Wiederholen der Schritte (b) und (c) in Bezug auf eine weitere Leitschicht, wobei dadurch eine signifikante Lichtausbreitungs-Abweichung bzw. Störung innerhalb der oberen Wellenleiterstruktur verhindert wird.

Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte optische Vorrichtung bereitgestellt, die wenigstens eine Struktur mit wenigstens einem wellenleitenden Element enthält, wobei die Vorrichtung enthält:

– eine Grundstruktur, die ein Substratmaterial enthält, das eine Puffermaterialschicht trägt, die mit einer Kernmaterialschicht mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zu dem der Pufferschicht bedeckt ist;
– das wenigstens eine wellenleitende Element, das in einer Leitschicht über der Grundstruktur gebildet ist, wobei die Leitschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex hergestellt ist, der höher als der Brechungsindex der Pufferschicht und der Kernschicht ist, und gewählt ist, um eine Höhe des wenigstens einen wellenleitenden Elements zu minimieren und eine effektive Lichtleitung in der Kernschicht bereitzustellen;
– eine Hüllschicht auf einer Struktur mit dem wenigstens einen wellenleitenden Element, wobei ein Höhenunterschied zwischen einer Höhe des Hüllschichtbereichs über dem wenigstens einen wellenleitenden Element und einer Höhe des Hüllschichtbereichs außerhalb des wellenleitenden Elements im wesentlichen klein ist, wobei die obere Hüllschicht dadurch die gewünschte Flachheit aufweist.

Die Vorrichtung kann zusätzliche Wellenleiter und zusätzliche Schleifen-Resonatoren enthalten, die zusammen einige Frequenz-selektive Schalter bilden, wobei dadurch eine komplexe optische Signalschaltung und -routing bereitgestellt wird.
Weil optische bzw. Lichtwellenleiter auf komplexe Weisen implementiert werden können ist die Universalmenge, die das Verhalten des eingeschränkten Lichts kennzeichnet, der effektive Brechungsindex des Wellenleiters. In herkömmlichen Vorrichtungen ist der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des Wellenleiters und dem Index des umgebenden Mediums typischerweise kleiner als 1%. Wenn Ring-Mikroresonatorstrukturen verwendet werden, muss der effektive Brechungsindex des Ringwellenleiters groß, d. h. typischerweise größer als 20%, sein, um eine strenge Modeeinschränkung und kleine Verluste anzupassen. In diesen Strukturen sind jedoch der effektive Index des Ringwellenleiters und der lineare Wellenleiter ähnlich bis zu innerhalb einiger Prozente (z. B., etwa 3%). Die vorliegende Erfindung stellt die Verwendung einiger (wenigstens zweier) Ringresonatoren (Ringwellenleitern) in einer integrierten optischen Vorrichtung bereit, wobei der Brechungsindex des Ringwellenleiters dadurch im wesentlichen größer (z. B., 20% größer) als der Brechungsindex des linearen Wellenleiters ist, der ein Eingangssignal empfängt.
In einem optischen Komplex Filter/Resonator gemäß der Erfindung werden Wellenleiterabschnitte mit Ringresonatoren in einer Konfiguration spezifisch verbunden, die eine Realisierung optischer Schaltung, Wellenlängenrouting, optischer Filterung etc. ermöglicht. Die Vorrichtung kann ebenfalls eine Vielzahl derartiger Filter in einem Wellenroutermodul vereinigen.
Moderne optische Kommunikationen basieren typischerweise auf dem Übertragen Frequenzgemultiplexter, optischer Signale durch eine optische Faser bzw. Lichtfaser. Der OADM ist fähig, optische Kanäle bzw. Lichtkanäle zu einer Lichtfaser zuzufügen oder von ihr abzugeben und ist ein wesentliches Element in modernen optischen Kommunikationen. In der vorliegenden Erfindung basiert der OADM auf einer Kombination abstimmbarer Filter, die die Add- oder die Drop-Multiplexfunktionen bereitstellen. Weil OADMs strenge Kriterien bei ihrem Filtern erfüllen müssen, ist jeder Filter ein optischer Filter und durch Parallelverbinden von ihnen werden Filter hoher Ordnung erhalten.
Im allgemeinen können die Resonanzhohlraum-Schleifen (Ringresonatoren) durch irgendeine andere Implementierung eines Frequenz-selektiven Elements ersetzt werden, das zwischen den zwei Wellenleiter-Abschnitten koppeln kann. Zum Beispiel können optische Gitter verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die Erfindung zu verstehen und um zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt werden kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform nur mittels eines nicht-einschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1A bis 1F die Technik vom Stand der Technik zur Herstellung einer Wellenleiterstruktur veranschaulichen;
2A und 2B die Steghohlleiterstruktur vom Stand der Technik, die in 2A gezeigt ist, mit der der vorliegenden Erfindung vergleichen, die in 2B gezeigt ist.
3A und 3B Modeprofile von jeweils einem Standardwellenleiter vom Stand der Technik und einem Steghohlleiter vom Stand der Technik veranschaulichen;
3C ein Modeprofil eines Steghohlleiters gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine Strukturdefinition eines mit einem Ringresonator gekoppelten Steghohlleiters veranschaulicht, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;
5A bis 5E Hauptherstellungsschritte des zur Herstellung der Struktur von 4 verwendeten Verfahrens veranschaulichen;
6 eine Strukturdefinition eines optischen Kopplers eines zweischichtigen Steghohlleiters veranschaulicht, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;
7A bis 7E Hauptherstellungsschritte des zur Herstellung der Struktur von 6 verwendeten Verfahrens veranschaulichen;
8 eine Strukturdefinition eines mit einem Wellenleitern mit niedrigem Indexunterschied gekoppelten Ringresonators veranschaulicht, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;
9A bis 9E Hauptherstellungsschritte des zur Herstellung der Struktur von 8 verwendeten Verfahrens veranschaulichen;
10A bis 10C einen Filter auf Ringresonatorbasis eines, zweier bzw. dreier Ringen veranschaulichen, der durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden kann;
11 die optische Spektralempfindlichkeit bzw. -antwort der Filter auf Ringresonatorbasis von 10A–10C;
12A bzw. 12B Hauptkonstruktionsmerkmale bzw. Hauptfunktionsmerkmale eines optischen Einkanal-Add/Drop-Multiplexer (OADM) gemäß der Erfindung veranschaulichen;
13 einen Add/Drop-Multiplexer mit vier Ports bzw. Anschlüssen gemäß der Erfindung veranschaulicht;
14 ein Beispiel der Integration von Schaltern und Add/Drop-Filtern für Schalt-fähige Filter veranschaulicht;
15A und 15B die Konstruktion und Betriebsprinzipien eines Interleave-Filters veranschaulichen;
16A und 16B die Konstruktion und Betriebsprinzipien eines Einkanaltrennelements (Filter) gemäß der Erfindung unter Verwendung von mit linearen Wellenleitern gekoppelten Ringresonatoren veranschaulichen;
17 einen Spektralanalysefilter gemäß der Erfindung veranschaulicht;
18 einen Tap-Koppler und ein Spektralanalysesystem unter Verwendung des Spektralanalysefilters von 17 veranschaulicht;
19 einen Spektrumanalysator gemäß der Erfindung unter Verwendung einiger Spektralanalysefilters von 17 veranschaulicht; und
20A und 20B die Konstruktion und Betriebsprinzipien einer Sensorvorrichtung unter Verwendung eines Umwelt-empfindlichen Filters gemäß der Erfindung veranschaulichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1A–1D veranschaulichen die Hauptprinzipien der Technik vom Stand der Technik, die zur Herstellung der Wellenleiterstruktur 10 angewendet werden, die in 1E gezeigt ist. 1F veranschaulicht die Herstellung der weiteren Struktur 20 auf der Struktur 10, um eine dreidimensionale integrierte optische Vorrichtung zu erhalten. Diese Technik wird unvermeidlich eine Planarisierungsprozedur erfordern, die auf die oberste Schicht der ersten Struktur 10 angewendet werden muss, um eine Abscheidung auf der zweiten Struktur 20 darauf zu erlauben.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B wird eine Steghohl- bzw. Stegwellenleiterstruktur WS₁ vom Stand der Technik (2A) mit einer Wellenleiterstruktur WS₂ der vorliegenden Erfindung (2B) verglichen. Gemäß den Techniken vom Stand der Technik wurde ein Steg 202 aus einer Kernmaterial-Schicht 1 gemustert, die dielektrisch oder ein Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex ist, der größer ist als der der darunter liegenden Pufferschicht (SiO₂). Die Brechungsindices von Schicht 1 und der darunter liegenden Pufferschicht können zum Beispiel 1,475 bzw. 1,46 sein. Als eine Folge muss die Höhe des Stegs 202 ein wesentlicher Prozentsatz der Höhe eines wellenleitenden Elements (z. B., ein 3 μm Steg des wellenleitenden Elements von insgesamt 6 μm) sein.
Wie in 2B gezeigt, wird gemäß der Technik der vorliegenden Erfindung eine dünne Schicht aus einem unterschiedlichen Material (Dielektrikum oder Halbleiter) auf einer Schicht 201 (Schicht 1) aufgebracht und wird zur Herstellung eines Stegs 203 mit einer verminderten Höhe verwendet. Der resultierende Stegteil des Wellenleiters ist in die vertikalen Abmessungen viel dünner als der Stegteil des Steghohl- bzw. Stehwellenleiters vom Stand der Technik.
3A–3C veranschaulichen die Modeprofile (optische Felder) drei unterschiedlicher Lichtleitstrukturen. 3A zeigt die optische Mode der Wellenleiterstruktur 10 vom Stand der Technik, die in 1E gezeigt ist, 3B zeigt die optische Mode der Wellenleiterstruktur WS₁ vom Stand der Technik, die in 2A gezeigt ist und 3C zeigt die Mode der Wellenleiterstruktur WS₂ der vorliegenden Erfindung, die in 2B gezeigt ist. Das resultierende Modeprofil ist in allen Fällen an optische Faserkopplung adaptierbar und kann folglich in integrierten optischen Schaltungen verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 4 und 5A–5E ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 4 zeigt eine integrierte optische Vorrichtung 30, die aus einem Steghohl- bzw. Stehwellenleiter 32 gebildet ist, der mit einem Ringresonator 34 optisch gekoppelt ist. Steghohl- bzw. Stehwellenleiter werden im allgemeinen in Lichtwellenleitern auf Halbleiterbasis verwendet, während sie in Wellenleitern auf Siliziumdioxidbasis weniger alltäglich sind. Die integrierte optische Vorrichtung 30 kann als ein Filter bei Signalverarbeitungsanwendungen verwendet werden. Schließlich wird typischerweise die Kopplung zwischen dem Ringresonator 34 und einem Paar Wellenleitern mit abgedeckten Kanal bereitgestellt, wobei nur die untere abgedeckte Schicht in 4 gezeigt ist. Die abgedeckten Kanäle dienen als Ein-/Ausgang-Busleitvorrichtungen, während der Ring als das Frequenzselektive Element arbeitet. Bei der Resonanz kann Leistung im wesentlichen von dem Eingangsanschluss bzw. -Port zu dem Drop-Port übertragen werden.
In dem vorliegenden Beispiel werden Bodenschichtwellenleiter als abgedeckte Steghohl- bzw. Stehwellenleiter realisiert, wobei das Stegmaterial als Material mit hohem Index gewählt wird.
5A–5E veranschaulichen die Hauptherstellungsschritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung, das zur Herstellung der Strukturdefinition 30 verwendet wird. 5A zeigt eine Anfangsstruktur 35, die durch Aufbringung einer Pufferschicht 36 einer Dicke von etwa 10 μm auf ein Substrat 38 (im allgemeinen Siliziumdioxid über Silizium) und Aufbringung einer Schicht 39 aus dotiertem SiO₂, z. B., (SiO₂ + Ge) auf der Pufferschicht 36 erhalten wird. Die Schicht 39 weist einen Brechungsindex auf, der höher ist als der der Pufferschicht 36 (z. B., 1,475 von Schicht 39 im Vergleich zu 1,46 von Pufferschicht 36). Die Aufbringung kann durch PECVD, LPCVD oder eine andere Art sein).
Dann wird eine Dielektrikum- oder Halbleiterschicht 40 mit einem höheren Brechungsindex (z. B., in dem Bereich von 1,51–2,00) im Vergleich zu dem der Pufferschicht 36 auf die obere Oberfläche der Schicht 39 aufgebracht (5B). Spezifische Beispiele eines derartigen Dielektrikummaterials umfassen Silikon-OxyNitrid, dotiertes SiO₂, Ta₂O₅, Polysilizium, amorphes Silizium, Y₂O₃(Yttriumoxid), sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Dicke dieser Leitschicht 40, in der ein Steg 42 gebildet wird, hängt von dem Unterschied in den Brechungsindices der Dielektrikum- und Pufferschichten ab. In einem weiteren Herstellungsschritt (5C) wird der Steg 42 in der Schicht 40 gebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Dielektrikum- oder Halbleitermaterial mit hohem Brechungsindex verwendet, um den Steg zu bilden. Die Höhe des Stegs wird derart ausgelegt, dass die vereinigte Abweichung bzw. Störung nach Aufbringung der nächsten Hüllschicht typischerweise kleiner als 200 nm ist.
Um den Steg 42 zu bilden, wird das Stegmaterial 40 (Dielektrikum oder Halbleiter) durch Photolackmaterial bedeckt (nicht gezeigt), die Wellenleiterumgebungen sind freigelegt und ein Ätzen wird ausgeführt, um den(die) Steg(e) für den(die) Wellenleiter zu definieren. Es sollte jedoch klar sein, dass diese Schritte durch eine Lift-off-Prozedur ersetzt werden kann, bei der zuerst der Photolack aufgetragen wird und die Wellenleiterstruktur freigelegt wird, und dann das Stegmaterial aufgebracht wird.
Danach wird eine weitere Puffer-(dienend als eine Hüll-) Schicht 44 aufgebracht (5D), die aus der gleichen Zusammensetzung wie die erste Pufferschicht 36 sein kann. Ein Höhenunterschied Δh der Höhe eines Bereichs von Schicht 44 über dem Steg 42 und eines Bereichs von Schicht 44 außerhalb des Stegs 42 (4) ist klein, typischerweise gleich oder weniger als die Höhe des Stegs (z. B., weniger als 200 nm). Dieser Schritt führt deshalb dazu, dass die obere Schicht 44 zu weniger als 200 nm planiert ist, was für die direkte Bildung einer zusätzlichen Wellenleiterstruktur, d. h. Dielektrikumringresonatoren 34 in dem vorliegenden Beispiel (wobei nur ein derartiger Resonator hier gezeigt ist), geeignet ist. Schließlich wird ein Dielektrikum- oder Halbleitermaterial mit hohem Index aufgebracht (wie beispielsweise Si₃N₄, Ta₂O₅, Si) und eine Maskierung der Ringstruktur 34 wird durch Photolithographie ausgeführt. Dann wird die Ringstruktur anisotropen Ätzen unterzogen. Schließlich wird eine weitere abdeckende Schicht 46 aufgebracht, die im allgemeinen die gleiche Zusammensetzung wie die Pufferschicht 36 (d. h. SiO₂) aufweist. Dadurch werden bedeutende Liehtfortpflanzungsstörungen bzw. -abweichungen in der zusätzlichen wellenleitenden Struktur verhindert.
Es wird nun auf 6 und 7A–7E Bezug genommen, die einen dreidimensionalen optischen Koppler 50, der durch eine Kombination einer Überlagerungsschicht mit einer Wellenleiterstruktur gebildet wird (6) und die Hauptherstellungsschritte bei einem Verfahren zu seiner Herstellung (7A–7E) veranschaulichen. Um das Verständnis zu erleichtern werden die gleichen Bezugszeichen zum Identifizieren jener Strukturelemente verwendet, die in den Beispielen von 5A–5E und 7A–7E gleich sind.
7A–7D zeigen Herstellungsschritte, die ähnlich sind zu jenen von 5A–5D. Die Dielektrikum- oder Halbleiterschicht 40 wird nämlich auf der Stapelstruktur 35 aufgebracht, die aus der Substratschicht 38(Si), Pufferschicht 36(SiO₂) und dotierter Siliziumschicht 39 (SiO₂+ Ge) gebildet ist. Die Leitschicht 40 weist einen höheren Brechungsindex (z. B., in dem Bereich von 1,51–2,00) im Vergleich zu dem Brechungsindex der Pufferschicht 36 auf, wobei die Dicke der Schicht von dem Brechungsindexunterschied abhängt. Diese Leitschicht kann aus Silikon – OxyNitrid, dotiertem SiO₂, Ta₂O₅, YO(Yttriumoxid) gebildet werden. Dann wird der Steg 42 in der Schicht 40 mit hohem Brechungsindex gebildet (5C) und die Pufferschicht 44 wird auf der Außenoberfläche der so-erhaltenen Struktur aufgebracht (5D).
Bei weiteren Herstellungsschritten werden die folgenden Prozeduren ausgeführt: Eine weitere dotierte Siliziumschicht 48(SiO₂+ Ge) und Dielektrikumschicht 49 werden aufeinanderfolgend aufgebracht. Die Dielektikumschicht weist entweder einen leicht höheren Brechungsindex als die Pufferschicht (z. B., Silikon OxyNitrid, dotiertes SiO₂, Ta₂O₅, YO) oder einen viel größeren Brechungsindex (z. B., Si₃N₄ mit einem Brechungsindex, der 2,00 ist) auf. Photolithographie und Ätzen werden aufeinanderfolgend zum Maskieren bzw. Definieren eines Wellenleiters 52 angewendet. Schließlich wird eine abdeckende Schicht 54(z. B., SiO₂) aufgebracht.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung betrifft hauptsächlich die Kopplung der Wellenleiter und Ringresonatoren. Gemäß dieser Technik werden die Ringstrukturen zuerst hergestellt (die aufgrund ihres hohen Brechungsindex relativ dünn sind) und dann werden die regulären bzw. regelmäßigen Wellenleiter in der Überdeckungsstruktur definiert. Durch Verwendung relativ breiter Wellenleiter mit einem kleinen Brechungsindexunterschied kann eine höhere Toleranz gegenüber potentiellen Störungen bzw. Abweichungen in der Wellenleiterstruktur als eine Folge der restlichen Störungen bzw. Abweichungen der unterliegenden Ringstruktur erreicht werden.
Der vorstehende Zugang ist in 8 und 9A–9E beispielhaft ausgeführt, wobei 8 eine vollständige Struktur 60, veranschaulicht, die durch aufeinanderfolgendes Ausführen der Schritte hergestellt wird, die in 9A–9E gezeigt sind.
Anfangs wird eine Pufferschicht 36 auf einem Substrat 38(im allgemeinen Siliziumdioxid über Silizium) unter Verwendung von PECVD, HPCVD oder andere Aufbringungsverfahren aufgebracht. Auf der Pufferschicht 38 wird eine dielektrische Schicht 40 mit einem viel höheren Brechungsindex (z. B., Si₃N₄) aufgebracht. Die Dicke der Leitschicht 40 hängt von dem Brechungsindexunterschied ab, kann aber einige hundert Nanometer sein.
Eine Photolithographie wird durchgeführt, um die Wellenleiter der Ringstrukturen 34 zu maskieren und anistropes Ätzen wird angewendet, um die Wellenleiter für die Ringstrukturen zu definieren (9C).
Danach werden eine SiO₂ Pufferschicht und ein Dielektrikum 64 mit leicht höherem Brechungsindex (z. B., in dem Bereich von 1,48–1,51) als der der SiO₂-Schicht aufeinanderfolgend aufgebracht. Dieses Dielektrikummaterial kann zum Beispiel Silikon, OxyNitrid oder SiO₂ mit einer Ge- oder anderen Dotierung sein. Dann werden die Aufbringung eines Photolackmaterial (nicht gezeigt) und anschließende Freilegung und Entwicklung durchgeführt, um die Wellenleiter 68 zu definieren. Durch Durchführen eines anisotropen Ätzens der Leitschicht werden die Wellenleiter definiert. Eine weitere obere Hüllschicht 66 aus SiO₂ wird auf der so-erhaltenen Struktur aufgebracht (9E), um die Herstellung einer weiteren Schichtarchitektur der gesamten Struktur 60 zu ermöglichen (8).
Die Folgenden sind einige mögliche Beispiele integrierter optischer Vorrichtungen, die durch die vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden können. Es sollte klar sein, dass alle durch die erfindungsgemäße Technik hergestellten Vorrichtungen, obwohl nicht speziell in den Figuren gezeigt, durch Ändern der Vorrichtungstemperatur unter Verwendung des thermooptischen Effekts abgestimmt oder geschaltet werden können. Dies kann durch Aufbringen von Mikroresistoren (die aus Cr, Ni-Cr, PolySilikon, etc. hergestellt sind) auf die Mehrschicht-Strukturen und Anlegen von elektrischen Strom an die Mikroresistoren implementiert werden.
10A–10C veranschaulichen Filter auf Ringresonatorbasis mit jeweils einem, zwei und drei Ringen. Wie gezeigt, sind ein oder mehrere Ringwellenleiter zwischen zwei linearen Wellenleitern untergebracht, wobei jeder Ringwellenleiter mit den linearen Wellenleitern optisch gekoppelt ist. Jeder Ringwellenleiter ist ein optischer Filter und durch Paralellkombinieren von ihnen, können Filter hoher Ordnung erhalten werden. Die Beispiele von 10B und 10C stellen eine Kombination von zwei beabstandeten linearen Wellenleitern bzw. zwei oder drei beabstandeten Resonsanzhohlraumschleifen dar. Die Resonanzhohlraumschleifen werden zwischen den zwei linearen Wellenleitern untergebracht und sind miteinander durch Abschnitte der linearen Wellenleiter verbunden, sodass wenigstens zwei beabstandete Resonanzhohlraumschleifen und die Wellenleiterabschnitte einen geschlossenen Schleifenverbundresonator zum Speichern optischer Energie eines vorbestimmten Frequenzbereichs bilden. Die physikalischen Eigenschaften des Verbundresonators sind zur Einstellung der optischen Speichereigenschaften des Verbundresonators (durch ein externes Feld) steuerbar.
11 veranschaulicht die optische Spektralempfindlichkeit bzw. -antwort der Filter auf Ringresonatorbasis. Graphische Darstellungen G₁, G₂ und G₃ entsprechen jeweils Ein-, Zweiund Dreiringfiltern.
Optischer Add/Drop-Multiplexer
12A bzw. 12B veranschaulichen Hauptkonstruktionsmerkmale bzw. Hauptfunktionsmerkmale eines Einkanal-OADM (Optical Add Drop Multiplexer), der allgemein mit 70 gekennzeichnet ist. Der OADM 70 ist aus zwei Verbundresonatoren 72 und 74 zusammengesetzt, wobei jeder wie vorstehend beschrieben konstruiert ist, nämlich zwei Ringresonatoren umfassend, die zwischen zwei linearen Wellenleitern untergebracht und mit ihnen verbunden sind. Hier ist jeder Ringresonator ein optischer Filter und durch Parallelkombinieren von ihnen können Filter hoher Ordnung erhalten werden. Der Drop-Port (Filter) wird unter Verwendung eines Doppelfilterdurchgangs implementiert, während der Add-Port durch einen einzigen Filter erhalten wird.
13 veranschaulicht einen Add/Drop-Multiplexer mit vier Ports. Hier werden OADMs mit mehreren Kanälen durch in Kaskade schalten der Strukturen von 12A–12B erhalten. In einem wirklichen System werden vier Blöcke D von vier Blöcken A gefolgt.
14 veranschaulicht ein Beispiel der Integration von Schaltern und Add/Drop-Filtern für schaltbare Filter. Hier werden optische Schalter zugefügt, um den OADM auf Ringbasis in den optischen Weg bzw. Lichtweg einzufügen oder herauszunehmen, um einen störfreien Betrieb zu erlauben – wobei die Durchgangskanäle nicht gestört werden, während die OADM Filter abgestimmt werden.
Zwischengelegte bzw. Interleaved Filter
Interleave-Filter werden typischerweise verwendet, um einen dichten Kanalabstand in optischen Kommunikationssystemen zu erreichen. Wie in 15A gezeigt, nimmt ein derartiger Filter ein Eingangssignal an, das aus optischen Kanälen mit einem kleinen Frequenzabstand zusammengesetzt ist, und verteilt die Eingangskanäle unter Ausgangswellenleitern in einer kreisförmigen Funktion. Die Spektralfunktionlität dieser interleaved Filter ist in 15B gezeigt. Die Ausgangsfrequenzen weisen einen breiteren Frequenzabstand auf, der zu breiteren Toleranzen der optischen Elemente führt. Interleaved Filter sind kritische Elemente zum Erreichen sehr dichter Frequenz-beabstandeter optischer Kanäle.
Ringresonatoren sind ideale Kandidaten zur Implementierung eines Interleave-Filters in einer ebenen Lichtwellenschaltung. Eine besondere Ausführungsform wird durch Verwenden eines Ringresonators mit einem FSR (free spectral range) erhalten, der zu dem gewünschten Ausgangsfrequenzabstand gleich ist. FSR ist die Frequenz, bei der der Gang bzw. Antwort eines optischen Filters sich selbst wiederholt.
16A veranschaulicht ein Einkanaltrennelement(Filter), das Ringresonatoren verwendet, die mit linearen Wellenleitern optisch verbunden sind. Wie in 16B gezeigt, kann durch Kombinieren vierer Einstufenfilter(SSF) von 16A der interleaved Filter von 15A erhalten werden.
Optischer Spektrumanalysator
Die Echtzeitüberwachung optischer Netzwerke stellt die folgenden Herausforderungen an Spektralanalysesysteme auf: Hohe Auflösung; kurze Spektrumerfassungszeit; geringe Kosten; geringer Verlust auf der optischen Verbindung; und geringe Größe. Bei Standardspektrumanalysatoren, bei denen das Wellenlängentrennelement auf Gittern basiert, impliziert eine hohe Auflösung eine größere Größe und höhere Kosten. Eine Alternative wird sein, abstimmbare Filter zu verwenden, um über das optische Spektrum von Interesse zu scannen. Vorhandene abstimmbare Filter sind jedoch in ihrer Fähigkeit eingeschränkt, die erforderliche Auflösung bereitzustellen.
Die Technik der vorliegenden Erfindung stellt eine Herstellung einer optischen Verbundringresonatorstruktur hoher Güte bereit, die als ein Filter betreibbar ist, der zur Analyse optischer Spektren verwendet wird.
17 veranschaulicht einen Spektralanalysefilter 80, der mit einem Detektor 82 assoziiert ist. Der Filter 80 enthält zwei Verbundresonatoren 80A und 80B, die durch einen gemeinsamen linearen Wellenleiter W₂ parallel geschaltet sind und als eine optische Verbundringresonatorstruktur hoher Güte dient. Der lineare Ausgangswellenleiter W₃ der Struktur ist mit dem Detektor 82 verbunden. Die Güte des Filters wird durch den Kopplungsfaktor bestimmt, der die Menge an Licht beschreibt, die an jedem Umlauf in dem Filter gekoppelt ist. Der Güte-Faktor wird ebenfalls durch die optischen Verluste in dem Hohlraum und in dem Ringradius bestimmt.
18 veranschaulicht einen Tap-Koppler und ein Spektralanalysesystem, im allgemeinen mit 90 bezeichnet, die die Kombination des Spektralanalysefilters 80 und Detektors 82 verwenden. Der Filter 80 ist durch einen Koppler 86 mit einem optischen Netzwerk (Zwischenelement) 84 verbunden, der eine kleine Menge an Licht anzapft, wobei dadurch die Verluste minimiert werden, die in dem optischen Zwischenelement entstehen.
19 veranschaulicht einen Spektrumanalysator 100, der mehrere Spektralanalysefilter verwendet – drei derartiger Filter 110A, 110B und 110C in dem vorliegenden Beispiel, die durch einen gemeinsamen linearen Eingangswellenleiter W₁ parallel verwendet werden. Jeder Filter weist im Vergleich zu den anderen einen verschiedenen Radius auf und ist deshalb in der Lage, eine Spektralanalyse an einem verschiedenen Abschnitt des Kommunikationsspektrums auszuführen. Dieses Merkmal ist mit zwei Problemen assoziiert, die beim Verwenden von Ringresonatoren auftreten können, nämlich eingeschränkten Abstimmbereich und eingeschränkter FSR, die dazu führen, dass ein unterschiedlicher Zugang angenommen werden muss, um über ein breites Spektrum zu scannen. Zudem stellt dieser parallele Zugang eine Reduzierung der Scanzeit bereit, die erforderlich ist, um alle Frequenzkanäle des Kommunikationsspektrums zugänglich zu machen.
Sensor
Ein optischer Filter hoher Güte kann als ein sehr empfindlicher Sensor für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise ein biologischer, mechanischer oder Temperatursensor. Schließlich, hängen die Filtercharakteristiken von dem externen, zu messenden Element ab. 20A veranschaulicht eine Sensorvorrichtung 200, die einen umgebungssensitiven Filter 210 enthält, der wie der vorstehend beschriebene Verbundresonator konstruiert ist, der mit einem Laser 212 und einem Detektor 214 durch seine Eingangs- bzw. Ausgangswellenleiter W₁ bzw. W₂ verbunden ist. Eine derartige optische Filterstruktur hoher Güte wird als ein Sensor verwendet, der für verschiedene Anwendungen geeignet ist, wie beispielsweise ein biologischer, mechanischer oder Temperatursensor. Das ist aufgrund der Tatsache, dass die Filtercharakteristiken von dem externen, zu messenden Element abhängen. 20B zeigt die Resultate des Abstimmens des Lasers 22 auf den Rand bzw. die Kante des Filters 210. Allgemein gesagt ändert das Umgebungselement die Resonanzfrequenz des Filters, was zu einer Änderung der optischen Leistung an dem Detektor führt. Mit genauer Kalibrierung kann diese Vorrichtung verwendet werden, um verschiedene physikalische, mechanische oder biologische Umweltänderungen zu messen oder zu überwachen.
Dem Fachmann wird sofort klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können, wie hier vorstehend beispielhaft beschrieben, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen, der in und durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Vorrichtung, die eine Struktur enthält, die wenigstens ein wellenleitendes Element umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (iv) Bereitstellen einer Grundstruktur, die ein Substratmaterial rund eine Puffermaterialschicht auf der Oberfläche des Substrats enthält; (v) Bereitstellen des wenigstens einen wellenleitenden Elements, wobei das wellenleitende Element aus einem Leitmaterial mit einem Brechungsindex hergestellt ist, der höher als der Brechungsindex der Pufferschicht ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass (vi) eine Kernmaterialschicht, die einen Brechungsindex aufweist, der höher als der der Pufferschicht und kleiner als der der Leitschicht ist, auf einer Oberfläche der Pufferschicht zum Tragen des wenigstens einen wellenleitenden Elements auf dessen Oberfläche aufgebracht wird; (vii) das wenigstens eine wellenleitende Element durch Mustern der Leitschicht auf der Kernmaterialschicht gebildet wird, wobei das Leitmaterial ausgewählt ist, einen Brechungsindex aufzuweisen, der höher als der Brechungsindex der Kernschicht ist, wobei es dadurch erlaubt, eine Höhe des wenigstens einen wellenleitenden Elements zu minimieren und eine effektive Lichtleitung in der Kernschicht bereitzustellen; (viii) eine Hüllschicht auf einer Oberfläche einer in Schritt (iv) erhaltenen Struktur gebildet wird, wodurch ein Höhenunterschied zwischen einer Höhe des Hüllschichtbereichs über dem wenigstens einen wellenleitenden Element und einer Höhe des Hüllschichtbereichs außerhalb des wellenleitenden Elements wesentlich verkleinert wird, wobei dadurch eine ausreichende Flachheit der Oberfläche der Hüllschicht bereitgestellt wird, um eine direkte Bildung einer weiteren Wellenleiterstruktur darauf zu erlauben und eine signifikante Lichtausbreitungs-Abweichung bzw. Störung innerhalb der weiteren Wellenleiterstruktur zu verhindern.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Höhenunterschied in der Ordnung von einigen Hundert Nanometern ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Höhenunterschied eine Dicke der Leitschicht nicht wesentlich überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem eine Dicke der Leitschicht 200 nm nicht wesentlich überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Leitschicht ein Dielektrikum oder Halbleiter ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Kernmaterial dotiertes, auf der Oberfläche der Grundstruktur gebildetes SiO₂ ist, die SiO₂ und Si einschließt, und die Leitschicht aus wenigstens einem Material aus der folgenden Liste hergestellt wird: Silikon-Oxynitrid, dotiertes SiO₂, Ta₂O₅, Polysilizium, amorphes Silizium und Y₂O₃(Yttriumoxid).
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine wellenleitende Element jeder Wellenleiterstruktur in der Form eines Steghohlleiters ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Bildung des wenigstens einen wellenleitenden Elements die folgenden Schritte umfasst: – Aufbringen des Leitschichtmaterials mit dem höheren Brechungsindex auf die Außenoberfläche der Kernmaterialschicht, wobei das Leitschichtmaterial ein Dielektrikum oder Halbleiter ist; – Aufbringen eines Photolackmaterials auf das Leitschichtmaterial mit dem höheren Brechungsindex; – selektives Belichten des Photolacks, um eine Stelle für das wenigstens eine wellenleitende Element zu definieren; und – Anwenden von Ätzen, um das wenigstens eine wellenleitende Element zu definieren.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem dem die Bildung des wenigstens einen wellenleitenden Elements die folgenden Schritte umfasst: – Auftragen einer Photolackschicht auf die Oberfläche der Kernmaterialschicht; – selektives Belichten des Photolacks, um eine Stelle für das wenigstens eine wellenleitende Element zu definieren; und – Ausbringen des Leitmaterials mit dem höheren Brechungsindex, wobei das Leitmaterial ein Dielektrikum oder Halbleiter ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Schicht aus dotiertem SiO₂ Germanium (SiO₂ + Ge) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin die Schritte umfasst: – Bilden der weiteren Wellenleiterstruktur auf einer in Schritt (v) erhaltenen Struktur.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die Bildung der weiteren Wellenleiterstruktur die Schritte umfasst: – Ausbringen einer zusätzlichen Pufferschicht auf der Oberfläche der in Schritt (v) erhaltenen Struktur; – Ausbringen einer zusätzlichen Kernmaterialschicht mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zu dem der zusätzlichen Pufferschicht auf der Oberfläche der zusätzlichen Pufferschicht – Bilden wenigstens eines wellenleitenden Elements auf der weiteren Wellenleiterstruktur durch Mustern einer zusätzlichen, auf der Oberfläche der zusätzlichen Kernmaterialschicht aufgebrachten Leitschicht, wobei die zusätzliche Leitschicht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als die Brechungsindices der zusätzlichen Pufferschicht und zusätzlichen Kernmaterialschicht hergestellt wird, sodass die zusätzliche Leitschicht im wesentlichen dünn ist; und – Bilden einer weiteren Hüllschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das wenigstens eine wellenleitende Element der unteren Wellenleiterstruktur ein Steghohlleiter ist und das wenigstens eine wellenleitende Element der weiteren Wellenleiterstruktur ein Ringresonator ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das wenigstens eine wellenleitende Element der unteren Wellenleiterstruktur ein Ringresonator ist und das wenigstens eine wellenleitende Element der weiteren Wellenleiterstruktur ein Steghohlleiter ist.
Integrierte optische Vorrichtung, die wenigstens eine Struktur enthält, die wenigstens ein wellenleitendes Element aufweist, wobei die Vorrichtung enthält: – eine Grundstruktur mit einem Substratmaterial und einer Puffermaterialschicht auf einer Oberfläche des Substrats; und – das wenigstens eine wellenleitende Element, das von der Grundstruktur getragen wird; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass: – eine Kernmaterialschicht mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zu dem der Pufferschicht zwischen der Pufferschicht und dem wenigstens einen wellenleitenden Element angeordnet ist; – das wenigstens eine wellenleitende Element aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als die Brechungsindices der Pufferschicht und der Kernschicht hergestellt ist, um dadurch eine Höhe des wenigstens einen wellenleitenden Elements zu minimieren und eine effektive Lichtleitung in der Kernschicht bereitzustellen; – eine Hüllschicht auf der Oberfläche einer Struktur mit dem wenigstens einen wellenleitenden Element gebildet ist, wodurch ein Höhenunterschied zwischen einer Höhe des Hüllschichtbereichs über dem wenigstens einen wellenleitenden Element und einer Höhe des Hüllschichtbereichs außerhalb des wellenleitenden Elements wesentlich verkleinert wird, wobei die Hüllschicht dadurch die gewünschte Flachheit aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, die als ein optischer Frequenz-abhängiger Schalter betreibbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, die als ein optisch abstimmbarer Filter betreibbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, die als ein OADM (optischer Add/Drop-Multiplexer) betreibbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, die als ein Spektralanalysator betreibbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, die als ein Sensor betreibbar ist.