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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Feld der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf optische Multiplexer, basierend auf Mikroherstellungstechnik oder
mikroelektromechanische Systeme und auf Multiplexverfahren.
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2. Beschreibung verwandter Technik
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Multiplexer
sind allgemein bekannt. Beispielsweise wird ein optischer Multiplexer/Demultiplexer,
der ein Feld von optischen Wellenleitern umfasst, in US-Patent Nr.
5,002,350 für
Dragone beschrieben. Für
optische Anwendungen empfängt
ein optischer Add/Drop-Multiplexer ein optisches Eingangssignal
mit vielen optischen Kanälen
bei unterschiedlichen Wellenlängen
von einer einzigen optischen Faser. Das optische Signal wird gedemultiplext
in getrennte optische Kanäle
basierend auf deren Wellenlängen.
Sobald dieses gedemultiplext ist, kann jeder der getrennten optischen
Kanäle
entweder durch den optischen Add/Drop-Multiplexer zu einem Multiplexer
durchlaufen, oder ausgesondert werden. Für jeden Kanal, der ausgesondert
wird, kann ein neues Signal hinzugefügt werden, um diesen Kanal zu
nutzen. Die durchgeleiteten und hinzugefügten Kanäle werden erneut in ein optisches
Ausgangssignal gemultiplext, das auf einer einzigen optischen Faser
ausgesendet wird.
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Derzeitige
optische Add/Drop-Multiplexer sind aus diskreten Komponenten zusammengestellt, eingeschlossen
Demultiplexer, Schalter und Multiplexer. Typische Multiplexer und
Demultiplexer schließen
Beugungsgitter in einer Optik im freien Raum und feldweise angeordnete
Wellenleitergitter für
geleitete Wellenoptik ein. Optische Schalter werden für das Aussondern,
Hinzufügen
und Durchleiten der Kanäle
verwendet.
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Okamoto
K: "Application
of planar lightwave circuits to optical communications systems" Proceedings of the
European Conference on Optical Communication, XX, XX, vol. 1,17
September 1995 (1995-09-17), pages 75-82, XP000618140, ist ein Beitrag,
der den vorliegenden Fortschritt bei Multiplexern mit feldartigem
Wellenleitergitter, optischem Add/-Drop-Multiplexer, Ausgleichseinrichtungen
mit variabler Gruppenverzögerungsdispersion
und hybriden Inteyrationstechnologien behandelt.
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Jalali
B et al.: Advances in silicon-on-insulator optoelectronics" IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Service Center, US, vol.
4, no. 6, November 1998 (1998-11), pages 938-947, XP00080134 ISSN:
1077-260X): Integrierte Lichtschaltkreise auf der Basis von Silizium
auf Isolator stellen eine wichtige Plattform dar, die mit Standard
CMOS-Prozessen vollständig
kompatibel ist. Der Fortschritt beim epitaxialen Aufwachsen von
Siliziumlegierungen hat das Potential für siliziumbasierende Einrichtungen
mit maßgeschneiderter
optischer Reaktion im nahen Infraroten geschaffen. Der tiefe Submikrometer
CMOS-Prozess kann Lichtwellenelektroniken für Gigabit pro Sekunde und niedrigem
Rauschen erzeugen. Diese Trends, kombiniert mit ökonomischen Anreizen werden
sicherstellen, dass siliziumbasierende Optoelektronik in faseroptischen
Netzwerksystemen in der Zukunft eine Rolle spielen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen optischen Multiplexer
zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellen eines monolithischen,
optischen Multiplexers gemäß Anspruch
1 und eines Verfahrens zur Herstellen eines monolithischen, optischen
Multiplexers gemäß Anspruch
3 erreicht. Ausführungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in der
nachfolgenden eingehenden Beschreibung der verschiedenen beispielhaften
Ausführungen
des Systems und der Verfahren gemäß der Erfindung beschrieben
oder aus dieser offenbar.
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KURZE BESCHEIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene
beispielhafte Ausführungen der
Systeme und Verfahren dieser Erfindung werden nachfolgend mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen, rekonfigurierbaren
optischen Add/Drop-Multiplexers;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines
rekonfigurierbaren optischen Multiplexers gemäß dieser Erfindung;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführung der 2,
wie sie in einem optischen System aufgenommen ist;
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4 ist
eine beispielhafte Ausführung
eines Schalters für
einen rekonfigurierbaren optischen Multiplexer gemäß dieser
Erfindung;
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5–10 zeigen
eine erste exemplarische Ausführung
eines selbstausgerichteten Wellenleiterschalters gemäß dieser
Erfindung;
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11–18 veranschaulichen
verschiedene Stufen einer ersten exemplarischen Ausführung eines
Herstellprozesses für
einen selbstausgerichteten Wellenleiterschalter gemäß dieser
Erfindung;
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19–24 veranschaulichen
verschiedene Stufen einer zweiten exemplarischen Ausführung eines
Herstellprozesses für
einen selbstausgerichteten Wellenleiterschalter gemäß dieser
Erfindung;
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25–26 veranschaulichen
eine Modifikation der zweiten exemplarischen Ausführung der 19 bis 24 gemäß dieser
Erfindung;
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27–57 veranschaulichen
genauer eine beispielhafte Ausführung
eines Herstellprozesses für
einen selbstausgerichteten Wellenleiterschalter gemäß dieser
Erfindung; und
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58–68 veranschaulichen
eine Modifikation einer genaueren beispielhaften Ausführung der 27–57 gemäß dieser
Erfindung.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Die
Systeme und Verfahren dieser Erfindung stellen eine monolithische
Integration von optischen Multiplexern und Demultiplexern mit optischen
Schaltern auf einem Siliziumbaustein bereit, für die Verwendung als ein rekonfigurierbarer
optischer Multiplexer. Daher umfasst ein rekonfigurierbarer optischer Multiplexer
gemäß den verschiedenen
Ausführungen dieser
Erfindung einen Sililziumdemultiplexer, eine Vielzahl von Siliziumschaltern
und einen Siliziummultiplexer, die monolithisch auf einem einzigen
Siliziumbaustein integriert sind. Die monolithische Integration dieser
Erfindung kann die Herstellbarkeit von rekonfigurierbaren optischen
Multiplexern vereinfachen, was zu verringerten Kosten führt. Ebenso
stellt die monolithische Integration dieser Erfindung einen relativ
kompakten optischen Multiplexer von erheblich verringerter Größe und Gewicht
bereit. Weiterhin können
rekonfigurierbare optische Multiplexer gemäß dieser Erfindung eine höhere Qua lität des optischen
Multiplexens eines optischen Signals mit verbesserter Leistungsfähigkeit
bereitstellen.
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In
der Einrichtung gemäß der Erfindung
umfassen sowohl der Siliziumdemultiplexer als auch der Siliziummultiplexer
ein feldartiges Wellenleitergitter. Die optischen Siliziumschalter
können
1 × 2
oder 2 × 2
oder, allgemein, m × n
optische Schalter und optische Wechselschalter umfassen.
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Gemäß den verschiedenen
beispielhaften Ausführungen
wird ein optisches Signal in einen monolithischen rekonfigurierbaren
optischen Multiplexer dieser Erfindung eingegeben. Das optische
Eingangssignal kann einen durch Wellenlängenunterteilung gemultiplexten
Datenstrom umfassen (wavelength division multiplexed: WDM). Das
optische Eingangssignal wird in getrennte Kanäle entsprechend den Wellenlängen des
Lichtes in dem Signal unter Verwendung des Demultiplexers gedemultiplext.
Jeder Kanal wird unter Verwendung der optischen Schalter entweder
durchgeleitet oder ausgesondert. Für jeden Kanal, der ausgesondert
wird, kann ein neuer Datenstrom bei derselben Wellenlänge hinzugefügt werden,
um diesen Kanal zu nutzen. Die Kanäle werden darauf hin wieder
zusammengemultiplext als ein optisches Ausgangssignal unter Verwendung
des Multiplexers. Das optische Ausgangssignal kann einen modifizierten
Datenstrom umfassen, abhängig
vom Aussondern/Zufügen
oder anderen Modifikationen der Kanäle.
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Ein
monolithischer rekonfigurierbarer optischer Multiplexer gemäß dieser
Erfindung kann in ein optisches Kommunikationssystem eingebaut werden.
Eine optische Eingangsfaser, die ein gemultiplextes optisches Signal
trägt,
kann mit dem Demultiplexer kommunizieren und eine optische Ausgangsfaser
kann mit dem Multiplexer kommunizieren. Die Vielzahl der optischen
Schalter kommunizieren daraufhin zwischen dem Demultiplexer und
dem Multiplexer, um das optische Signal durchzuleiten und/oder zu
modifizieren. Beispielsweise kann der monolithischen rekonfigurierbare
optische Multiplexer gemäß dieser
Erfindung in eine Dokumenteneinrichtung, wie etwa einen Drucker,
einen Kopierer, einen Scanner, eine Faximilemaschine, eine Vielfunktioneneinrichtung
oder ähnliches
eingebaut werden. Weiterhin kann der monolithische rekonfigurierbare
optische Multiplexer gemäß dieser
Erfindung in ein verteiltes Kommunikationsnetzwerk eingebaut werden.
Daher wird jegliches System oder Einrichtung, die ein verteiltes
Kommunikationswerk einschließt,
in dieser Erfindung betrachtet.
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Gemäß verschiedenen
beispielhaften Ausführungen
dieser Erfindung werden Herstelltechniken basierend auf Mikrobearbeitung
oder mikroelektromechanischen Systemen verwendet, um einen monolithischen
rekonfigurierbaren optischen Multiplexer herzustellen. Derartige
Herstelltechnologien sind relativ fortgeschritten, verglichen mit
andere potentiellen Technologien, wodurch zuverlässigere Ergebnisse und größere Flexibilität erhalten
werden.
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In
verschiedenen beispielhaften Ausführungen werden Oberflächenmikrobearbeitungstechniken
verwendet, um einen monolithischen rekonfigurierbaren optischen
Multiplexer aus einer Scheibe aus Silizium auf Isolator (silicon
on insulator: SOI) als ein Startsubstrat herzustellen. In weiteren
Ausführungen
werden Oberflächenmikrobearbeitungstechniken
verwendet, um einen monolithischen rekonfigurierbaren optischen
Multiplexer aus einer ersten Scheibe mit einer gemusterten Halbleiterschicht
auf mindestens einer Seite und einer zweiten Scheibe aus Einkristallsilizium,
die mit der Halbleiterschicht auf der ersten Scheibe verbunden wird,
herzustellen. Die zweite Scheibe kann ebenso eine gemusterte Halbleiterschicht
auf der Seite aufweisen, die mit der Halbleiterschicht der ersten
Scheibe verbunden wird.
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Eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen rekonfigurierbaren
optischen Add/-Drop-Multiplexers 100 ist
in 1 gezeigt. Der optische Add/Drop-Multiplexer 100 empfängt ein
optisches Eingangssignal 110 mit vielen optischen Kanälen bei
unterschiedlichen Wellenlängen
aus einer einzigen optischen Faser. Das optische Eingangssignal 110 wird
durch einen Demultiplexer 120 in unterschiedliche optische
Kanäle 112 basierend
auf den Wellenlängen
der optischen Kanäle 112 gedemultiplext.
Sobald dieses gedemultiplext ist, trifft jeder der getrennten optischen
Kanäle 112 auf
einen aus einer Vielzahl von optischen Schaltern 130. Die
optischen Schalter 130 können einen jeweiligen aus den
optischen Kanälen 112 entweder
durchleiten oder aussondern. Für
jeden der optischen Kanäle 112,
die ausgesondert werden, kann ein neues Signal 114 durch
die optischen Schalter 130 hinzugefügt werden, um diesen Kanal
zu nutzen. Die Kanäle 116,
die durch die optischen Schalter 130 gelaufen sind oder hinzugefügt wurden,
werden wieder durch einen Multiplexer 140 in ein optischen
Ausgangssignal 150 gemultiplext und in eine einzige optische
Faser ausgegeben. Da Kanäle
ausgesondert und hinzugefügt werden
können,
kann das optische Ausgangssignal 150 einen modifizierten
Datenstrom, verglichen mit dem optischen Eingangssignal 110 umfassen.
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Eine
schematische Darstellung eines rekonfigurierbaren optischen Add/Drop-Multiplexers 200 gemäß dieser
Erfindung ist in 2 gezeigt. Wie bei dem herkömmlichen
Add/Drap-Multiplexer 100 empfängt der optische Add/Drop-Multiplexer 200 ein
optisches Eingangssignal mit vielen optischen Kanälen bei
unterschiedlichen Wellenlängen
von einer optischen Eingangsfaser 210. Das Signal von der
optischen Eingangsfaser wird durch einen Siliziumdemultiplexer 220 in
unterschiedliche optische Kanäle 212,
die auf den Wellenlängen
der optischen Kanäle basieren,
gedemultiplext. Wie in 2 gezeigt, ist der Demultiplexer 220 ein
feldartiges Wellenleitergitter.
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Sobald
dieses gedemultiplext ist, trifft jeder der getrennten optischen
Kanäle 212 des
Signals auf einen aus einer Vielzahl von optischen Siliziumschaltern 230.
Die optischen Siliziumschalter 230 können den jeweiligen der optischen
Kanäle 212 entweder durchleiten
oder als ein ausgesondertes Signal 218 aussondern. Für jeden
der optischen Kanäle 212,
die ausgesondert werden, können
ein oder mehrere neue Signale 214 durch die optischen Siliziumschalter 230 zugefügt werden,
um diesen Kanal zu nutzen. Die Kanäle 216, die durch
die optischen Siliziumschalter 230 gelaufen sind oder durch
diese hinzugefügt
wurden, werden durch einen Siliziummultiplexer 240 wieder
in ein optisches Ausgangssignal gemultiplext, das über eine
optische Ausgangsfaser 250 ausgegeben wird. Da Kanäle ausgesondert
oder hinzugefügt
werden können,
kann das Signal von der optischen Ausgangsfaser 250 einen
geänderten
Datenstrom umfassen, verglichen mit dem Signal von der optischen
Eingangsfaser 210.
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Wie
in der 3 gezeigt, wird der rekonfigurierbare optische
Add/Drop-Multiplexer 200 durch einen Siliziumdemultiplexer 220,
die optischen Siliziumschalter 230 und den Siliziummultiplexer 240 ausgebildet,
die monolithisch auf einem einzigen Siliziumbaustein 202 integriert
sind. Der einzige Siliziumbaustein 202 kann eine Silizium-auf-Isolatorscheibe-Geräte (SOI) 203 umfassen,
die eine relativ dünne
Siliziumeinkristall-Geräteschicht 204 und
eine Oxidschicht 205 einschließt. Eine relativ dicke Siliziumeinkristall-Handhabungsschicht 206 kann
integral mit der Geräteschicht 204 durch
die Oxidschicht 205 als struktureller Träger verbunden
sein. Weiterhin kann eine Oxid- oder Nitrid-Hilfsschicht 207 auf
einer gegenüberliegenden
Seite der Handhabungsschicht 206 für Ätztechniken ausgebildet sein.
Die Scheibe 203 kann unter Verwendung irgendeiner bekannten oder
später
entwickelten Technik für
Silizium auf Isolator (SOI) hergestellt werden.
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In
der beispielhaften Ausführung
werden der Siliziumdemultiplexer 220, die optischen Siliziumschalter 230 und
der Siliziummultiplexer 240 in der Geräteschicht 204 hergestellt.
Es können
ein oder mehrere Polysiliziumschichten (nicht gezeigt) über der
Geräteschicht 204 hinzugefügt werden
für die Herstellung
von zusätzlichen
mechanischen Elementen, wie etwa Gelenken, Brücken, Leitern, Ankern und ähnlichem,
oder elektrischen Elementen wie etwa Heizer, Aktuatoren. Aktive
elektronische Elemente (nicht gezeigt), wie etwa elektrische Bahnen oder
logische Schaltungen können
ebenfalls in der Geräteschicht 204 festgelegt
werden.
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Eine
beispielhafte Ausführung
von einem der optischen Siliziumschalter 230 ist in 4 als
ein Wellenleiterschalter oder optischer Wechselschalter gezeigt.
Der Schalter 230 weist ein bewegliches Teil 232 mit
einer Vielzahl von Wellenleitern 234 auf. Ein Eingangswellenleiter 222,
der einem der Kanäle 212 von
dem Siliziumdemultiplexer 220 (in 2 gezeigt) entspricht,
und ein Wellenleiter 242 für das Führen des neuen Signals 214,
das hinzuzufügen
ist, sind an einem Ende der Wellenleiter 234 angeordnet.
In ähnlicher
Weise sind ein Ausgabewellenleiter 224, der einem der Kanäle 216 des
Siliziummultiplexers 240 (gezeigt in 2)
entspricht, und ein Wellenleiter 228 zum Aussondern eines
Signals, an dem anderen Ende der Wellenleiter 234 angeordnet.
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Wie
durch die Pfeile in 4 gezeigt, wird das bewegliche
Teil 232 durch ein Paar von Aktuatoren 236 in
Querrichtung bewegt. Die Aktuatoren 236 können von
irgendeinem passenden Typ sein, wie etwa beispielsweise thermisch,
elektrostatisch oder magnetisch.
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Die
Wellenleiter 234 sind so aufgebaut, dass die Querbewegung
des beweglichen Teils 232 zwischen einem der Wellenleiter 234,
die den Eingangswellenleiter 222 mit den Ausgangswellenleitern 224 verbinden
und einem der Wellenleiter 234, die den Wellenleiter 242,
der das neue Signal 214 trägt, zu dem Ausgangswellenleiter 224 verbinden.
Um das Signal des Eingangswellenleiters 222 auszusondern, kann
einer der Wellenleiter 234 den Eingangswellenleiter 222 mit
dem Wellenleiter 228 verbinden.
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Eine
geeignete Technik zur Herstellung des Siliziumdemultiplexers 220,
der optischen Siliziumschalter 230 und des Siliziummultiplexers 240 in
der Geräteschicht 204 ist
in US-Patent 6,362,512
beschrieben. Eine weitere geeignete Technik ist in US-Patent 6,379,989
beschrieben.
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Der
Siliziumdemultiplexer 220 und der Siliziummultiplexer 240 können in
anderen Beispielen, die nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung
enthalten sind, irgendein bekannter Multiplexer sein, der in Silizium
hergestellt werden kann. Insbesondere können der Siliziumdemultiplexer 220 und
der Siliziummultiplexer 240 Beugungsgitter für Optik
im freien Raum sein. Die Optik im freien Raum kann in Anwendungen
bevorzugt werden, in denen optische Verluste minimiert werden müssen. Derartige
Beugungsgitter können
unter Verwendung von Techniken hergestellt werden, die in US-Patent
6,608,679; US-Patent 6,249,346
und US-Patent 6,399,405 beschrieben sind.
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Wenn
der Siliziumdemultiplexer 220 und der Siliziummultiplexer 240 Beugungsgitter
sind, kann irgendein optischer Schalter im freien Raum, der für die Add/Drop-Funktionalität und die
Herstellung in Silizium geeignet ist, für die optischen Siliziumschalter 230 verwendet
werden. Beispiele von bekannten optischen Schaltern im freien Raum
schließen
diejenigen ein, die in "Micro-Opto-Mechanical
2 × 2
Switch for Single-Mode Fibers Based on Plasma-Etched Silicon Mirror
and Electrostatic Actuation",
Cornel Marver et al., Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No.
1, pp. 2–6
(1999); "Free-Space
Fiber Optic Switches Based on MEMS Vertical Torsional Mirrors", Shi-Sheng Lee et
al., Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 1, pp. 7–13 (1999); "Electrostatic Micro
Torsion Mirrors for an Optical Switch Matrix", Hiroshi Toshiyoshi et al,. "Journal of Microelectromechanical
Systems, Vol. 5, No. 4, pp. 231–237(1996); "Electromagnetic Torsion
Mirrors for Self-Aligned Fiber-Optic Cross-Connectors by Silicon
Micromachining",
Hiroshi Toshiyoshi et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum
Electronics, Vol. 3, No. 1, pp. 10–17 (1999); "Free Space Micromachined
Optical Switches for Optical Networking", L.Y. Lin et al., IEEE Journal of Selected
Topics in Quantum Electronics, Vol. 3, No, 1, pp. 4–9 (1999); "A Rotary Electrostatic
Micromirror 1 × 8
Optical Switch",
A. Azzam Yasseen et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum
Electronics, Vol. 3, No. 1, pp. 26–32 (1999); and "Wavelength Add-Drop
Switching Using Tiltin Micromirrors", Joseph E. Ford et al., Journal of
Lightwave Technology, Vol. 17, No. 5, pp, 904–911 (1999) beschrieben sind.
Daher können
optische Siliziumschalter 230 beispielsweise 1 × 2, 2 × 2 oder
m × n optische
Schalter, mikrohergestellte Torsionsspiegel, elektrostatische oder
magnetostatische Mikrospiegel und/oder kippende Mikrospiegel und ähnliches
sein. Für
bestimmte Anwendungen, wie etwa Telekommunikation, sollten die optischen
Siliziumschalter 230 beharrende Schalter sein, die ihren
Zustand beibehalten, wenn dielektrische Leitung abgeschaltet ist.
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Der
Siliziumdemultiplexer 220 und der Siliziummultiplexer 240 sind
in der vorliegenden Erfindung feldartige Wellenleitergitter für geleitete
Wellenoptik. Geleitete Wellenoptiken erlauben eine vereinfachte Herstellung
und vermeiden Baugruppen außerhalb der
Ebene, die für
optische Komponenten für
Optik im freien Raum erforderlich sind. Daher können geleitete Wellenoptiken
in Anwendungen bevorzugt sein, in denen optische Verluste kein kritischer
Faktor sind. Derartige feldartige Wellenleitergitter können unter Verwen dung
irgendwecher bekannter Techniken hergestellt werden, wie etwa diejenigen,
die in "Advances
in Silicon-on-Insulator Optoelectronics", B. Jalali et al., IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, No. 6, pp 938–947 (1998),
und "Arrayed waveguide
grating demultiplexers in silicon-on-insulator", M.R.T. Pearson et al., Proceedings of
SPIE Silicon-Based Monothic and Hybrid Optoelectronic Devices, Photonics
West Meeting, San Jose CA, January 2000, beschrieben sind.
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Wenn
der Siliziumdemultiplexer 220 und der Siliziummultiplexer 240 feldartige
Wellenleitergitter sind, kann irgendein Wellenleiterschalter, der
für die Add/Drop-Funktionalität zur Herstellung
in Silizium geeignet ist, der nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung
enthalten ist, für
die optischen Siliziumschalter 230 verwendet werden. Beispiele
von bekannten Wellenleiterschaltern schließen diejenigen ein, die in "Micro-opto mechanical
switch integrated on silicon",
E. Ollier et al., Electronic Letters, Vol. 31, No. 23, pp. 2003–2005 (1995); "Integrated electrostatic
micro-switch for optical fibre networks driven by low voltage", E. Ollier et al.,
Electronic Letters, Vol. 32, No. 21, pp. 2007–2009 (1996); "Micromechanical Optical
Switching With Voltage Control Using SOI Moveable Integrated Optical
Waveguides", Terry
T. N. Eng et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 7, No.
11, pp. 1297–1299
(1995); und US-Patente Nr. 5,002,354 to Koai, 5,261,015 to Glasheen
und 5,612,815 to Labeye et al., beschrieben sind. Daher können die
optischen Siliziumschalter 230 beispielsweise mikro-optomechanische
Schalter, elektrostatische oder magnetostatische Mikroschalter,
und/oder integrierte optische Wechselschalter und ähnliches sein.
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Wie
vorstehend erwähnt,
kann der monolithische rekonfigurierbare optische Add/Drop-Multiplexer 200 gemäß dieser
Erfindung in ein optisches Kommunikationssystem 20 eingebaut
werden. Wie in der 3 gezeigt, wird eine optische
Eingangsfaser 22, die ein optisches Signal trägt, in Kommunikation mit
dem Siliziumdemultiplexer 220 angeordnet und eine optische
Ausgangsfaser 24 wird in Kommunikation mit dem Siliziummultiplexer 240 angeordnet.
Die Vielzahl der optischen Siliziumschalter leiten das optische
Signal von dem Siliziumdemultiplexer 220 wie vorstehend
beschrieben durch und/oder modifizieren dieses und senden das optische
Signal zu dem Siliziummultiplexer 240. Sobald dieses wieder
multiplext, wird das optische Signal, das wie gewünscht modifiziert
worden ist, zu der optischen Ausgangsfaser 24 geleitet.
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Wenn
der optische Add/Drop-Multiplexer 200 gemäß dieser
Erfindung in das optische Kommunikationssystem 20 eingebaut
wird, muss die optische Eingangsfaser 22 und die optische
Ausgangsfaser 24 jeweils mit dem Siliziumdemultiplexer 220 und dem
Siliziummultiplexer 240 ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung
kann durch irgendeine bekannte Technik erreicht werden. Beispielsweise
können
die optischen Fasern 22 und 24 für Optik
im freien Raum unter Verwendung einer Technik ausgerichtet werden,
die in US-Patent 6,580,858 beschrieben ist.
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5 bis 10 zeigen
eine erste beispielhafte Ausführung
eines selbstausgerichteten Wellenleiterschalters 330 für optische
Faserkommunikation, der in dem optischen Add/Drop-Multiplexer dieser
Erfindung genutzt werden kann. Für
verschiedene Ausführungen
ist die Toleranz für
Fehlausrichtung zwischen den Wellenleitern des Schalters 330 weniger als
0,5 μm,
um nicht akzeptabeln optischen Verlust zu vermeiden. Der Schalter 330 ist
selbstausgerichtet, um ein optisches System von hoher Präzision zu implementieren.
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Wie
in 5 gezeigt, schließt der Schalter 330 ein
bewegliches Teil 332 mit einer Vielzahl von Wellenleitern 334 ein.
Ein stationärer
Eingabeteil 322 des Schalters 330 ist in optischer
Kommunikation mit beispielsweise dem Demultiplexer des optischen Add/-Drop-Multiplexers
und weist eine Vielzahl von Wellenleitern 324 auf. Ein
stationäres
Ausgabeteil 342 steht in optischer Kommunikation beispielsweise mit
dem Multiplexer des optischen Add/Drop-Multiplexers und weist eine
Vielzahl von Wellenleitern 344 auf.
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Wie
in 6 gezeigt, ist ein Anschlagblock 350 auf
einem Substrat 303 des optischen Add/Drop-Multiplexers
beispielsweise verankert. Der Anschlagblock 350 wird verwendet,
um die Position des beweglichen Teils 232 des Schalters 230 durch Begrenzen
der Bewegung des beweglichen Teils 332 zu kontrollieren.
Ein Satz von Verschiebungen d1 und d2 wird zwischen den Wellenleitern 334 des
beweglichen Teils 332 und den Wellenleitern 324 und 344 der
stationären
Teile 322 und 342 festgelegt. Wie nachstehend
beschrieben, wird der Satz von Verschiebungen d1 und d2 durch Fotolithografie
festgelegt, bevor das bewegliche Teil 332 von dem Substrat 303 freigesetzt
wird.
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Es
können
ebenso ein oder mehrere Stoßelemente 352 auf
dem beweglichen Teil 332 des Schalters 330 aufgebaut
werden. Dieselben Verschiebungen d1 und d2 werden verwendet, um
die Stoßelemente 352 derart
zu positionieren, dass der Abstand von dem Anschlagblock 350 zu
einem innenseitigen Rand des Stoßelements 352 gleich
d1 ist und der Abstand von dem Anschlagblock 350 zu einem
innenseitigen Rand des anderen Stoßelements 352 gleich
d2 ist.
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Dieser
Aufbau stellt zwei stabile Positionen für das bewegliche Teil 332 des
Schalters 330 bereit. Wie in den 7 und 8 gezeigt,
bewegt sich das beweglich Teil 332 nach links in der Richtung
des Pfeils A, bis der Anschlagblock 350 eines der Stoßelemente 352 berührt. In
dieser Position ist der linke Wellenleiter 334 des beweglichen
Teils 322 mit den linken Wellenleitern 324 und 344 der
festen Teile 322 und 342 ausgerichtet. Wie in
den 9 und 10 gezeigt, bewegt sich das
bewegliche Teil 332 nach rechts in Richtung des Pfeils
B, bis der Anschlagblock 350 das andere Stoßelement 352 berührt. In dieser
Position ist der linke Wellenleiter 334 des beweglichen
Teils 332 mit den rechten Wellenleitern 324 und 344 der
stationären
Teile 322 und 342 ausgerichtet.
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Eine
beispielhafte Ausführung
eines mikromechanischen Herstellungsprozesses für einen selbst ausgerichteten
Schalter 330 wird mit Bezug auf die 11 bis 18 beschrieben.
Wie in der 12 gezeigt, beginnt der Prozess
mit einer Silizium auf Isolator Struktur, die ein Siliziumsubstrat 306, eine
Einkristallsiliziumschicht 304 und eine Isolatorschicht 305,
wie etwa eine Oxidschicht, dazwischen liegend umfasst. Die Einkristallsiliziumschicht 304 wird
beispielsweise unter Verwendung einer trockenen Ätzung geätzt, um das bewegliche Teil 332 und die
stationären
Teile 322 und 342 des Schalters 330 festzulegen,
wie in 11 und 12 gezeigt.
Weiterhin wird ein Durchgangsloch 360 in der Einkristallsiliziumschicht 304 festgelegt,
um den in 16 gezeigten Anschlagblock 350 aufzunehmen.
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Als
nächstes
wird, wie in 13 und 14 gezeigt,
die Einkristallsiliziumschicht 304 beispielsweise unter
Verwendung einer trockenen Ätzung
geätzt,
um eine Vielzahl von Welenleitern 334, 324 und 344 in
dem beweglichen Teil 332 und den stationären Teilen 322 und 342 jeweils
auszubilden. Daraufhin wird, wie in 15 und 16 gezeigt,
eine Opferschicht aus Material 362, wie etwa ein Oxid,
abgelagert und gemustert, um eines oder mehrere Ankerlöcher 364 in
dem Siliziumsubstrat 306 und/oder der Einkristallsiliziumschicht 304 auszubilden.
Wie in den 15 und 16 gezeigt,
ist das Ankerloch 364, das in dem Siliziumsubstrat ausgebildet
ist, für
den Anschlagblock 350 vorgesehen und die Ankerlöcher 364,
die in der Einkristallsiliziumschicht 304 ausgebildet sind,
sind für
die Stoßelemente 352 vorgesehen, wenn
diese eingeschlossen werden. Der Anschlagblock 350 und
die Stoßelemente 352 werden
durch Ablagern einer Schicht von Strukturmaterial 354,
beispielsweise Polysilizium und Mustern der Schicht des Strukturmaterials 354 ausgebildet.
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Die
Opferschicht 362 und mindestens ein Teil der Isolatorschicht 305 werden
durch eine Freisetzungsätzung,
wie etwa eine Nassätzung,
entfernt, um den in 17 und 18 gezeigten
Schalter zu erhalten.
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Die 19 bis 24 zeigen
eine zweite beispielhafte Ausführung
eines selbstausgerichteten Wellenleiterschalters 430 für optische
Faserkommunikation, der in dem optischen Add/Drop-Multiplexer dieser
Erfindung verwendet werden kann. Wie in der 19 gezeigt,
schließt
der Schalter 430 ein bewegliches Teil 432 mit
einer Vielzahl von Wellenleitern 434 ein. Ein stationäres Eingabeteil 422 des
Schalters 430 steht in optischer Kommunikation mit, beispielsweise,
dem Demultiplexer des optischen Add/Drop-Multiplexers und weist
eine Vielzahl von Wellenleitern 324 auf. Ein stationäres Ausgabeteil 442 steht
in optischer Kommunikation mit, beispielsweise, dem Multiplexer
des optischen Add/Drop-Multiplexers und weist eine Vielzahl von
Wellenleitern 444 auf.
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Wein
der 20 gezeigt, ist ein Anschlagblock 450 beispielsweise
an einem Substrat 403 des optischen Add/Drop-Multiplexers
verankert. Gemäß dieser
Ausführung
wird eine Ausschnittsektion oder Fenster 452 in dem beweglichen
Teil 432 ausgebildet. Das Fenster 452 kann derart
ausgebildet werden, dass eine Sektion 454 der Schicht,
die verwendet wird, das bewegliche Teil 432 herzustellen,
mit dem Anschlagblock 450 verbunden wird, wie in 20 gezeigt.
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Wie
vorstehend ist ein Satz von Verschiebungen d1 und d2 zwischen den
Wellenleitern 334 des beweglichen Teils 432 und
den Wellenleitern 424 und 444 der stationären Teile 422 und 442 festgelegt. Wie
nachfolgend beschrieben, wird der Satz von Verschiebungen d1 und
d2 durch Fotolithografie festgelegt, bevor das bewegliche Teil 432 von
dem Substrat 403 freigesetzt wird. Der Anschlagblock 450 und
das Fenster 452 werden verwendet, um die Position des beweglichen
Teils 432 des Schalters 430 durch Begrenzen der
Bewegung des beweglichen Teils 432 zu kontrollieren. Die
gleichen Verschiebungen d1 und d2 werden verwendet, um die Kanten
des Fensters 452 und/oder der Sektion 454 derart
festzulegen, dass der Abstand von dem Anschlagblock 450 oder Sektion 454 zu
einem innenseitigen Rand des Fensters 452 gleich d1 ist
und der Abstand von dem Anschlagblock 350 oder Sektion 454 zu
einem innenseitigen Rand des Fensters 452 gleich d2 ist.
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Dieser
Aufbau stellt zwei stabile Positionen für das bewegliche Teil 432 des
Schalters 430 bereit. Wie in den 21 und 22 gezeigt,
bewegt sich das bewegliche Teil 432 nach links in die Richtung des
Pfeils A, bis der Anschlagblock 450 oder die Sektion 454 einen innenseitigen
Rand des Fensters 452 berührt. In dieser Position ist
der linke Wellenleiter 434 des beweglichen Teils 432 mit
den linken Wellenleitern 424 und 444 der stationären Teile 422 und 442 ausgerichtet.
Wie in den 23 und 24 gezeigt, bewegt
sich das bewegliche Teil 432 nach recht in die Richtung
des Pfeils B, bis der Anschlagblock 450 oder die Sektion 454 den
anderen innenseitigen Rand des Fensters 452 berührt. In
dieser Position ist der linke Wellenleiter 434 des beweglichen
Teils 432 mit den rechten Wellenleitern 424 und 444 der
stationären
Teile 422 und 442 ausgerichtet.
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Die 25–26 zeigen
eine Modifikation der zweiten beispielhaften Ausführung des
selbst ausgerichteten Wellenleiterschalters 430. Diese
Modifikation verwendet vier Sätze
von Anschlagblöcken 450 und
Fenster 452, die eine höhere
Stabilität
und Zuverlässigkeit
für den
Schalter 430 bereitstellen können.
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Gemäß einer
Ausführung
dieser Erfindung wird der Satz von Verschiebungen d1 und d2 in einem
lithografischen Prozess auf einer Maskenschicht so festgelegt, dass
der Satz sehr genau kontrolliert werden kann. Mit anderen Worten,
werden die Strukturen, die die Wellenleiter des Schalters ausrichten
durch die geometrischen Abmessungen d1 und d2 in der selben strukturellen
Ebene festgelegt. Dies vermeidet Nachteile der Ausrichtung zwischen
unterschiedlichen strukturellen Schichten. Eine eingehendere Beschreibung
eines einzigartigen Mikrobearbeitungsprozesses, basierend auf Silizium auf
Isolator gemäß dieser
Erfindung wird Bezug auf 27–57 gegeben.
Der Prozess wird nachstehend in Verbindung mit der Herstellung eines
mikromechanischen Aktuators zur Bewegung des Schalters und einer
V-förmigen
Vertiefung für
die optische Faserverbindung beschrieben. Der Aktuator und/oder
die Verbindung können
mit dem Schalter hergestellt werden oder nicht. Daher ist anzumerken, dass
der Aufbau und die Konfiguration des Aktuators und/oder der Verbindung
der optischen Faser veranschaulichend und nicht beschränkend ist.
Die Herstellung der V-förmigen
Vertiefung und die Ausrichtung der optischen Fasern bei dem Add/Drop-Multiplexer
dieser Erfindung wird genauer in US-Patent 6,510,275 beschrieben.
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Im
Allgemeinen verwendet die Mikrobearbeitung einer Polysiliziumoberfläche Schritte
eines planaren Herstellungsprozesses, die der Herstellungsindustrie
von integrierten Schaltkreisen (IC) gemeinsam sind, um mikroelektromechanische
oder mikromechanische Einrichtungen herzustellen. Der standardmäßige blockaufbauende
Prozess besteht aus der Ablagerung und fotolithografischen Musterung von
alternierenden Schichten auf einem Substrat. Die alternierenden
Schichten bestehen aus polykristallinem Silizium von geringer Spannung
(ebenso als Polysilizium bezeichnet) und einem Opfermaterial wie
etwa Siliziumdioxid auf einem Substrat. Einschnitte, die durch die
Opferschichten geätzt
werden, stellen Ankerpunkte zu dem Substrat und den Polysiliziumschichten
her. Die Polysiliziumschichten werden gemustert, um mechanische
Elemente einer mikrobearbeiteten Einrichtung auszubilden. Die mechanischen
Elemente werden daher Schicht für
Schicht in einer Abfolge von Prozessschritten der Ablagerung und
des Musterns ausgebildet. Die Siliziumdioxidschichten werden daraufhin
durch Anwendung eines selektiven Ätzmitels wie etwa Flusssäure (HF)
entfernt, das die Polysiliziumschichten nicht angreift. Dies gibt
die mechanischen Elemente frei, die in den Polysiliziumschichten
für die
Bewegung derselben ausgebildet werden.
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Wie
in 27 gezeigt, beginnt die beispielhafte Ausführung mit
einer Siliziums auf Isolator-Scheibe 400, die ein Siliziumsubstrat 402,
eine Einkristallsiliziumschicht 404 und eine Isolatorschicht 406 wie
etwa eine Oxidschicht dazwischen umfasst.
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Wie
in der 28 gezeigt, wird eine erste Maskenschicht 410 wie
etwa ein Oxid beispielsweise durch chemische Dampfablagerung unter
niedrigem Druck (low pressure chemical vapor deposition: LPCVD)
auf der Einkristallsiliziumschicht 404 und auf dem Siliziumsubstrat 402 abgeschieden.
Die erste Maskenschicht 410 kann beispielsweise ungefähr 1,0 μm dick sein.
Die erste Maskenschicht 410 dient als eine Maskenschicht
zum Schutz der Einkristallsiliziumschicht 404, während einer
nachfolgenden Ätzung
des Siliziumsubstrats. Wie in 29 gezeigt, wird
ein Loch 414 in die erste Maskenschicht 410 geätzt, um
eine Öffnung
für die
nachfolgende Ätzung festzulegen.
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Das
Siliziumsubstrat 402 daraufhin geätzt, beispielsweise in einer
KOH-Lösung,
um ein dreieckiges oder trapezförmiges
Loch 416 in dem Siliziumsubstrat 402 wie in 30 gezeigt,
auszubilden. Ein Rand des Loches 416 wird als Referenz
für nachfolgende
fotolithografische Schritte des Prozesses verwendet, der präzise Ausrichtung
mit der <110> Richtung des Siliziumsubstrats 402 erfordert.
Wie in 31 gezeigt, wird daraufhin die
erste Maskenschicht 410 entfernt, beispielsweise unter
Verwendung einer nassen Ätzung.
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Eine
zweite Maskenschicht 420, wie etwa ein Oxid, wird beispielsweise
durch chemische Dampfabscheidung unter niedrigem Druck (LPCVD) auf dem
geätzten
Siliziumsubstrat 402 und auf der Einkristallsiliziumschicht 404 wie
in 32 gezeigt, abgeschieden. Die zweite Maskenschicht 420 kann
beispielsweise ungefähr
0,25 μm
dick sein. Die zweite Maskenschicht 420 dient dazu, das
geätzte
Siliziumsubstrat 402 während
einer nachfolgenden Ätzung der
Einkristallsiliziumschicht 404 zu schützen.
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Die
zweite Maskenschicht 420 wird daraufhin gemustert, beispielsweise
unter Verwendung eines Fotolacks (nicht gezeigt). Wie in den 33 und 34 gezeigt,
wird die Einkristallsiliziumschicht 404 beispielsweise
unter Verwendung einer trockenen Ätzung wie etwa einer reaktiven
Ionenätzung
geätzt
mit dem Fotolack und/oder zweiten Maskenschicht 420 als
Maskenschicht. Wie gezeigt, kann die Ätzung ungefähr 0,15 μm in die Isolationsschicht 406 überätzen.
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Um
die Qualität
der Strukturen in der Einkristallsiliziumschicht 404 zu
verbessern, kann eine trockene Oxidation durchgeführt werden,
um ein dünnes
Oxid 422, beispielsweise ungefähr 1000 Angström dick,
auf den Seitenwänden 424 wie
in 35 gezeigt, aufzuwachsen. Wie in 36 gezeigt,
wird das dünne
Oxid 422 daraufhin entfernt, beispielsweise unter Verwendung
einer nassen Ätzung
wie etwa einer gepufferten HF-Ätzung
für 2 Minuten.
Diese Ätzung
wird ebenso ungefähr
zusätzlich
2000 Angström
der Isolationsschicht 406 entfernen.
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Eine
dritte Maskenschicht (nicht gezeigt), wie etwa ein Oxid, wird beispielsweise
durch chemische Dampfablagerung unter niedrigem Druck (LPCVD) auf
der geätzten
Einkristallsiliziumschicht 404 abgelagert. Wie in 37 gezeigt,
werden Ankerlöcher 336 geätzt, beispielsweise
unter Verwendung einer nassen Ätzung,
um die Isolationsschicht 406 zu entfernen.
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Daraufhin
wird eine Nitridschicht 440 beispielsweise durch chemische
Dampfablagerung unter niedrigem Druck (LPCVD) wie in 38 gezeigt, abgelagert.
Die Nitridschicht 440 stellt eine Antireflexbeschichtung
für die
Wellenleiter des Schalters bereit und dient ebenso als eine Maskenschicht
für eine
nachfolgende Ätzung
einer V-förmigen
Vertiefung.
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Eine
vierte Maskenschicht (nicht gezeigt), wie etwa ein Fotolack, wird über der
Nitridschicht 440 abgelagert und gemustert. Der gemusterte
Fotolack wird verwendet, um Rückenwellenleiter
und eine Öffnung
für eine
V-förmige
Vertiefung festzulegen, wie in 39 gezeigt,
wobei die bloßgelegten
Abschnitte der Nitridschicht 440 und der dritten Maskenschicht 430 und
ein dünner
Abschnitt, ungefähr
500 Angström,
der Isolationsschicht 406 weggeätzt werden.
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Ein
Fotolack (nicht gezeigt) wird gemeinsam mit der übrigen Nitridschicht 440 und
der übrigen
dritten Maskenschicht 430 als eine Maske verwendet, um
Gräben
in der Einkristallsiliziumschicht 304 festzulegen, die
die Rückenwellenleiter 442 in
Verbindung mit einer trockenen Ätzung
wie etwa einer reaktiven Ionenätzung,
wie in 40 gezeigt, ausbilden. Weil
die Isolationsschicht 406 viel dicker ist als die dritte
Maskenschicht 430, wird eine Schicht von ungefähr 4000
Angström
der Isolationsschicht 406 nach der reaktiven Ionenätzung zurückbleiben.
Daher wird das Siliziumsubstrat 402 durch die reaktive
Ionenätzung
nicht angegriffen.
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Um
die Qualität
der Rückenwellenleiter 442 in
der Einkristallsiliziumschicht 404 zu verbessern, kann
eine trockene Oxidation durchgeführt
werden, um ein weiteres dünnes
Oxid 444, beispielsweise ungefähr 1000 Angström dick,
auf den Seitenwänden 446 aufzuwachsen,
wie in 41 gezeigt. Wie vorstehend wird
das dünne
Oxid 444 daraufhin entfernt, beispielsweise unter Verwendung
einer nassen Ätzung,
wie etwa einer gepufferten HF-Ätzung
für 2 Minuten.
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Wie
in 42 gezeigt, wird als nächstes eine fünfte Maskenschicht 450,
wie etwa ein Oxid, beispielsweise durch chemische Dampfablagerung
unter niedrigem Druck (LPCVD) als eine Maske für eine nachfolgende Nassätzung abgeschieden.
Die fünfte Maskenschicht 450 kann
ungefähr
5000 Angström dick
sein. Die fünfte
Maskenschicht 450 wird beispielsweise unter Verwendung
eines Fotolacks gemustert, wie in 43 gezeigt.
Die fünfte
Maskenschicht 450 dient als eine Maske für die Entfernung der
Nitridschicht 440 mit einer nassen Ätzung, beispielsweise in Phosphorsäure, wie
in 44 gezeigt. Insbesondere entfernt diese nasse Ätzung die
Nitridschicht 440 von den Rückenwellenleitern 442,
um Zunahme in optischem Verlust durch Aufwellen der Nitridschicht 440 zu
vermeiden.
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Eine
sechste Maskenschicht 460, wie etwa eine undotierte Oxidschicht
von 0,3 μm
unter LPCVD abgeschieden und eine Opferschicht aus Phosphorsilikatglas
von 1,7 μm
wird, wie in 45 gezeigt, ausgebildet. Die
undotierte Oxidschicht hilft dabei, die Dotierung der Rückenwellenleiter 442 während der
nachfolgenden Wärmebehandlung
unter hoher Temperatur zu vermeiden. Die sechste Maskenschicht 460 wird
unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses so gemustert,
dass die Ankerlöcher 462 festgelegt
und während
einer nassen Ätzung
geöffnet
werden, wie in 46 gezeigt. Daraufhin wird,
wie in 47 gezeigt, ein Fotolack (nicht gezeigt)
als eine Maske verwendet, um Vertie fungen festzulegen, die durch
eine trockene Ätzung
wie etwa eine reaktive Ionenätzung
geöffnet
werden.
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Daraufhin
wird eine Schicht von strukturellem Material 470, wie etwa
Polysilizium, abgeschieden, dotiert und wärmebehandelt, wie in 48 gezeigt.
Die Schicht des strukturellen Materials 470 kann beispielsweise
3 μm dick
sein. Unter Verwendung von einer oder mehreren passenden Maskenschichten
(nicht gezeigt) können
Mikrostrukturen wie etwa ein Ankeranschlag 472, ein Stoßelement 474 und/oder
eine Brücke 476 in
der Schicht aus strukturellem Material 470 durch eine oder
mehrere Ätzungen
ausgeformt werden. Beispielsweise kann eine Maske mit einer trockenen Ätzung verwendet
werden, um durch die Schicht aus strukturellem Material 470 durchzuschneiden,
während
eine weitere Maske mit einer weiteren Ätzung verwendet werden kann, um
durch die Schicht aus strukturellem Material 470 und die
Einkristallsiliziumschicht 404 durchzuschneiden, wie jeweils
in den 49 und 50 gezeigt. Die
Verwendung von zwei Ätzschritten
hilft dabei, unerwünschte
seitliche Ätzung
auf den Mikrostrukturen zu minimieren, die in der Schicht aus strukturellem Material 470 ausgebildet
sind. Die Mikrostrukturen, wie etwa der Ankeranschlag 472,
das Stoßelement 474 und/oder
die Brücke 476 können mit
hoher Genauigkeit hergestellt werden. Die Verwendung einer einzigen Ätzung, um
durch die Schichten von unterschiedlicher Dicke durchzuschneiden,
kann in einer Überätzung auf
den dünneren
Gebieten resultieren.
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Wie
in 51 gezeigt, wird eine Schicht aus Schutzmaterial 480,
wie etwa Siliziumnitrid, als eine Maske abgeschieden, um die Mikrostrukturen
aus Polysilizium und Einkristallsilizium bei einer nachfolgenden Ätzung zu
schützen.
Die Schicht aus Schutzmaterial 480 wird unter Verwendung
einer Maske (nicht gezeigt), wie etwa einem Fotolack, gemustert und
selektiv entfernt, beispielsweise unter Verwendung einer trockenen Ätzung, wie
in 52 gezeigt. Daraufhin wird die sechste Maskenschicht 460 und die
restliche Isolatorschicht 406 unter Verwendung einer nassen Ätzung entfernt,
um das Siliziumsubstrat 402 dort freizulegen, wo eine V-förmige Vertiefung ausgebildet
werden soll, wie in 53 gezeigt. Es ist anzumerken,
dass die Ausrichtung des Fotolacks nicht kritisch ist, weil die Öffnung für die V-förmige Vertiefung
im Wesentlichen durch die Nitridschicht 440 festgelegt
wird, die bereits gemustert ist.
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Wie
in 54 gezeigt, wird eine V-förmige Vertiefung 482 in
das Siliziumsubstrat 402 beispielsweise unter Verwendung
einer KOH-Ätzung
geätzt. Nach
der KOH-Ätzung
wird die Schicht aus Schutzmaterial 480 unter Verwendung
einer nassen Ätzung, beispielsweise
in Phosphorsäure,
wie in 55 gezeigt, entfernt.
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Ein
dicker Fotolack (nicht gezeigt) wird daraufhin abgeschieden und
unter Verwendung eines lithografischen Prozesses gemustert, um eine
Maske auszubilden. Die Maske legt eine oder mehrere Verbindungsstellen
fest, wie in 56 gezeigt, die beispielsweise
mit Gold unter Verwendung eines Sputter- und Abklebeprozesses ausgebildet
werden. Schließlich
wird eine nasse Ätzung,
beispielsweise in Fluorwasserstoffsäure verwendet, um die Mikrostrukturen
freizusetzen, wie in 57 gezeigt.
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In
einer Modifikation dieses Herstellprozesses kann eine der Maskenschichten
weggelassen werden, um erforderliche Kosten und Zeit für den Prozess
zu verringern. Diese Modifikation folgt dem früheren Prozess durch die Entfernung
des dünnen Oxids 422 unter
Verwendung einer nassen Ätzung, wie
in 36 gezeigt.
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Eine
dritte Maskenschicht 530 wird beispielsweise durch chemische
Dampfabsonderung unter niedrigem Druck (LPCVD) auf der geätzten Einkristallsiliziumschicht 504 abgeschieden,
um die Ankerlöcher 536 festzulegen.
In diesem Fall ist die dritte Maskenschicht 530 eine Nitridschicht,
wie in 58 gezeigt. Die Nitridschicht
stellt eine Antireflexbeschichtung für die Wellenleiter des Schalters
dar und dient ebenso als eine Maskenschicht für eine nachfolgende Ätzung einer
V-förmigen
Vertiefung. Die dritte Maskenschicht 530 wird ebenso verwendet,
um die Rückenwellenleiter
und eine Öffnung
für eine V-förmige Vertiefung
festzulegen, wie in 59 gezeigt, wobei die freigelegten
Abschnitte der dritten Maskenschicht 530 und ein dünner Abschnitt,
ungefähr
500 Angström,
der Isolationsschicht 506 weggeätzt werden.
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Ein
Fotolack (nicht gezeigt) wird gemeinsam mit der restlichen dritten
Maskenschicht 530 als eine Mske verwendet, um Gräben in der
Einkristallsiliziumschicht 504 festzulegen, die die Rückenwellenleiter 542 in
Verbindung mit einer trockenen Ätzung,
wie etwa einer reaktiven Ionenätzung
ausbilden, wie in 60 gezeigt. Da die Isolationsschicht 506 viel
dicker ist als die dritte Maskenschicht 530 wird eine Schicht
von ungefähr
4000 Angström
der Isolationsschicht 506 nach der reaktiven Ionenätzung zurück bleiben.
Daher wird das Siliziumsubstrat 502 durch die reaktive
Ionenätzung
nicht angegriffen.
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Um
die Qualität
der Rückenwellenleiter 542 in
der Einkristallsiliziumschicht 504 zu verbessern, kann
eine trockene Oxidation durchgeführt
werden, um ein weiteres dünnes
Oxid 544, beispielsweise ungefähr 1000 Angström dick,
auf den Seitenwänden 546 auf zuwachsen,
wie in 61 gezeigt. Wie oben wird das
dünne Oxid 544 daraufhin
beispielsweise unter Verwendung einer nassen Ätzung, wie etwa einer gepufferten
HF-Ätzung
für 2 Minuten
entfernt.
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Wie
in 62 gezeigt, wird als nächstes eine vierte Maskenschicht 550,
wie etwa ein Oxid, beispielsweise durch chemische Dampfablagerung
unter niedrigem Druck (LPCVD) als eine Maske für eine nachfolgende Nassätzung abgeschieden.
Die vierte Maskenschicht 550 kann ungefähr 5000 Angström dick sein.
Die vierte Maskenschicht 550 wird gemustert beispielsweise
unter Verwendung eines Fotolacks, wie in 63 gezeigt.
Die vierte Maskenschicht 550 dient als eine Maske zum Entfernen
der Nitridschicht 530 mit einer nassen Ätzung, beispielsweise in Phosphorsäure, wie
in 64 gezeigt. Insbesondere entfernt diese nasse Ätzung die
Nitridschicht 530 von den Rückenwellenleitern 542,
um Erhöhung
von optischem Verlust durch Aufwellen der Nitridschicht 530 zu
vermeiden.
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Eine
fünfte
Maskenschicht 560, wie etwa eine undotierte Oxidschicht
von 0,3 μm,
wird in LPCVD abgeschieden und eine Opferschicht von 1,7 μm aus Phosphorsilikatglas
wird ausgebildet, wie in 65 gezeigt.
Die undotierte Oxidschicht hilft dabei, Dotierung der Rückenwellenleiter 542 während der
nachfolgenden Wärmebehandlung
unter hoher Temperatur zu vermeiden. Die fünfte Maskenschicht 560 wird
unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses gemustert,
so dass die Ankerlöcher 562 und
Durchbrüche 564 festgelegt
und während
einer nassen Ätzung
geöffnet
werden, wie in 66 gezeigt. Wie in 67 gezeigt,
wird daraufhin eine Schicht aus isolierendem Material 566,
wie etwa ein Nitrid, abgeschieden, um eine Isolation der Ankerlöcher 562 und/oder
der Durchbrüche 564 bereitzustellen.
Die Schicht von isolierendem Material 566 wird nachfolgend
unter Verwendung einer trockenen Ätzung gemustert, wie in 68 gezeigt.
Wenn notwendig, kann eine Oxidschicht (nicht gezeigt) auf der Schicht
von isolierendem Material 566 für die nasse Ätzung abgeschieden
werden. Der modifizierte Prozess wird daraufhin wie vorstehend beschrieben
mit Bezug auf 48–57 weitergeführt.