JP2015504183A - 基板への結合損失を削減したフォトニック結晶導波路 - Google Patents

Abstract

フォトニック装置の基板と内部コア間の削減された光結合を提供する領域を提供するフォトニック装置と形成方法が記述される。その領域は、内部コアと外部クラッド内に、穴を用いて形成される。穴は、フォトニック結晶を提供するような材料で満たされることができる。したがって、フォトニック装置は、導波路として、及び、フォトニック結晶として、機能することが出来る。【選択図】図１Ｆ

Description

ここに説明する実施形態は、一般に、例えば、半導体装置などの電子装置の分野に関し、特には、フォトニック装置及び形成方法に関する。

光電装置としても知られる電気光装置は、光を発し、制御し、検出することができる電子装置のクラスに属するものである。電気光装置は、電気的及び光学的機能の両方を含む。半導体産業では、フォトニック装置は、チップ内の通信、コンピュータボードのチップ間の通信、及び、コンピュータボード間の通信を含むさまざまな最先端の応用を有する。より要求の厳しい通信帯域、エネルギー消費、及び、半導体装置などの電子装置の性能標準に応答して、例えば、フォトニック結晶、光導波路などのフォトニック装置は、光／電子回路にますます一体化され、電気光集積回路と呼ばれる電気光装置のある種を形成している。電気光集積回路において、純粋な光機能、純粋な電気機能及び光電気機能を実行する構成要素は、ＣＭＯＳプロセスの流れを用いて、同じあるいは異なる基板上に同時に形成されるだろう。現在のＣＭＯＳプロセスの流れは、ディポジション、マスキング、エッチング、及び、ドーピングを含む、一連の複雑な製造ステップを含む。

利点のあるフォトニック装置は、例えば、屈折率を周期的に変える、複数の穴を配置するものなどの、フォトニック結晶、フォトニック材料、及び／あるいは、構造の光格子である。フォトニック結晶は、電磁波伝搬の固有の特性のカスタマイズを可能にする穴を有している。キャリアエネルギーがブロックされる、半導体のバンドギャップエネルギーと同様に、フォトニック結晶は、特定の波長の存在がブロックされる一方、他の波長は、通過可能とされる電磁波のフォトニックバンドギャップを提供することが出来る。ブロックされる方向には、構造の「フォトニックバンドギャップ」である。フォトニック結晶が、すべての偏波及び方向についての波長範囲内の光の伝搬を許さないならば、それは、「完全なフォトニックギャップ」を有している。フォトニック結晶は、二次元（２Ｄ）及び三次元（３Ｄ）フォトニック結晶を含んでいる。２Ｄフォトニック結晶は、２つの次元において周期性を有しており、第３の次元では均一である。２Ｄフォトニック結晶は、完全なバンドギャップを有することはできないが、周期性の特定の面に精密に閉じ込められた伝搬の、全方向と偏波に対して存在する、ブロックされたギャップを有することができる。一方、３Ｄフォトニック結晶においては、誘電体格子が３つの次元において周期性を持ち、完全なフォトニックバンドギャップを形成する。

他の特に有用なフォトニック装置は、光導波路、すなわち、基板上に形成される光経路である。典型的な光導波路構造は、内部コアと外部クラッド材料を含む。内部コアは、外部クラッド材料の屈折率よりも大きな屈折率（ｎ）を有する材料で構成されるだろう。導波は、高屈折率の内部コアと低屈折率の外部クラッド材料の間のインタフェースにおける、電磁波の内部屈折によって起こる。

内部コアと外部クラッド材料の屈折率の差の管理は、光信号の漏れを最小にしつつ、導波路内の光信号のよどみない伝搬を維持するために必要とされる。内部コアの屈折率とマッチングする屈折率の材料は、内部コアから離されていても内部コアと結合することができ、導波路を介した光信号の伝搬を混乱させつつ、エバネセント結合と呼ばれるプロセスにより、導波路から遠ざかるように、光信号をひきつける。特に、電気光装置及び、同じ、あるいは、異なる基板上に集積されるさまざまな光学的及び電気的構造を有し、電気的及び光学的機能を有する他の電子装置は、この種類の光損失に影響を受けやすい。

光結合からの光損失を少なくし、ある程度のフォトニックバンドギャップを達成する、フォトニック結晶としても機能するフォトニック装置は、電気光装置及び、例えば、半導体装置などの他の電子装置の性能と効率を促進するだろう。

プロセスの初期ステージにおける実施形態に従った、フォトニック装置の透視図である。 図１Ａのプロセスに続くプロセスのステージにおける、Ａ−Ａ断面に沿って得られた、図１Ａのフォトニック装置の断面図である。 図１Ｂのプロセスに続くプロセスのステージにおける、Ａ−Ａ断面に沿って得られた、図１Ｂのフォトニック装置の断面図である。 図１Ｃのプロセスに続くプロセスのステージにおける、Ａ−Ａ断面に沿って得られた、図１Ｃのフォトニック装置の断面図である。 図１Ｄのプロセスに続くプロセスのステージにおけるＡ−Ａ断面に沿って得られた、図１Ｄのフォトニック装置の断面図である。 図１Ｅのプロセスに続くプロセスのステージにおける、Ａ−Ａ断面に沿って得られた、図１Ｅのフォトニック装置の断面図である。 Ａ−Ａ断面に沿って得られた、フォトニック装置の他の実施形態の断面図である。 Ａ−Ａ断面に沿って得られた、フォトニック装置の他の実施形態の断面図である。 図２のフォトニック装置の内部コアの上から見た図である。 図３のフォトニック装置の内部コアの上から見た図である。 ここに開示されるさまざまな実施形態にしたがって構成されたフォトニック装置を有する電気光装置のブロック図である。

以下の詳細な説明において、説明の一部をなし、実現される特定の実施形態を図示により示す添付の図面を参照する。同様な参照番号は、すべての図面にわたって同様な構成要素を表すことを理解されたい。実施形態が、当業者が製造し、使用できるように、十分詳細に説明されるが、構造的変更、材料の変更、電気的変更、及びプロセスの変更が、開示される特定の実施形態になされ得るものであり、そのいくつかのみについて、以下に詳細に説明されていることが理解されるであろう。

語句「基板」は、シリコン、絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ），シリコンだけのもの（ＳＯＮ）、サファイア上のシリコン（ＳＯＳ）技術、ドープされた、及び、ドープされていない半導体、半導体基礎に支持されたシリコンのエピタキシャル層、他の半導体構造を含む。更に、以下の説明で「基板」を参照した場合には、前段階のプロセスステップが、ガラスあるいは水晶などの絶縁基板と共に、基板半導体構造あるいは基礎における領域あるいは接合を形成するために利用されているだろう。語句「基板」は、また、以下を含むことが理解される。それらは、例えば、他のものの中でも、線形及び非線形光材料、半導体及び絶縁体／誘電体、音響材料磁気材料、強誘電性材料、圧電材料、超伝導材料などを含むことも理解される。更に、半導体は、シリコンベースのものである必要は無く、例えば、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）あるいは、リン化インジウム（ＩｎＰ）などに基づくものとすることが出来る。

語句「フォトニック結晶」は、例えば、屈折率を周期的に変える、穴の配置などの、構造の材料及び／あるいは、格子を示す。「フォトニック結晶」は、単一及びマルチモードフォトニック結晶と共に、２Ｄ及び３Ｄフォトニック結晶を含む。

ここに説明する実施形態は、電子装置に使用されるフォトニック装置、例えば、電気光装置、半導体装置などと、それらを形成する方法を提供する。フォトニック装置は、少なくとも、基板、内部コア、外部クラッド材料、基板の反結合領域を有する。基板の反結合領域は、装置の内部コアの少なくとも一部と、装置のクラッド層の少なくとも一部の下に広がることが出来る。複数の穴が、反結合領域の形成をアシストするために、内部コアの上面から内部コアの中を通って伸びるように内部コア内に設けられることが出来る。複数の穴は、フォトニック結晶を形成するために使用されることも出来る。

複数の穴と、フォトニック装置の反結合領域の組み合わせは、いくつかの利点を提供する。反結合領域は、フォトニック装置の内部コアと、それが形成される基板の間の光分離を増加し、したがって、それらの結合を減少することが出来る。反結合領域は、例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、あるいは、他の誘電材料あるいは適切な金属酸化物などの外部クラッド材料の屈折率のほぼそれ以下の屈折率を有している。基板と、フォトニック装置の内部コアの間の結合を減少することは、フォトニック装置からの潜在的な伝搬損失を限定することが出来る。

ある実施形態では、反結合領域の少なくとも一部は、外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有する。反結合領域を形成するのに用いられる内部コアとクラッドを通る複数の穴は、内部コアを通って、電磁波が乱されずに伝搬することを保証する屈折率を有した材料で満たされるだろう。

他の実施形態では、反結合領域に加え、少なくとも反結合領域を形成するのに用いられる複数の穴の第１のグループが、外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第１の屈折率を有しており、複数の穴の第２のグループが、外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有している。そのような実施形態では、フォトニック装置は、内部コアと基板との間の望まない結合による潜在的な光の漏洩に対して保護する反結合領域を形成する方法を提供するほかに、ある値のカスタマイズ可能なフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶としても機能することができる。

さまざまな実施形態のフォトニック装置は、既存のＣＭＯＳプロセスの流れの間、例えば、ダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）あるいは、二重ダマシン（ｄｕａｌ ｄａｍａｓｃｅｎｅ）プロセスの間に基板が形成された後、適切なプロセスのステージにおいて、形成されることが出来る。米国特許７，０７４，７１７号に記載されているように、ダマシンプロセスの流れは、半導体の絶縁あるいは誘電層に、トレンチあるいは他のくぼみが形成される電気的相互結合製造プロセスである。トレンチは、導電性構造を形成するために、金属あるいは他の導電性材料で満たされる。その一部に対し、二重ダマシンプロセスは、半導体装置の絶縁あるいは誘電層に、接触開口部も形成されるマルチレベル相互結合製造プロセスである。ＣＭＯＳあるいはダマシンプロセスのステージは、フォトニック装置プロセスステップ（図１Ａ−１Ｆについて後述する）が起こるときは、製造され、フォトニック装置が基板上に形成され、製造される電子装置の光学的及び電気的パラメータに依存する。フォトニック装置の位置は、また、電子装置の光学的及び電気的パラメータによって決定される。ダマシンプロセスの流れは、内部コアの上面に対し、滑らかな仕上がりを提供し、内部コアからの光の漏洩を減少することに貢献することができる、と言う利点を有している。

図１Ａは、プロセスの初期ステージにおける、フォトニック装置１００の実施形態の透視図を示し、図１Ｂは、Ａ−Ａ断面に沿って得られたフォトニック装置１００の断面図を示す。基板１００が既知の任意のプロセスで形成された後、例えば、化学蒸着などの適切なディポジション技術、リソグラフィプロセス技術、例えば、約８００℃と約１２００℃の間の熱酸化プロセスなどの焼鈍処理、あるいは、ＣＭＯＳ（あるいは、ダマシン）プロセスの流れと整合する他のプロセスによって、外部クラッド材料１２０及び内部コア１３０が続いて形成されるだろう。外部クラッド材料１２０及び内部コア１３０は、基板１１０上に形成されるだろう。Ａ−Ａ断面から、内部コア１３０を、（図１Ｂに示されるように）、長方形形状を有すること、あるいは、内部コア１３００を、球形、多角形、あるいは、他の形状を有することが出来る。図１Ｂに示されるように、内部コア１３０は、外部クラッド材料１２０の少なくとも一部に埋め込まれるだろう。図１Ｂにおいて、外部クラッド材料１２０は、内部コア１３０を越えて広がらないが、これに限定するものではない。つまり、外部クラッド材料１２０は、望まれるなら、内部コア１３０の少なくとも一部を越えて広がるだろう。フォトニック装置１００の内部コア１３０は、例えば、ポリシリコン（屈折率（ｎ）＝約３．７）、単結晶シリコン（ｎ＝約３．５）あるいは、窒化シリコン（ｎ＝約２．０１）とすることが出来る。外部クラッド材料１２０は、内部コア１３０の屈折率より小さい屈折率を有する任意の誘電材料とすることができ、例えば、二酸化シリコン（ｎ＝約１．４５）、酸化アルミニウム（ｎ＝約１．７６）あるいは他の金属酸化物とすることが出来る。更に、外部クラッド材料１２０の屈折率とマッチする材料のスペーサ１２５が、外部クラッド材料１２０の後続のエッチングを防止し、装置１００に機械的支持を提供するために設けられても良い。光信号は、内部コア１３０のところで、フォトニック装置１００に入射し、少なくとも１つの光経路ｐ（図１Ａ）に沿って伝搬する。

内部コア１３０は、約１５０ｎｍから約３００ｎｍの厚さを有することが出来る。外部クラッド材料１２０は、約９２５ｎｍから約２ミクロンの厚さを有することが出来る。しかし、これは、限定的なものではない。内部コア１３０と外部クラッド材料１２０は、特定の光学的特性、例えば、ある波長あるいは波長範囲の光を通過させるなど、及び、装置１００の使用と応用を可能とする既知の任意の寸法とすることが出来る。

内部コア１３０が基板１１０に近く、屈折率が似ていることによる可能なエバネセント結合は、光信号の基板１１０への損失の潜在力を増加する。結果として、光は、内部コア１３０−外部クラッド材料１２０境界において反射され、少なくとも１つの光経路ｐに沿って伝搬するのではなくて、基板１１０に結合し、あるいは、そうでなければ、失われる。図１Ｃ−１Ｆに関して以下に説明する方法ステップは、エバネセント結合及び光、あるいは信号損失を軽減するのを助けるために、基板１１０内に反結合領域１５０を形成することが出来る複数の穴１４０を、どのように形成するかを説明する。

外部クラッド材料１２０と内部コア１３０を、基板１１０上に形成した後、複数の穴１４０が、図１Ｃに示されるように、外部クラッド材料１２０と内部コア１３０内に形成されるだろう。プロセスのこのステージでは、フォトニック装置１００の一部は、パターニングと適切なエッチングによって取除かれ、穴１４０を形成する。穴１４０は、内部コア１３０とクラッド層１２０を通って、装置１００の上端から横たわる基板１１０まで伸びるだろう。上から見ると、穴１４０の形状は、球形、長方形、多角形あるいは他の形状であることが出来る。

穴１４０の形成に続いて、反結合領域１５０を、図１Ｄに示されるように、基板１１０内に形成することが出来る。反結合領域１５０は、外部クラッド材料の少なくとも一部と、内部コア１３０の少なくとも一部の下部に広がる。反結合領域１５０は、例えば、等方性エッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチングあるいは、図１Ｃの複数の穴１４０を形成するのに用いることが出来るエッチングプロセスなどの任意のプロセスによって形成することが出来る。反結合領域１５０は、「空」、つまり、図１Ｄのように、空気のみで満たされるままとすることが出来る。あるいは、図１Ｅに示されるように、反結合領域１５０の少なくとも一部は、例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウムあるいは他の金属酸化物などの外部クラッド材料１２０を形成するのに使用される同じあるいは同様な材料及び技術を用いて形成できる適切な誘電材料を用いて満たすことが出来る。エッチング後過熱プロセス、例えば、約８００℃と約１２００℃の間での熱酸化プロセスは、反結合領域１５０内に酸化物を成長させるのに用いることも出来る。例えば、基板１１０がシリコンで形成される場合、反結合領域１５０は、成長された二酸化シリコンで満たすことができる。

図１Ｆに示されるように、複数の穴１４０は、ポリシリコン（ｎ＝約３．７）、単結晶シリコン（ｎ＝約３．５）、窒化シリコン（ｎ＝約２．０１）あるいは、外部クラッド材料１２０の屈折率より大きな屈折率を有する任意の他の適切な材料で満たすことが出来る。穴１４０は、穴１４０が内部コア１３０から基板１１０への光漏洩を引き起こさないような、内部コア１３０と光学的に親和性のあるものであるべきである。これにより、反結合領域１５０が内部コア１３０と基板１１０の間の結合を軽減しつつ、内部コア１３０を通った光信号の伝搬は、複数の穴１４０によって影響を受けることなく進むことが出来る。

したがって、フォトニック装置１００は、基板１１０と、基板１１０上に形成された外部クラッド材料１２０と、外部クラッド材料１２０の一部内の内部コア１３０と、内部コア１３０の少なくとも一部と、外部クラッド材料の少なくとも一部の下部に広がる、基盤１１０内の反結合領域１５０と、を備える。更に、反結合領域１５０は、内部コア１３０と基板１１０の間の光結合を軽減するのに十分とすることが出来る。内部コア１３０は、ポリシリコン、単結晶シリコン、及び、窒化シリコンの一つからなる。外部クラッド材料１２０は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、金属酸化物、及び、誘電性材料の内の一つからなる。

反結合領域１５０の少なくとも一部は、外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有することが出来る。また、反結合領域１５０の少なくとも一部は、誘電性材料、空気、二酸化シリコン、酸化アルミニウム及び金属酸化物の内の一つで満たすことが出来る。

フォトニック装置１００を形成する方法も適用される。その方法は、基板１１０上に外部クラッド材料１２０を形成し、外部クラッド材料１２０の一部内に内部コア１３０を形成し、内部コア１３０と外部クラッド材料１２０内に穴１４０を形成し、穴１４０を使って、内部コア１３０の少なくとも一部と、外部クラッド材料１２０の少なくとも一部の下部に広がる、基盤１１０内の反結合領域１５０を形成する、ことを含む。反結合領域１５０は、内部コアと基板との間の光結合を軽減するのに十分とすることが出来る。

この方法は、また、反結合領域１５０の少なくとも一部を、外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有する材料で満たすことを含むことが出来る。反結合領域１５０は、また、空気で満たされることが出来る。そのステップは、ＣＭＯＳプロセス、ダマシンプロセス、及び、二重ダマシンプロセスの１つの間に行うことが出来る。

複数の穴は、また、説明するように、フォトニック結晶を提供するためのさまざまな材料で満たされることが出来る。

図２は、複数の穴２４０の第１のグループ２４１が、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第１の屈折率を有する材料で満たされることが出来る以外は、図１Ｆの装置１００と同様な実施形態に従った、フォトニック装置２００を示す。複数の穴２４０の第２のグループ２４２は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有する材料で満たされることが出来る。穴２４０を満たす材料は、外部クラッド材料１２０（図１Ａ−１Ｂ）を形成するのに用いられる、あるいは、例えば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、あるいは、他の金属酸化物、あるいは、誘電性材料などの、反結合領域１５０（図１Ｅ）を満たすことが出来る、任意の材料とすることが出来る。結果として、複数の穴２４０の配置及び充満は、内部コア１３０の屈折率を、周期的に変化させることが出来る。したがって、内部コア１３０は、カスタマイズできるフォトニック波長バンドギャップを有するフォトニック結晶を形成する。

第１のグループ２４１の穴は、フォトニック結晶を形成するための、第２のグループ２４２の穴と同じ材料あるいは、異なる材料（外部クラッド材料１２０の屈折率以下の屈折率を有する）で満たすことが出来る。穴２４１の第１のグループと穴２４２の第２のグループが、異なる材料で満たさせる場合、使用される材料のそれぞれの屈折率は、内部コア１３０内の屈折率と装置２００の光学的特性の望ましい周期的な変化を支持するべきである。

図３は、複数の穴３４０の少なくとも第１のグループ２４１及び／あるいは第２のグループ３４２が、空気（ｎ＝約１）で満たされることを以外は、図２の装置２００と同様な他の実施形態に従った、フォトニック装置３００を示す。図３に説明されるように、複数の穴３４０の第２のグループ３４２は、空気で満たされることが出来るが、これは限定的なものではない。

何れかの実施形態においては、反結合領域１５０は、空気（図１Ｄのように）で、あるいは、誘電性材料（図１Ｅのように）で、満たされることが出来る。

フォトニック装置１００、２００、３００の素子の特性と形状は、既知の任意の特性及び形状を含むことが出来る。フォトニック装置２００、３００は、例えば、周期性の特定の平面における伝搬のすべての方向と偏波に波長バンドギャップを形成するために、穴２４０、３４０が２つの次元内で周期的である２次元（２Ｄ）として、あるいは、完全な波長バンドギャップのフォトニック結晶を形成するために、３つの次元内で、穴２４０、３４０が周期的である３次元（３Ｄ）として、機能することが出来る。穴２４０、３４０の配置とそれらの屈折率、すなわち、用いられる充満材料、は、フォトニック装置２００、３００の波長バンドギャップを決定する。

図４Ａ−４Ｂは、それぞれ、使用可能な穴２４０、３４０の例示的配置を示す、フォトニック装置２００、３００の内部コア１３０を上から見た図を示す。装置２００、３００は、２Ｄあるいは３Ｄフォトニック結晶として機能することが出来る。図４Ａは、穴２４０の例示的三角格子を示し、図４Ｂは、穴３４０の例示的長方形格子を示すが、配置は、これらには限定されない。格子定数a_l、2、すなわち、周期は、１つの穴２４０、３４０の中央から隣接する穴２４０、３４０の中央までの距離である。望まれる波長あるいは波長範囲のフォトニックバンドギャップを達成するためには、ａが、望まれる波長の何分の１か（典型的には１／２）であるべきである。穴２４０、３４０の半径は、例えば、装置２００、３００の望まれる波長バンドギャップ範囲に依存して、約０．０２a_１、２から、０．４８a_１、2とすることが出来る。一般に、波長バンドギャップは、内部コア１３０と外部クラッド材料１２０間の屈折率差が大きいほど、広くすることが出来る。フォトニックバンドギャップ波長の下限は、最小のａと、形成できる穴２４０、３４０によって主に決定される。フォトニックバンドギャップの波長と幅は、また、フォトニック装置２００、３００内の複数の穴２４０、３４０の体積の、フォトニック装置２００、３００の全体積に比較した比である、フィリング比にも依存する。フォトニック装置１００、２００、３００は、光を１つ、２つ、あるいは、いくつかのモードで伝送することが出来る。光信号は、例えば、光経路ｐ_１あるいはｐ_２に沿って伝搬することができる。各モードは、異なる伝搬定数と群速度で、内部コア１３０を通って、光経路ｐに沿って伝搬する。各モードは、ある反射角度での光信号の方向での、内部コア１３０内部で反射する横方向電磁波（ＴＥＭ）の複数の反射の和として記述することが出来る。

図４Ａ−４Ｂの光経路p_１、２は、限定的なものではない。装置２００、３００の光特性（形状と材料によって決定される）は、特定の光信号が伝搬する正確な光経路ｐを規定する。装置２００、３００は、さまざまな光経路を伝搬する１以上の光信号を受信することが出来る。

３Ｄ及び２Ｄフォトニック結晶と形成方法は、それぞれ、米国特許７，０５４，５３２号、米国特許７，４１８，１６１号に記載されている。米国特許７，０５４，５３２号は、誘電体格子を形成するために必要な追加的プロセスステップ、すなわち、装置２００、３００の内部コア１３０が３Ｄフォトニック結晶を形成するための、第３次元において周期的な穴２４０、３４０の配置を説明している。フォトニック結晶として機能可能なフォトニック装置２００、３００の形状の更なる例としての、Ｊｉａｏ ｅｔ．ａｌ，”Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｗｉｔｈｏｕｔ Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ：Ａ Ｍｏｄｅ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ，”Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（”Ｊｉａｏ”）は、半径約０．１８ａの複数の穴（例えば、千個）を有する、小型の（８．２マイクロン×１３．３マイクロン）マルチモードフォトニック装置を提案している。フォトニック装置２００、３００の形状の他の例は、Ｓｏｌｊａｃｉｃ ｅｔ．ａｌ，”Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ａｐｒ．１５，２００３，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．８ (”Ｓｏｌｊａｃｉｃ”）．に見ることが出来る。Ｓｏｌｊａｃｉｃは、半径０．２ａの穴を有する４ポート、非線形フォトニック結晶を提案している。更なる例においては、Ｊｉａｎｇ ｅｔ．ａｌ，”８０‐Ｍｉｃｒｏｎ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ８７，２２１１０５ （２００５） （”Ｊｉａｎｇ”）は、格子定数が４００ｎｍで、穴の直径が２１０ｎｍで、内部コアの厚さが２１５ｎｍで、外部クラッド材料の厚さが２ミクロンの超小型フォトニック結晶変調器を提案している。

したがって、装置２００、３００（図２、３）は、複数の穴２４０、３４０が、内部コア１３０の上端面からそれを通って伸びてフォトニック結晶を形成するために、内部コア１３０内に設けられること以外は、装置１００と実質的に同一なものとすることが出来る。複数の穴２４０、３４０の少なくとも第１のグループ２４１は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下である第１の屈折率を有することができる。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１は、誘電性材料で満たすことが出来る。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び、金属酸化物の１つで満たすことが出来る。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１は、空気で満たすことが出来る。複数の穴２４０、３４０の少なくとも第２のグループ２４２、３４２は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有することが出来る。複数の穴２４０、３４０の第２のグループ２４２、３４２は、誘電性材料で満たすことが出来る。複数の穴２４０、３４０の第２のグループ２４２、３４２は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び金属酸化物の１つで満たすことが出来る。複数の穴２４０、３４０の第２のグループ２４２、３４２は、空気で満たすことが出来る。フォトニック結晶は、二次元フォトニック結晶とすることが出来る。フォトニック結晶は、また、三次元フォトニック結晶とすることが出来る。

装置２００、３００を形成する方法は、フォトニック結晶を形成するために、上端面から内部コアを通って伸びる、内部コア１３０内の複数の穴２４０、３４０を形成することを含むほかは、装置１００を形成する方法と実質的に同一とすることが出来る。フォトニック結晶は、二次元フォトニック結晶とすることが出来る。フォトニック結晶は、三次元フォトニック結晶とすることもできる。当該方法は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下である第１の屈折率を有する材料で、複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１を満たすことも含むことができる。当該方法は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有する材料で、複数の穴２４０、３４０の第２のグループ２４２、３４２を満たすことも含むことが出来る。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１と複数の穴２４０、３４０の第２のグループ２４２、３４２の一方は、空気で満たすことが出来る。

図５は、少なくとも１つのフォトニック装置、例えば、１００、２００、３００（図１−４）が、オンチップあるいはオフチップの発光素子２０と送受信器４０と通信し、電気光装置１０内の光信号５の伝搬をいかに容易にすることが出来るかを説明するブロック図である。例として、少なくとも１つのフォトニック装置１００、２００、３００のさまざまな実施形態は、オンチップあるいはオフチップの発光素子２０、例えば、光学発光素子、発光ダイオード、レーザダイオードあるいは、他の発光素子から光信号５を受信することによって、動作することができる。光信号５は、少なくとも１つのフォトニック装置１００、２００、３００あるいは、一連のフォトニック装置を介して伝送されることができる。そこから、光信号５は、送受信器４０として集積される、変調器及び／あるいは、検波器（不図示）へ伝送されることが出来る。送受信器４０は、少なくとも１つのフォトニック装置１００、２００、３００の一端あるいは両端に配置されることが出来る。送受信器４０は、図５に示されるように、光信号５を送信し、及び／あるいは、受信するように構成されることができる。送受信器４０は、また、例えば、電気光装置の他の素子を駆動するため、光信号５を電気信号に変換して戻すことができる。１以上のフォトニック装置１００、２００、３００が、例えば、直列に設けられた場合、光信号５は、また、フォトニック装置１００、２００、３００の間を伝搬することができる。

複数の穴１４０、２４０、３４０は、装置１００、２００、３００の望まれる光及び／あるいは電気特性を支持する任意の数、例えば、千個の穴を含むことが出来る。

さまざまな実施形態に従って、システムが設けられ、システムは、光信号５を送信するように構成された発光素子と、発光素子２０からの光信号５を受信するように構成された少なくとも１つのフォトニック装置１００、２００、３００とを備え、少なくとも１つのフォトニック装置は、基板と、基板上に形成された外部クラッド材料１２０と、外部クラッド材料１１０の一部の内部の内部コア１３０と、内部コア１３０の少なくとも一部と、外部クラッド材料１２０の少なくとも一部の下部に広がる、基盤１１０内の反結合領域と、を備える。反結合領域１５０は、内部コア１３０と基板１１０の間の光結合を軽減するのに十分とすることができる。

このシステムは、少なくとも１つのフォトニック装置１００、２００、３００に、光信号を送受信するように構成され、少なくとも１つのフォトニック装置１００、２００、３００の一端、あるいは、両端に配置される送受信器４０を含むことが出来る。複数の穴２４０、３４０は、フォトニック結晶を形成するために、上端面から内部コアを通って伸びて、内部コア１３０内に設けられることが出来る。フォトニック結晶は、二次元フォトニック結晶とすることが出来る。フォトニック結晶は、三次元フォトニック結晶とすることができる。反結合領域１５０の少なくとも一部は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有する材料で満たされることが出来る。反結合領域１５０は、空気で満たされることができる。複数の穴２４０、３４０の少なくとも第１のグループ２４１は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第１の屈折率を有することができる。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１は、誘電性材料で満たされることができる。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び金属酸化物の内の一つで満たされることが出来る。複数の穴２４０、３４０の第１のグループ２４１は、空気で満たされることができる。複数の穴２４０、３４０の少なくとも第２のグループ２４２は、外部クラッド材料１２０の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有することが出来る。内部コア１３０は、ポリシリコン、単結晶シリコン、及び、窒化シリコンの内の一つからなる。外部クラッド材料１２０は、二酸化シリコンからなる。

開示の実施形態が詳細に説明されたが、本発明は、開示の実施形態に限定されないことは、容易に理解されるべきである。むしろ、開示の実施形態は、ここには説明されない、任意の数の変形、変更、入れ替え、あるいは、等価な配置を組み込むよう変形されることが可能である。

Claims (42)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された外部クラッド材料と、
   前記外部クラッド材料の一部内の内部コアと、
   前記内部コアの少なくとも一部と前記外部クラッド材料の少なくとも一部の下部に広がる、前記基板内の反結合領域と、を備え、
   前記反結合領域は、前記内部コアと前記基板との間の光結合を軽減するのに十分である、ことを特徴とするフォトニック装置。
2. 複数の穴が、フォトニック結晶を形成するために、上端面から内部を通るように、前記内部コア内に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
3. 前記反結合領域の少なくとも一部は、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
4. 前記反結合領域の少なくとも一部は、誘電性材料で満たされる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
5. 前記反結合領域の少なくとも一部は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び、金属酸化物の内の一つで満たされる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
6. 前記反結合領域の少なくとも一部は、空気で満たされる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
7. 前記複数の穴の少なくとも第１のグループは、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第１の屈折率を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック装置。
8. 前記複数の穴の前記第１のグループは、誘電性材料で満たされる、ことを特徴とする請求項７に記載のフォトニック装置。
9. 前記複数の穴の前記第１のグループは、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び、金属酸化物の内の一つで満たされる、ことを特徴とする請求項７に記載のフォトニック装置。
10. 前記複数の穴の前記第１のグループは、空気で満たされる、ことを特徴とする請求項７に記載のフォトニック装置。
11. 前記複数の穴の少なくとも第２のグループは、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有する、ことを特徴とする請求項７に記載のフォトニック装置。
12. 前記複数の穴の前記第２のグループは、誘電性材料で満たされる、ことを特徴とする請求項１１に記載のフォトニック装置。
13. 前記複数の穴の前記第２のグループは、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び、金属酸化物の内の一つで満たされる、ことを特徴とする請求項１１に記載のフォトニック装置。
14. 前記複数の穴の前記第２のグループは、空気で満たされる、ことを特徴とする請求項１１に記載のフォトニック装置。
15. 前記内部コアは、ポリシリコン、単結晶シリコン、及び、窒化シリコンの内の一つを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
16. 前記外部クラッド材料は、誘電性材料からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
17. 前記外部クラッド材料は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び、金属酸化物の内の一つを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック装置。
18. 前記フォトニック結晶は、二次元フォトニック結晶である、ことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック装置。
19. 前記フォトニック結晶は、三次元フォトニック結晶である、ことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック装置。
20. 光信号を送信するように構成された発光素子と、
    前記発光素子から前記光信号を受信するように構成された少なくとも１つのフォトニック装置と、を備え、前記少なくとも１つのフォトニック装置は、
    基板と、
    前記基板上に形成される外部クラッド材料と、
    前記外部クラッド材料の一部内の内部コアと、
    前記内部コアの少なくとも一部と、前記外部クラッド材料の少なくとも一部の下部に広がる前記基板内の反結合領域と、を備え、
    前記反結合領域は、前記内部コアと前記基板の間の光結合を軽減するのに十分である、ことを特徴とするシステム。
21. 複数の穴は、フォトニック結晶を形成するために、上端面から内部を通るように、前記内部コア内に設けられている、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記少なくとも１つのフォトニック装置と、前記光信号を送受信するように構成された、前記少なくとも１つのフォトニック装置の一端、あるいは、両端に配置される送受信器を更に備える、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
23. 前記フォトニック結晶は、二次元フォトニック結晶である、ことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
24. 前記フォトニック結晶は、三次元フォトニック結晶である、ことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
25. 前記反結合領域の少なくとも一部は、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有する材料で満たされる、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
26. 前記反結合領域は、空気で満たされる、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
27. 前記複数の穴の少なくとも第１のグループは、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第１の屈折率を有する、ことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
28. 前記複数の穴の前記第１のグループは、誘電性材料で満たされる、ことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
29. 前記複数の穴の前記第１のグループは、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、及び、金属酸化物の内の一つで満たされる、ことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
30. 前記複数の穴の前記第１のグループは、空気で満たされる、ことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
31. 前記複数の穴の少なくとも第２のグループは、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有する、ことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
32. 前記内部コアは、ポリシリコン、単結晶シリコン、及び窒化シリコンの内の一つを含む、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
33. 前記外部クラッド材料は、二酸化シリコンを含む、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
34. フォトニック装置を形成する方法であって、
    基板上に外部クラッド材料を形成し、
    前記外部クラッド材料の一部内に内部コアを形成し、
    前記内部コアの少なくとも一部と、前記外部クラッド材料の少なくとも一部の下部に広がる前記基板内に、反結合領域を形成し、
    前記反結合領域は、前記内部コアと前記基板の間の光結合を軽減するのに十分である、ことを特徴とする方法。
35. 更に、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の屈折率を有する材料で、前記反結合領域の少なくとも一部を満たす、ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 前記反結合領域は、空気で満たされる、ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
37. 前記方法は、ＣＭＯＳプロセス、ダマシンプロセス、及び、二重ダマシンプロセスの内の一つの間に行われる、ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
38. 更に、フォトニック結晶を形成するために、上端面から内部を通るように、前記内部コア内に複数の穴を形成する、ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
39. 前記フォトニック結晶は、二次元フォトニック結晶及び、三次元フォトニック結晶の内の一つである、ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 更に、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第１の屈折率を有する材料で、前記複数の穴の第１のグループを満たす、ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
41. 更に、前記外部クラッド材料の屈折率とほぼ等しいかそれ以下の第２の屈折率を有する材料で、前記複数の穴の第２のグループを満たす、ことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
42. 前記複数の穴の第１のグループ、及び、前記複数の穴の第２のグループの内の一つは、空気で満たされている、ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。

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