JP4847436B2 - シリコン−オン−インシュレータ（ｓｏｉ）構造における光の能動操作 - Google Patents

Description

関連出願のクロスリファレンス
本出願は、２００４年２月２６日に出願した米国暫定出願第６０／５４７，９１１号の優先権を主張する。

技術分野
本発明は、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）構造における光の能動操作に関するものであり、特に、選択された領域にドーピングして、ＳＯＩ構造を通過する一またはそれ以上の光学ビームの所望の制御を提供する、シリコン−絶縁体−シリコン容量性（ＳＩＳＣＰＡ）構造に関する。

発明の背景
平面光回路（ＰＬＣ）は、電子チップの光学的均等物であり、電子信号よりむしろ光信号を操作し、処理を行う。ほとんどの場合、ＰＬＣは、半導体基板の上に形成した比較的薄いガラスの層、ポリマあるいは半導体中に形成されている。光回路自体は、光導波路によって相互接続された一またはそれ以上の光学デバイスでできており、この導波路が一の光学デバイスから別の光学デバイスへ光を案内する機能を果たし、したがって、電子チップ内の金属の相互接続の光学的均等物であると考えられる。この光学デバイスは、受動的光学デバイス、あるいは能動的電気−光学デバイスのいずれかを具えており、例えば、反射、フォーカッシング、収束、ビームスプリット、波長マルチプレキシング／デマルチプレキシング、変調と検出の切り替え、その他、を含む機能を実行する。

現在のところ、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）構造内に形成した共通の平面光学デバイスは、比較的厚い（＞３−４μｍ）シリコン表面導波層（以下、「ＳＯＩ層」という）を用いており、エッジ照明などの方法を介してＳＯＩ層への光信号の入力／出力カップリングを比較的容易なものにしている。しかしながら、エッジ照明カップリングが必要であるため、高い表面品質を有する（カップリングインターフェースにおける反射と後方散乱を防ぐために）エッジを形成するとともに、チップのエッジにアクセスしなければならない。更に、高品位構造の製造は、むしろ、比較的厚いＳＯＩ層に困難がある（たとえば、導波路、リング、ミラー、他に「滑らかな」縦の側壁を形成する）と考えられている。このシリコンの厚さも、電子部品と光学部品の双方を同時に形成するための従来のＣＭＯＳ製造プロセスの使用を妨げている。更に、このような比較的厚い層に形成された光学構造は、複数の光学モードの伝達を支持する傾向にあり、この構造を通って基本モードだけを送信する能力を複雑なものにしている。更に、比較的厚いＳＯＩ層も、電子デバイスの速度を制限する。

ＳＯＩ層の厚さが１ミクロン以下になるように制限すると、上述した問題のほとんどが、完全になくならないまでも、有意に低減される。しかしながら、サブミクロンの厚さのＳＯＩ層に実行可能な光通信回路を形成するためには、ＳＯＩ層内で光を動的に操作する必要がある。特に、例えば、チューニング、フォーカッシング、変調、減衰、偏向、スイッチング、およびサブミクロンの厚さのＳＯＩ層を通る光を散乱させ、好ましくは従来のＣＭＯＳコンパチブルな電圧レベルを用いて動的操作を行い、共通のシリコン基板に設けた光学及び電子部品を制御するために共通の電源を使えるようにする、といった、様々な光学機能を実行する必要がある。

発明の概要
従来技術における要求が、本発明によって取り組まれている。本発明は、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）構造内の光の動的操作に関し、特に、選択された領域にドーピングして、ＳＯＩ構造を通過する一またはそれ以上の光学ビームの所望の制御を提供する、シリコン−絶縁体−シリコン容量性（ＳＩＳＣＡＰ）構造に関する。

本発明によれば、ＳＩＳＣＡＰ構造は、比較的薄い誘電層（この分野では、「ゲート酸化物」という）及び、表面シリコン層（通常、ポリシリコンでできている）と組み合わせた、ＳＯＩ構造の比較的薄い（すなわち、サブミクロン）シリコン表面層（以下、「ＳＯＩ層」という）を具える。ポリシリコン層とＳＯＩ層を処理して、ゲート酸化物の近傍に所望の形状の相補的にドーピングした領域を形成して、能動デバイス領域をつくる。電気的バイアス電圧を印加せずに、ドーピングしたＳＩＳＣＡＰ構造は、従来のＳＯＩベースの導波路構成として機能する。ポリシリコンとＳＯＩ層の間に電気バイアスを与えると、ドーピングした領域の屈折率が変化して、ドーピングした領域の形状に依存して、伝達する光ビームが所望の態様で操作される。

本発明の一の特徴は、ＳＯＩ層とポリシリコン層内のドーピングした領域が様々な形状を示し、様々な電圧レベルでバイアスされることである。実際、従来のＣＭＯＳ処理／ドーピング技術の使用により、複数のドーピングした領域をＳＯＩ層及び／又はポリシリコン層に形成して、グレーティング（およびフレネルレンズ）などの光学素子を形成することができる。

本発明の構造に印加する電圧を制御することによって、スイッチ、偏光コンバイナ、フィルタ、リング共鳴器、ブラッグのグレーティング、マッハ−ツェンダ干渉計、などの光学デバイスを形成して制御することができる。実際、光学出力と電気バイアス入力の間にフィードバック路が含まれており、光学制御機能を実行する。

本発明のその他の、および更なる態様と特徴は、添付図面を参照して、以下の記載を読むことで明らかになる。

詳細な説明
歪みのない、ピュアシリコンは、非リニアな電気−光（ポッケルス）効果を示し、フランツ−ケルディッシュ効果やカー効果などの非リニア効果が、ピュアシリコンでは非常に弱い。カー効果として、１０^５Ｖ／ｃｍの範囲の磁場は、たった約１０^−８ないし１０^−５のオーダで屈折率を変化させる。シリコン中の光の屈折率／光学吸収率を変化させる最も効果的なメカニズムは、自由キャリア効果（Δｎ〜１０^−３）と熱−光効果（Δｎ〜１０^−４）である。熱−光効果は、シリコンの温度変化による屈折率の変化として規定される。熱−光効果は、むしろ遅く（＜１ＭＨｚのオーダ）、今日の高速通信アプリケーションでは、適用が限定される。

本発明は、薄いＳＯＩ（サブミクロン）導波路ジオメトリにおける自由キャリア効果の利用に基づく。導波路ジオメトリは特に、ＳＩＳＣＡＰ構造を用いており、これは、表面（サブミクロン）ＳＯＩ層の上に配置した比較的薄い酸化物を具え、この薄い酸化物の上に、ＳＯＩ層の一部との重なりを作るように形成されて、能動デバイス領域を形成するシリコン層（通常、ポリシリコンの形をしている）を伴う。図１は、このようなデバイスの斜視図であり、図２は断面図である。図に示すように、このデバイスはＳＯＩ構造１０中に形成されており、シリコン基板１２と、絶縁層１４と、サブミクロンの厚さのシリコン表面層（ＳＯＩ層）１６を具える。比較的薄い酸化物（ゲート酸化物）１８がＳＯＩ層１６の表面部分の上に形成されており、ポリシリコン層２０がゲート酸化物１８とＳＯＩ層１６の上に形成されて、図に示す重なり構造を形成している。絶縁層２６が、ＳＯＩ層１６近傍に配置されており、伝達する光学モードを横方向において閉じ込めている。有利なことに、共通基板上にＣＭＯＳ電子デバイス用の「ゲート酸化物」を形成するのに使用されている同じ誘電層を、以下に述べる様々な能動光学デバイスのゲート酸化物１８を形成するのに使用できる。ＣＭＯＳ電子デバイス用に用いるものと同じゲート誘電体を用いることによって（「同じ」とは、材料の選択と厚さが同じとの意味である）、同じ電圧レベル（例えば、±３．５Ｖ）を用いて、能動光学デバイス動作に必要な自由キャリアの動きを提供することができる。以下の説明によれば、層２０は、「ポリシリコン」を含むとしている。アモルファスシリコン、粒子サイズ強化ポリシリコン、結晶粒界パッシベートポリシリコン、結晶粒界整列ポリシリコン、単結晶シリコン、実質的な単結晶シリコン、ゲルマニウム注入シリコンを含む（ただし、限定されない）、様々なタイプのシリコン／ポリシリコンをこの層の形成に使用できると理解される。

本発明の能動スイッチングおよびチューニング機能は、上述したように、自由キャリア変調法によって作られる。このような光学操作の鍵は、関連する電子制御デバイスが、同じＳＯＩ構造１０中の光学デバイスと一体化されており、ＳＯＩ構造１０の活性領域２９内の自由キャリアのインデックス特性を変えるようにすることである。これを達成する一つの方法は、光導波路の周囲（すなわち、「リブ」または有効インデックスリブ）に電子デバイスを作ることである。電子デバイスの動作は、光学モードに影響する導波路の光学特性を変える（屈折率の実部分と虚部分）。デバイスのサブミクロン寸法と、光のタイトな閉じ込め（ほとんどの場合、光波信号の基本モードのみの伝達を支持する）が、自由キャリアの効果的な使用を可能にする。自由キャリア効果は、屈折率の実部分（Δｎ）の変化による光の位相変化か、あるいは屈折率の虚部分（Δｋ）による減衰のいずれかを用いて、空乏、蓄積モード、または反転モードのいずれかに自由電子変調を提供するように活用できる。特に、屈折率の実部分は以下の式の位相シフトに関連している。

ここで、Ｌはそこで屈折率が変化する導波路の路長であり、λは、この導波路を伝達する光の波長である。吸収係数の変化は、以下に示すように、虚屈折率に関連する。

上記に照らして、ＳＯＩ層１６、ゲート酸化物１８、およびポリシリコン層２０のオーバーラップによって形成された導波構造の選択された部分に適宜ドーピングすることによって（すなわち、ドーピングで、活性領域２９を形成することによって）、及び各ドーピングした部分に関連する電極を配置する（ＳＯＩ層１６に関連する第１の電極２２と、ポリシリコン層２０に関連する第２の電極２４として示す）ことによって、能動機能を実現できることがわかった。電極２２と２４の間に規定の電圧を印加することによって、二次元電子（ホール）ガス（２ＤＥＧ）が活性領域２９内のゲート酸化物１８の両側部に形成される。本発明の利点は、高い光電界が存在するゲート酸化層１８の両サイド（すなわち、図１及び２に示すように光学モードＯの中心）で自由キャリア濃度の大きな変化を実現できることである。

図１及び２に示すような特定のデバイス構成では、収束ビームＯは、ＳＯＩ構造内に形成されたスラブ導波路を通過するように記載されている。図に示すように、三角形状にドーピングした領域が、ゲート酸化物１８近傍のＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０に形成されている。特に、第１のドープ領域１７は、ゲート酸化物１８直下の領域にあるＳＯＩ層１６に形成されており、第２のドープ領域２１は、ゲート酸化物１８のすぐ上の領域にあるポリシリコン層２０に形成されている。ここで領域１７と２１は、相補的ドーピング型を示すように形成されている（逆であってもよいが、典型的には、ＳＯＩ層１６がｐ型にドープされており、ポリシリコン層２０がｎ型にドープされている）。従来のＣＭＯＳ処理技術を用いて、順次マスクをしてＳＯＩ層１６と、ポリシリコン層２０にインプラントして、ドーピングした領域に所望のパターンを形成することができる一方、ドーピングした領域１７と２１の間で縦方向において必要なドーピングプロファイルと、重なりを提供することもできる。

本発明の好ましい実施例では、活性領域２９、すなわち、光信号伝達および操作領域から所定の距離に電極２２と２４が配置されており、光学ロスを最小にしている。図１及び図２に示すように、一対の重くドーピングした領域２３と２５が電極２２と２４に関連して形成されており、ＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０のそれぞれに必要な電極コンタクトを取るようにしている。ここで、これらの領域もドーピングした領域１７と２１に接触しており、必要な電気信号路を形成している。光信号路に対する電極２２と２４の遠隔位置がロスを低減する一方で、必要なスペースが、能動デバイスの動作速度を制限することになる。従って、ほとんどの場合、ロスと速度の間でトレードオフが決まり、電気的コンタクトは、ケースバイケースで「最良」位置に配置されることになる。すなわち、速度が重要な場合（光変調など）は、更なる量の光学ロスが提供され、コンタクトは活性領域に比較的近い位置に配置される。逆に、シングルモードの導波路領域にビームをフォーカスさせる場合など、最大信号スループットが重要な場合は、動作速度の低減が許容される。

上述したとおり、ドーピングした領域の形状は、特定の光転送機能（ＯＴＦ）が導波路に沿って伝達する光信号内で実現される（すなわち、「光の動的操作」）ように形成することができる。このような様々な形状を、様々な動的光デバイスの記載に関連して以下で議論する。以下に述べる能動デバイスは、本発明の原理の例示的なものでしかなく；実際は、本発明の能動光デバイスを形成するために、あらゆる可能な形状／ドーピングプロファイルをＳＯＩベースのＳＩＳＣＡＰ構造に用いることができる。実際、様々なＳＩＳＣＡＰ構造とドーピングバリエーションの全体的な議論は、共有の米国特許第６，８４５，１９８号に見ることができる。この特許はここに引用されている。

図３（ａ）−（ｃ）は、本発明の活性ＳＩＳＣＡＰ光学デバイス３０用の３つの異なる活性化状況を示す（平面図）。この場合、活性ＳＩＳＣＡＰデバイス３０は、レンズとして機能する形をした第１のドープ領域３２と、第１のレンズ領域３２から所定の絶縁ギャップｇだけ離れた第２のレンズ形状のドープ領域３４を具える。図１及び２の一般的な構造と同様に、第１のドープレンズ領域３２は、ＳＯＩ層１６に形成したｎ型ドープ領域３１と、ポリシリコン層２０に形成したｐ型ドープ領域３３（または、上述したように、相補的にドーピングした）を含んでいる。ここで、各領域３１、３３は、（従来のＣＭＯＳマスキングとドーパント注入プロセスを用いて）正しい形状をしており、所望のレンズ機能を提供している。第２のドープレンズ領域３４は、所定のレンズ形状を形成するために同様に、組み合わせる、ＳＯＩ層１６内にｎ型ドープ領域３５を、また、ポリシリコン層２０内にｐ型ドープ領域３７を具える。第１の電極対３６、３８を用いて、ドープ領域３１とドープ領域３３を、第１のレンズ領域３２内で、それぞれ接触させる。第２の電極対４０、４２を用いて、第２のレンズ３４領域内で、ドープ領域３５とドープ領域３７をそれぞれ接触させる。図３（あるいは残りの図面に）には特に記載していないが、各電極の直下のシリコン材料中に重くドープしたコンタクト領域が形成され、高い導電接続を形成するものと解される。

本発明によれば、各電極３６−４２に印加される電圧を制御することによって、第１のレンズ３２と第２のレンズ３４のフォーカス特性を制御することができる。図３（ａ）に記載した図では、どの電極にも電圧が印加されない場合は、背中合わせになったレンズ構造がその他の部分の散乱を無効にするので、レンズ構造は受動光学導波路デバイスとして動作する。適宜の電圧が電極に印加されると、ドーピングした領域の屈折率が変化して、光学モードの位相面を形成し、フォーカス機能を果たす。特に、図３（ｂ）に示す図では、第１セット電圧（Ｖ^＋およびＶ⁻で示す）が電気コンタクト４０および４２に印加されて、伝達ビームがポイントＡでフォーカスするように第２のレンズ３４内の有効屈折率を下げる。各々の電圧レベル（図３（ｃ）においてＶ^＋＋およびＶ^‐‐で示す）を変更することによって、図に示すように、焦点をポイントＢに移動することができる。第１レンズ３２への電圧の印加によって、別のタイプのビーム形成が行われる。一般的に、どのようなレンズの集合でも、ビームのフォーカッシングと共にビーム拡大を含んでおり、本発明によって形成した所望の光学ビームの提供に用いることができる。本発明による導波路レンズのフォーカス特性を動的に調整する能力によって、伝達する光波を将来のＳＯＩベースの光電子システムに重要である、比較的細い（サブミクロン）シングルモードの導波路内へフォーカスさせる。更に、レンズ構成の焦点を能動的に変更する能力によって、プロセス変化、周辺温度変化、経時変化、その他に必要な調整が可能になる。

伝達ビームの焦点を能動的に調整する代わりに、様々な形状にドーピングした一セットの領域がＳＯＩベースのＳＩＳＣＡＰ構造内に形成されて、光信号の制御された偏向（すなわち、ビームステアリング）を提供する。図４（ａ）−（ｃ）は、本発明によって形成されたこのようなビーム偏向器５０の一つを示す図である。この場合、プリズム形状にドーピングされた一対の領域５２および５４がＳＯＩ層１６と、ゲート酸化物１８（図１及び２に示すように）およびポリシリコン層２０のオーバーラップ部分の能動導波路領域２９に形成されている。プリズムは、図に示すように、第１のプリズム形状領域５２の角度の付いた面５６は、第２のプリズム形状領域５４の角度の付いた面５８に隣接する（その間に、必要な絶縁ギャップｇがある）ように方向付けられている。上述したように、ドーピングした領域は、ＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０の予め規定された領域に正しくマスキングしてインプラントすることによって形成する。一の実施例では、ＳＯＩ層１６は、ゲート酸化物１８に隣接する活性領域２９の一部にｎ型ドーパントでインプラントして、第１のドープ領域６１を形成することができる。ポリシリコン層２０は、活性領域２９の一部にｐ型ドーパントでインプラントして、第２のドープ領域６３を形成する（ｐ型領域を有するように処理したＳＯＩ層１６と、ｎ型領域を含むように処理したポリシリコン層２０の、逆の構成も可能である）。第１の電極対６０、６２が第１のプリズム領域５２に関連して、ＳＯＩ層１６のドープ領域６１内の屈折率を変化させるように配置した電極６０と、ポリシリコン層２０のドープ領域６３内の屈折率を変化させるように配置した電極６２として、示されている。第２の電極対６４、６６は、第２のプリズム領域５２に関連して、ＳＯＩ層１６のドープ領域６５内の屈折率を制御するように配置した電極６４と、ポリシリコン層２０のドープ領域６７内の屈折率を制御するように配置した電極６６として、示されている。このデバイス構造を形成するプロセスでは、同じ処理ステップ中に、各層内の所望のドープ領域のすべてが形成されると理解される。

図４（ａ）−（ｃ）を参照すると、偏向に関して、光ビームＬの操作が、各プリズム領域に関連する電極間に印加された電圧によって制御されている様子が記載されている。図４（ａ）の特定の図では、どの電極にも電圧が印加されておらず、背中合わせになったプリズム構造がその他の部分の散乱を無効にするので、光ビームＬにおける伝達光モードの変化が、ドーピングしたプリズム領域５２と５４を伝わることなく、プリズム構造は、受動光学導波路デバイスとして動作する。適宜の電圧が電極６０−６６に印加されると、様々なドープ領域６１、６３、６５および６７の屈折率が変化して、光学モードの偏向が生じる。図４（ｂ）を参照すると、第１セットの電圧レベルを電極６０−６６に印加することによって、伝達モードが上側に偏向（図の面内で）された様子が記載されている。電極６０−６６に第２セットの電圧を印加すると、伝達モードは、図４（ｃ）に示されるように、「下側」に再度向けられる。従って、電極６０−６６に印加する電圧を変化させることによって、部品を移動させる必要のない、光学スイッチ構造が提供される。実際、図４の実施例は、光学導波路の面内に生じる偏向を記載しているが、正しく方向づけられた一連のプリズム構造は、光学導波路の面内でビームを上側および下側に偏向させるのに使用することができる。上述したとおり、デバイス５０の活性領域２９に対する電極６０−６６の配置が、スイッチング速度と光学ロス間のトレードオフを決定する。

ブラッググレーティングは、光学フィルタリング、群速度分散制御、減衰、その他の様々な光学機能を実行するのに使用されるよく知られた光学構造である。ブラッググレーティングの背後の基本原理は、導波路に配置されたグレーティング構造によって生じる導波路内の、インデックス（モードインデックス）または伝達定数の小さく、周期的な変化である。これは、所定の波長の回折に対して共鳴状態を生じさせる。グレーティング期間を変化させることによって、様々な波長を選択することができる。伝達可能なタイプのブラッググレーティングでは、対象となる波長が選択されて、導波路に沿って反射された残りの波長を伴って、グレーティング構造を通過する。反射型のブラッググレーティングでは、様々な波長が選択されて、グレーティングの「外」へ回折させ（通常は、グレーティングの法線方向であるが、その他のいずれの角度を選択してもよい）、波長選択デバイスを形成する。

本発明によれば、上述したとおり、ＳＩＳＣＡＰ構造のＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０内に正しくドーピングされたグレーティングエレメントを含めることによって、ブラッググレーティングを形成することができる。図５は、本発明によって形成した、例示的な伝達型ブラッググレーティング構造を示す図である。ブラッググレーティング７０は、上述したとおり、ＳＯＩ層１６、ゲート酸化物１８、およびポリシリコン層２０を重ねることによってＳＩＳＣＡＰ構造の活性領域２９内に形成した導波路領域７４の長さ方向に沿って配置された複数のドープグレーティングエレメント７２を具えるように記載されている。第１の複数電極７６は、ＳＯＩ層１６内の複数のドープ領域７７と関連して、各ドープ領域７７−ｉを制御するのに使用される別の個別電極７６−ｉと共に示されている。第２の複数電極７８は、ポリシリコン層２０内の同様の複数のドープ領域７９と関連しており、ドープ領域７７とドープ領域７９の組み合わせが所望のグレーティングエレメント７２を形成するようになっている。

どの電極に電圧を加えるかを制御することによって（各電極に印加する信号強度も同様）、ブラッググレーティング７０のグレーティング周期を本発明によって変化させて、伝達する光ビームの能動的操作を提供することができる。例えば、第１及び第２の複数電極７６および７８の全ての電極に電圧を加えることによって、図５に示すように、第１のブラッググレーティング周期Λ_１が実現される。この特別な周期が、関連する波長λ_１を残りの反射された波長と共に、導波路７４に沿って伝達させる。たとえば全ての電極に電圧を加えるなどして、印加したパターンを変更することによって、別のブラッググレーティング共鳴波長となる。この場合、図５に示すように、ブラッググレーティング７２は、グレーティング周期Λ_２を示し、別の関連する波長λ_２を伝達する。

従って、本発明によれば、能動ブラッググレーティング構造７０は、各別々の個別グレーティングエレメント７６と７８に印加する電圧を調整することによって形成される。ここで、電圧の調整に関連するグレーティングエレメントのインデックスを変更して、所望のブラッグ構造を形成する。更に、一のブラッググレーティングが共鳴デバイスであるので、本発明によるブラッググレーティング７０を「チューニング」する能力によって、グレーティングを未知の「波長」の信号と共に使用することができ、従って、共鳴キャビティの長さを調整できる。実際は、例えば、、グレーティングの入力と出力に検出器を用いて入力／出力パワー比を測定し、この測定に基づいて共鳴器をチューニングすることで、温度または処理の変化の相関としての信号波長の変化が補償される。

この図には示されていないが、ブラッググレーティング７０の入力および出力に検出器を配置して、所定の構造で伝送される特定の波長を決定することができる。検出器と個別電極の電圧源の間のフィードバック路を一体にすることによって、所望の波長の光波信号を生成するように、ブラッググレーティングを「チューニング」して、モニタすることができる。製造プロセスの変化は、所定のブラッググレーティングと関連する波長を偏向するので、構造を「チューニング」する能力は、本発明の大きな特徴と考えられる。更に、グレーティング構造自体は、「チャープ」（すなわち、隣接するエレメント間の異なるスペース）、「アポダイズ」（すなわち、グレーティング構造の異なるエンベロープ形状）、「ブレーズ」（すなわち、光軸に対して角度が付いたエレメント）、あるいはこれらの組み合わせとすることができる。ブラッググレーティングの特徴は、当業者にはよく知られており、能動的で、チューニング可能なデバイスとしての様々な利用法を見つけることができる。

図６は、代替のブラッググレーティング構造７００を示す図であり、ここでは、この特定の構造が図に示すように、「リブ」導波路閉じ込め領域Ｏに基づいており、リブは、以下に述べるように、ＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０の先端を適宜切ることによって形成されている。この構造では、誘電領域７１０（例えば、二酸化シリコンを具える）が、ＳＯＩ層１６の面に配置されており、ＳＯＩ層１６を形成しているシリコン材料の延長部の先端を切ることによって、活性領域２９内の光信号の横方向の閉じ込めを助けている。上に横たわるポリシリコン層２０は、ゲート酸化物１８を越えてＳＯＩ層１６の上に配置されたその部分を除去するように処理される。これは、図６に示すように側壁７２０によって説明される。ここでは、ポリシリコン層２０の先端を切ることで、活性領域２９内に光信号の横方向の閉じ込めを提供するのを更に助けている。このような形成すべき導波路構造の能力は、光波信号の基本モードのみを支持する構造的能力を提供する重要な構成要素であると考えられる（したがって、信号伝達時に高次モードが現れることを防ぐ）。

ＳＯＩ層１６内の第１の複数のドープ領域７３０は、図５のブラッググレーティング７０と同様の「グレーティング」構造の一部を形成するのに使用される。第２の複数のドープ領域７４０は、ポリシリコン層２０内に形成され、ブラッググレーティング７００のグレーティング構造の残りの部分を規定するのに使用されている。第１の複数の電気コンタクト７５０を用いて、ドープ領域７３０の別々の領域を制御し、第２の複数の電気コンタクト７６０を用いて、ドープ領域７４０の別々の領域を同様に制御し、図５に関して上述したとおり、同じタイプのブラッググレーティング調整／チューニング能力を提供している。

上述したとおり、自由キャリア効果は、位相変化（実インデックスｎ）と吸収（虚インデックスｋ）の双方を用いて利用することができる。モデュレータ、クロススイッチ、分散補償器、リング共鳴器などの本発明のアプリケーションでは、光の能動操作がデバイス構造を通過する光学モードの位相を変化させることによって実現できる。特に、振幅変調は、定位相差を有する二つのコヒーレント光波間で干渉が生じるマッハ−ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）の一バージョンを用いて実現することができる。

図７は、本発明によって形成した例示的なＭＺＩ８０を示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は斜視図である。図に示すように、ＭＺＩ８０は両方のアームに能動デバイスを具えており、その性能を制御するようにしている。一般的に、ＭＺＩ８０は、入力信号を二つの別々の光学路（アーム）８６と８８に分離するように、入力導波路セクション８２と、入力Ｙスプリッタ８４を具えるものとして示されている。図７に示すように特別な発明の構成は、正しくパターン形成したポリシリコン層２０を用いて、上述の「リブ」型構造による所望の「Ｙスプリッタ」と「アーム」ジオメトリを形成する。図に示すように、ポリシリコン層２０は、ＭＺＩ８０の入力（部分２０−Ｔ参照）にテーパを着けて反射を低減し、ＭＺＩ８０への連結効率を強化することができる。同様に、ポリシリコン層２０は、ＭＺＩ８０の出力で正しい形状にして（部分２０−Ｏ参照）出射ビームの発散角度を決定することができる。特に、ポリシリコン層２０の出力部分２０−Ｏを、出射ビームがＭＺＩ８０を超えて配置された収束光学部品（図示せず）に合致するようにパターン形成して、信号ロスを非常に小さくすることができる。この構造を形成するためにパターン形成したポリシリコン層２０を使用することの重要な特徴は、活性領域２９の縦方向および横方向の寸法を制御して、ＭＺＩが適用された光信号の基本モードのみの伝播をサポートするようにすることである。この基本モードのみをサポートする能力は、信号モードの操作が、ＭＺＩの入力から出力全部をサポートしているＹコンバイナ９０で特に重要である。

アーム８６と８８間に定位相シフトを導入することによって、Ｙコンバイナ９０における信号の再コンバインとして輝度変調が行われ、出力導波路セクション９２内に連結される。本発明によって形成された第１の能動デバイス９４は、第１のアーム８６のセクションに沿って配置されており、第２の能動デバイス９６は、第２のアーム８８のセクションに沿って配置されている。特に、第１の能動デバイス９４は、ＳＯＩ層１６中の第１のドープ領域９１と、ポリシリコン層２０中の第２のドープ領域９３を具えるものとして示されている。同様に、第２の能動デバイス９６は、ＳＯＩ層１６中の第１ドープ領域９５と、ポリシリコン層２０の第２ドープ領域９７を有するものとして形成されている。図７（ａ）および（ｂ）に示す特定の実施例では、ドープ領域９１、９３、９５及び９７が矩形に記載されている。代替の実施例（図示せず）では、ポリシリコンの四角形の端部がテーパ形状であり（信号伝達方向に沿って）、反射を最小限にしている。いずれにせよ、上述した能動デバイスと共にある場合、第１の能動デバイス９４の第１の電気コンタクト１００が、ＳＯＩ層１６のドープ領域９１に作られ、第２の電気コンタクト１０２がポリシリコン層２０のドープ領域９３に作られる。電気コンタクト対１０４および１０６は、同様に、第２の能動デバイス９６のドープ領域９５と９７に関連している。

伝達光学モードの伝達定数βは、自由キャリアの注入によって、あるいは能動デバイス９４及び／又は９６を除去することによって変えることができる。ＭＺＩ８０の変調深さηは：

で規定される。ここで、Δβは、自由キャリアの存在（又は不在）による伝達係数の変化であり、Ｌは、能動デバイス９４または９６の路長である。従って、ドープ領域９１、９３、９５および９７に印加される電圧を調整することによって、本発明のＭＺＩ８０の変調深さを調整して、所望の結果を制御することができる。実際、ＭＺＩ８０の出力強度は、Δβ（伝達係数）「ファイヤチューニング」制御を用いることによって精密に制御することができ、したがって、別の実施例では、発明は、ＭＺＩを、適宜のフィードバック制御の付いた動的ゲインイコライザまたは可変光減衰器（ＶＯＡ）として使用することができる。

従来のＭＺＩ’ｓを伴う場合、本発明の能動ＭＺＩは、活性領域９１、９３、９５および９７に用いたドーパントの導電型と、これに印加された電圧の極性によって、圧縮モード、空乏モード、あるいは反転モードで動作できる。更に、ＭＺＩ’ｓのマルチアレイは、カスケード接続されているものも、並列接続のものも、従来のＣＭＯＳ処理技術を用いて形成し、より複雑な信号制御を提供するのに使用することができる。これらの全てのバリエーションは、本発明の範囲内にあると考えられる。

能動光学スイッチも本発明の原理を用いて作ることができる。ここで、図８（平面図に）は、本発明の原理によって形成した例示的な能動光学スイッチ１１０を示す。スイッチ１１０は、上述したＳＩＳＣＡＰ構造に形成されており、シングルモード入力導波路対１１２、１１４と、シングルモード出力導波路対１１６、１１８を具える。これらの間には、中央導波路領域１２０が形成されている。一の実施例では、各導波路セクションを、ＳＯＩ層１６にのみ形成してもよい。代替的に、各導波路セクションが、ＳＯＩ層１６の「ＳＩＳＣＡＰ」構造と、ゲート酸化物１８と、ポリシリコン層２０でできていてもよい。いずれの場合も、活性領域の形成は、ポリシリコン層２０のドープ領域の組み合わせにおけるＳＯＩ層１６の選択された部分にドーパント剤を追加することが必要である。図８を参照すると、中央導波路領域１２０（この場合、デバイス領域１２２が矩形をしている）の上に能動デバイス領域１２２が形成されており、ＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０内に相補的なドープ領域を具えている。特に、第１のドープ領域１２４は、ＳＯＩ層１６に形成されており、第２のドープ領域１２６は、ポリシリコン層２０に形成されており、図８に示す重なり合った矩形構造をなしている。第１の電気コンタクト領域１２８は、ＳＯＩ層１６のドープ領域１２４に関連しており（重くドープしたコンタクト領域１３０を具える）。第２の電気コンタクト領域１３２は、ポリシリコン層２０のドープ領域１２６に関連しており、同様に、重くドープしたコンタクト領域１３４を具える。

動作中は、入力導波路１１２を伝達する入力基本モード信号は、信号が中央導波路領域１２２に入るときに、基本モードと第１次モードをつくる。これらの二つのモードの伝達係数の相違が、上に定義したΔβの値である。能動デバイス領域１２２の長さは、Ｌと定義され、ΔβＬ＝πであれば、基本および第１次モードの位相は、出力導波路に沿って反転して、出力導波路１１６中の光の伝達を打ち消す。本発明の教示によって、電極１２８と１３４の間に電圧を印加することで、伝達係数が以下の式のように更に変化する。
（Δβ＋Δβ_{ｆｒｅｅ ｃａｒｒｉｅｒ}）Ｌ＝２π
Δβ_{ｆｒｅｅ ｃａｒｒｉｅｒ}は、屈折率の変化による伝達係数の変化として規定される。位相シフトが更に加えられると、基本および第１次モードが共に位相に加わり、導波路１１６から導波路１１８へ光出力をスイッチングする。

図９は、代替の能動光学スイッチ構造２００を平面図に示す。ここで、別々の能動光学デバイスは、スイッチの平行アームに沿って設けられており、スイッチング機能を制御する。特に、スイッチ２００が、この場合、ＳＯＩ層１６に形成された入力導波路セクション２１０を具えるものとして示されており、Ｙスプリッタセクション２１１に枝分かれして、平行スイッチアーム２１２と２１４を形成している。図８の構造に示すように、様々な通過導波路部分をＳＯＩ層１６にのみ、またはＳＯＩ層１６、ゲート酸化物１８とポリシリコン層２０を組み合わせて形成することができる。本発明によれば、別の能動光学デバイスが、各アーム領域の上に配置されており、伝達光学信号によって「見える」有効路長を制御して、二つの伝達ビーム間に所望の位相シフトを導入するのに使用している。第１の能動デバイス２２０が、所望の領域中のＳＯＩ層１６の選択された部分２２２にドーピングすることによって形成される。ポリシリコン領域２２４がドーピングしたＳＯＩ部分２２２の上に形成され、相補的なドーピング材料で注入を行って、能動デバイス２２０を形成する。この特定の実施例では、ポリシリコン領域２２４が、入力テーパ領域２２３と出力テーパ領域２２５を含むようにパターン形成されている。上述したとおり、テーパ付ポリシリコン領域の使用は、反射を低減して、ＳＯＩ層１６と、ＳＯＩ層１６／ゲート酸化物１８／ポリシリコン層２０の組み合わせ間の効果的な連結を促進する。電気コンタクト２２６、２２８対は、ドープ領域２２２と２２４に関連して配置されており、能動デバイス２２０を通る電位を変化させ、アーム２１２の「長さ」を制御する構成の提供に使用される。

同様に、第２の導波路アーム２１４の一部内に第２の能動デバイス２３０が形成されており、同様に、伝達信号によって「みられる」光路長を変えるように電極２３２と２３４によって制御することができる。従って、第１及び第２の能動デバイス２２０、２３０に印加された電圧を制御することによって、様々な位相遅れを各信号路に導入することができる。従って、光信号間の位相差は、方向連結構成２４０に入ると、能動スイッチングデバイス２００の個別出力アーム２５０および２５２に沿って現れる信号の電力レベルを制御する。

アッド／ドロップリング共鳴器構造を、本発明の教示に従って能動デバイスとして形成することもできる。図１０は、ＳＯＩ層１６か、ＳＯＩ層１６、ゲート酸化物１８、ポリシリコン層２０の組み合わせのいずれかに形成された（上述したとおり）シングルモード導波路構造１３２と、関連するリング共鳴器１３４を具える例示的なアッド／ドロップリング共鳴器１３０を示す図である。最もベーシックな形において、リング共鳴器１３４の物理的寸法は、（「ドロップ」モードで使用する場合）導波路１３２に沿って伝達するマルチ波長信号から連結が外れた特定の波長（または波長レンジ）を示す。図１０を参照すると、この特徴は、リング共鳴器１３４に連結されており、その後、第２のシングルモード導波路１３６に沿って入射する（反対の伝達方向に）波長λ_２で伝達する信号によって示されている。同様に、第２の導波路１３６からリング共鳴器１３４へ連結されている所定の波長の光学信号が、順次、導波路１３２に連結される（「追加」モードで使用する場合）。

本発明によれば、リング共鳴器１３４の一部に沿って能動デバイスセクション１３８を有することによって、その波長感度を変えることができる。上述した能動デバイスを伴うことで、能動デバイスセクション１３８は、ＳＯＩ層１６の特定の部分内の第１のドープ領域１４０と、ポリシリコン層２０に形成された、重なったドープ領域１４２（相補ドーパント型を示すようにドープされている）を具える。電気コンタクト対１４４と１４６が、ＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０のドープ領域１４０、１４２にそれぞれ連結されている。電気コンタクト１４４、１４６間に印加された電圧を変更することによって、リング共鳴器１３４の光路長が変わり、導波路セクション１３２へ／から連結することができる特定の波長が変わる。更に、リング共鳴器１３４をその共鳴状態に、または共鳴状態から「チューニング」することによって、チューニング可能な光学変調器を形成することができる。

明らかに、本発明のリング共鳴器構造は、複数の個別リングを具え、各リングは、同じ処理技術を用いて形成されている。一の構成では、個別リングが導波路に沿って配置されており、各リングが異なる波長をアッド／ドロップするように適宜のサイズにして「チューニング」されている。代替の実施例では、複数のリングが導波路の法線方向に「積み重なって」おり、隣接するリング間に選択的により大きい波長を提供している。これらのバリエーションのいずれも通常の公知のＣＭＯＳ処理技術によって提供できる。実際、上記の能動スイッチ構成の一つを本発明の能動リング共鳴器と組み合わせて、リング共鳴器に連結するチューニング可能な波長を提供する構造を形成することが可能である。別のモノリシック構造は、リング共鳴器（または、ブラッググレーティング）と変調器との対を具える。ＳＩＳＣＡＰ構造をＳＯＩベースと共に用いることによって、従来のＣＭＯＳ処理技術の使用に基づいて、単一のシリコン基板中に複数デバイスを一体化することが比較的簡単になる。

薄い（すなわち、サブミクロン）ＳＯＩ導波路は、回転が必要な入力信号の偏光に応じて、および入力信号に基づいて偏光することが知られている。例えば、プリズムカップリングを用いた場合、入力信号のＴＥモードのみが正しくカップリングされる。従って、信号のＴＭ成分は、ＴＥ偏光モードに回転する必要がある、従って、「正しい」ＴＥモードと再度組み合わされて、所望の信号を形成する。しかしながら、二つのビームの位相が異なる場合は、結果として再度組み合わせたビームにロスが生じることになる（干渉効果によって）。このロスを最小限にする一つの方法は、本発明によって形成した偏光コンバイナを使用することである。図１１は、本発明によるＳＩＳＣＡＰ構造（上述の）に形成された、このような例示的オンチップ能動偏光コンバイナ１５０を示す図である。図に示すように、オリジナルのＴＥ偏光成分が、第１の導波路１５２に連結される。導波路１５２は活性領域２９を形成するＳＯＩ層１６、ゲート酸化物１８、およびポリシリコン層２０の組み合わせを具える上述のＳＩＳＣＡＰ構造から形成されている。回転したＴＥモード信号（もともと、ＴＭ偏光であった）は、第２の導波路１５４への入力として印加される。ここで、導波路１５２および１５４は、Ｙコンバイナ部１５６で連結し、ついで、出力導波路１５８へ連結される。

二つの偏光された信号間の能動位相シフトは、導波路１５２、１５４の一方あるいは双方にそって能動光学デバイスを用いることによって本発明によって実現される。図１１の特定の実施例では、第１の能動デバイス１６０が第１の導波路１５２の一部に沿って形成されており、第２の能動デバイス１６２が第２の導波路１５４の一部に沿って形成されて、示されている。上述した様々なその他の能動デバイスによれば、能動デバイス１６０、１６２は、ＳＯＩ層１６とポリシリコン層２０の正しくドーピングした選択した領域によって形成されている。図に示すように、第１の能動デバイス１６０は、ＳＯＩ層１６のドープ領域１６１と、ポリシリコン層２０の同様の形状のドープ領域１６３を具えている。第２の能動デバイス１６２は、同様に形成したドープ領域１６５と１６７を具えている。第１の電気コンタクト対１７０、１７２は、第１の能動デバイス１６０のドープ領域１６１、１６３と関連して示されており、第２の電気コンタクト対１７４、１７６は、第２の能動デバイス１６２のドープ領域１６５、１６７に関連するとして示されている。これらのデバイスの一方または双方に印加した電圧を制御することによって、導波路１５２と１５４の光路長を変更して、それに沿って伝達するＴＥと「回転した」ＴＥ成分間の位相シフトを調整することができる。これらの電圧を注意深く調整することによって、出力導波路１５８に沿った信号を、あったとしてもわずかの信号ロスで正しく組み合わせることができる。

図１２は、本発明によって形成した例示的な能動ファブリィ−ペロー（ＦＰ）デバイス１８０の斜視図であり、ＦＰデバイス１８０のキャビティ領域１８４中の能動光学デバイス１８２の包含を用いて、ＦＰデバイス１８０の光路長（従って、共鳴）を変更している。動作中は、図に示すように、ＦＰデバイス１８０は、ポリシリコン層２０の一部をエッチングして形成した入力グレーティング構造１８６を具える。出力グレーティング構造１８８は、同様に、ポリシリコン層２０に形成されており、ここでは、キャビティ領域１８４が入力グレーティング構造１８６と出力グレーティング構造１８８の間の導波路領域の延長として規定されている。ＳＯＩ層１６とゲート酸化物１８と、ポリシリコン層２０を組み合わせて形成された導波路を伝達する光学信号の波長に応じて、所定の波長がグレーティング１８６と１８８の間で反射される。従って、本発明によれば、キャビティ領域１８４中に能動デバイス１８２を含めることによって、ＦＰデバイス１８０の波長感度を調整することができる。更に、ＦＰデバイス１８０を共鳴内におよび共鳴外にチューニングするため能動デバイス１８２を使用することによって、光学変調器を作ることができる。

図に示すように、能動デバイス１８２は、ＳＯＩ層１６内の第１のドープ領域１９０と、ポリシリコン層２０内の第２のドープ領域１９２を具える。電極１９４と１９６はそれぞれドープ領域１９０と１９２に接続されており、ここでこれらの電極間の電圧電位がキャビティ領域１８４内の光路長に影響する。ＦＰデバイス１８０と組み合わせて使用する場合、入力及び出力検出器（図示せず）によって、デバイスの入力及び出力における測定値によって印加電圧を調整できるようにすることで、キャビティ内の共鳴波長のフィードバックと制御が可能になる。

重要なクラスの光学フィルタは、「アレイ導波路格子」（ＡＷＧｓ）によって代表される。ＡＷＧは、回折格子の機能に似た動作をする複数のアレイ導波路を具える平面構造として規定される。ＡＷＧｓは、マルチプレクサまたはデマルチプレクサとして共通に用いられており、光学チャネルセット用の、受動的、波長選択的、厳密な非ブロッキングクロスコネクタとして機能するように構成されている。例えば、ＡＷＧｓは、あらゆる数の入力ポートを複数の出力ポートに入力させるマルチ周波数を分配し再度組み合わせることによって、同時にマルチプレクサとデマルチプレクサとして動作可能である。従来のＡＷＧ構造の欠点は、この構造を形成しているカプラ間の路長を注意深く制御する必要があることである。平面的な集積光学構造では、この要求のために、しばしばアーク形状の光路を使用する必要があり、あらゆる大きな整合性をもって製造するためには難しいジオメトリを必要とする。

従って、本発明によって形成した能動ＡＷＧ構造４００は、一のデバイスが各信号路に沿って配置されている複数の能動デバイスを使用して、物理的な路を変更するために仕分けしなおすことなく所望の光路長の変化を提供することができる。図１３は、入力カップリング領域４１０と出力カップリング領域４２０を含むＡＷＧ４００を示す図である。ここで、ＡＷＧ４００は通常、上述したＳＩＳＣＡＰ構造の層１６、１８および２０内に形成されている。入力カップリング領域４１０は、シングル入力導波路４１２と、複数のＮ個の個別出力導波路４１４を具えるものとして記載されており、様々な異なる導波路が個別の出力導波路４１４に現れる。出力カップリング領域４２０は、複数のＮ個の入力導波路４２２を具えるものとして示されている。各々の導波路は、１対１の関係で入力カップリング領域４１０から複数のＮ個の出力導波路４１４に接続されている。出力カップリング領域４２０は、更に、複数のＮ個の出力導波路４２４を具える。

ＡＷＧ４００の動作に従って、導波路４２２を伴う導波路４１４と内部接続した複数の導波路４３０内の個別の導波路の長さを変化させることによって、所望の回折特性が生じる。図１３を参照すると、各導波路４３０−Ｉは、個別の能動光学デバイス４４０を含むものとして示されている。最も簡単な形では、各能動デバイスが本質的に同じ形状であるが、これは必須ではない。上述した構成によって、能動光学デバイス２４０は、ＳＯＩ層１６内の第１ドープ領域４４１と、上に横たわる（同じ形状の）ポリシリコン層２０内の第２ドープ領域４４３を具える。簡単にするために、図１３の構成では、一つの能動デバイス４４０のみを特に示しているが、各デバイスの同様のエレメントを具えている。第１の電気コンタクト４４２は、ＳＯＩ層１６内の第１ドープ領域２４１に連結されておりこれを制御している。また、第２の電気コンタクト４４４は、ポリシリコン層２０内の第２のドープ領域４４３に連結されており、これを制御している。従って、適宜の電圧電位が第１の電気コンタクト４４２と第２の電気コンタクト４４４間に印加されると、関連する導波路４３０の光路長が変化して、所望の回折効果を提供する。

従って、ＡＷＧ構造４００内の各個々の能動デバイス４３０は、別々の電圧電位で制御され、回折格子を形成する複数の異なる路長をつくる。有利なことに、電圧を「チューニング」または変化させて、ＡＷＧ４００の特性を必要に応じて変えることができる。実際、所望の回折効果に関連する動作可能な波長は、印加電圧を変えることで単純に変化させることができる。この結果、様々な出力ポート間の波長選択ルーティングを、様々な能動デバイスに印加する電圧を変えることで実現することができる。この様なアレイ導波路構造中で波長選択ルーティングと、スイッチングを提供する能力は、この分野の現状の大きな進歩であると考えられる。これまでは、ＡＷＧ構造の動作における変更は、いずれも物理的レイアウトと設計の完全な変更を必要としていた。

更に、導波路４２４からの出力信号をモニタすることによって、能動デバイス４３０の関連するものに印加した電圧をリアルタイムで調整するのに使用される一又はそれ以上の導波路からのフィードバック信号を用いて、ＡＷＧ４００の動作を制御することができる。

上述の実施例は本発明の概念を説明するものであると考えられるが、本発明によるＳＩＳＣＡＰ構造の能動デバイスとして形成することのできる、広く様々なその他の平面光学デバイスが存在すると考えられる。例えば、フレネルレンズを上述したドープデバイス構造を用いて「チューニング」することができる。２００４年１２月２３日に出願した我々の継続中の出願第１０／８３０，５７１号に記載されているように、能動的で、調整可能なマルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタも形成することができる。ここでは、一またはそれ以上の能動デバイスが、構造壁にそって形成されており、発生した干渉パターンを変更する。平面光学マルチプレクサ／デマルチプレクサを、印加した電圧を調整することによって所定の波長を加えたり、あるいは落としたりすることができる、波長選択能動デバイスとして形成することもできる。

これらの能動デバイスの操作および制御に関連する様々な電気部品を同じ集積回路チップ内に一体化することができること、更に、光学デバイス部品を形成するのに使用されるＣＭＯＳタイプの同じ処理ステップを行う間に形成できることは、本発明にかかる能動光学デバイス用ＳＯＩベースのＳＩＳＣＡＰ構造の利点である。ＳＩＳＣＡＰ構造の上側「シリコン」層の上にポリシリコン以外の材料を使用することも可能である。例えば、アモルファスシリコン、単結晶シリコン、および実質的な単結晶シリコン、その他を使用することができる。

本発明は、所定の特別な好ましい実施例を参照して述べてきた。当業者は、本発明がこれらの好ましい実施例に限定する必要がないことは自明であり、本発明の主題の範囲内で、これらの実施例の様々な変形例および延長例がなされると理解する。従って、本発明は上述した実施例のいずれにも限定されることを意図したものではなく、代わりに請求項によって規定される。

図１は、本発明に係る光信号の伝達を能動的に操作する能力を有する例示的なＳＯＩベースのＳＩＳＣＡＰデバイスの斜視図である。 図２は、図１の構成の断面図である。 図３（ａ）−（ｃ）は、本発明によって形成された例示的なビーム形成能動デバイスを示す図である。図３（ａ）は、電気信号を提供しないデバイスを示す図であり、図３（ｂ）は、前記デバイスにかかる第１の例示的な電圧ポテンシャルの適用に関連するフォーカッシング特性を示す図、図３（ｃ）は、前記デバイスにかかる第２の例示的な電圧ポテンシャルの適用に関連するフォーカッシング特性を示す図である。 図４（ａ）−（ｃ）は、ＳＯＩ構造に一対のプリズム形状にドーピングした領域を用いた本発明によって形成した例示的なビームステアリング能動デバイスを示す図である。図４（ａ）は、どの電気信号も適用しないデバイスを示す図であり、図４（ｂ）は、デバイスに係る第１の例示的な電圧ポテンシャルの適用に関連するビームステアリング特性を示す図、図４（ｃ）は、デバイスに係る第２の例示的な電圧ポテンシャルの適用に関連するビームステアリング特性を示す図である。 図５は、本発明によって形成した例示的なスラブベースの能動ブラッググレーティング構造の斜視図である。 図６は、本発明によって形成した例示的なリブベースの能動ブラッググレーティング構造の斜視図である。 図７（ａ）および（ｂ）は、本発明によって形成した例示的な、能動的で、チューニング可能なマッハ−ツェンダ干渉計を示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は斜視図である。 図８は、本発明によって形成した例示的な能動光学スイッチを示す図である。 図９は、本発明によって形成した能動光学スイッチの代替の構成を示す図である。 図１０は、本発明によって形成した例示的なアッド／ドロップリング共鳴器構造を示す図である。 図１１は、本発明によって形成した例示的なオンチップ能動偏光コントローラを示す図である。 図１２は、本発明によって形成した、能動的なファブリィ−ペローデバイスの斜視図である。 図１３は、本発明によって形成した例示的なアレイ導波路（ＡＷＧ）構造を示す平面図である。

Claims (23)

1. シリコン−絶縁体−シリコン容量性（ＳＩＳＣＡＰ）導波路内を伝達する光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列であって、前記ＳＩＳＣＡＰ導波路が前記ＳＯＩ−ベースの光学配列のサブミクロン表面シリコン層（ＳＯＩ層）と、前記ＳＯＩ層の一部の上に横たわる比較的薄い誘電層と、前記ＳＯＩ層と比較的薄い誘電層の組み合わせの上に横たわり重なり構造を形成する上側シリコン層を具える光学配列において、光信号を能動的に操作するための前記配列が：
   前記ＳＯＩ層のＳＩＳＣＡＰ導波路領域に形成された少なくとも一のドープ領域であって、第１の導電型を有し、前記ＳＩＳＣＡＰ導波路領域において特別な所定の光伝達機能を実現するような形状であり、中で前記光信号の能動的な操作を与える少なくとも一のドープ領域と；
   前記ＳＯＩ層に隣接して設けられ、伝達する光信号の横方向の閉じ込めを与えるための絶縁層と；
   前記絶縁層及び前記ＳＯＩ層の一部のみに重なるように前記上側シリコン層に形成した少なくとも一のドープ領域であって、前記上側シリコン層に第２の逆導電型を有し、前記ＳＩＳＣＡＰ導波路領域において特別な所定の光伝達機能を実現するような形状であり、中で前記光信号の能動的操作を与える少なくとも一のドープ領域と；
   各形状のドープ領域に関連する別個の電気コンタクト領域と；
   を具えており、
   この別個の電気コンタクト領域の一またはそれ以上に電圧を印加したときに、関連する形状のドープ領域の屈折率が変化して、前記ＳＩＳＣＡＰ導波路領域の伝達光信号の特性を操作する領域を作ることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
2. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記ＳＯＩ層中の少なくとも一のドープ領域の形状と、前記上側シリコン層内の少なくとも一のドープ領域の形状を規定して、所望の光学操作機能を提供することを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
3. 請求項２に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記上に横たわるドープ領域の組み合わせが、電気信号を印加したときにビーム形成機能を提供するような形状であることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
4. 請求項３に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記ＳＯＩ層が複数の形状を整えたドープ領域を具え、前記上側シリコン層が、複数の個別ビーム形成エレメントを形成するように配置された同様の複数の形状を整えたドープ領域を具え、各ビーム形成エレメントがそれに関連する個別の電気コンタクト領域によって個別に制御され、異なる電気信号の組み合わせを適用することによって、前記伝達する光学波が、前記配列の焦点の変更を含め、様々に操作されることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
5. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記配列がマッハ−ツェンダ干渉計を具え、当該干渉計が：
   前記導波路の横方向の閉じ込め領域を規定する前記上側シリコン層のパターン化したセクションを含む入力導波路部分と；
   前記入力導波路部分に接続された、伝達光信号を個別の光信号対に分離する入力Ｙ型部分であって、Ｙ字形状に分かれる別個の閉じ込め領域を規定する上側シリコン層のパターン化された部分を含む入力Ｙ型部分と；
   前記入力Ｙ型部分の第１アームに接続され、前記第１の導波路の横方向の閉じ込め領域を規定するための前記ポリシリコン層のパターン化されたセクションを具える、第１の導波路と；
   前記入力Ｙ型部分の残りの第２アームに接続され、前記第２の導波路の横方向の閉じ込め領域を規定する前記ポリシリコン層のパターン化されたセクションを具える、第２の導波路と；
   前記第１及び第２のアームにおいて、前記第１の導波路終端と、第２の導波路終端にそれぞれ接続されて、前記別個の信号対を出力光信号に組み合わせる出力Ｙ型部分であって、前記出力Ｙ型部分が、前記上側シリコン層のパターン化したセクションを具え、前記別個の信号対の横方向の閉じ込めと、組み合わせを提供する部分と；
   前記出力光信号を受ける出力Ｙ型部分に接続された出力導波路部分であって、出力導波路部分が、前記導波路の横方向の閉じ込め領域を規定する前記上側シリコン層のパターン化したセクションを具える部分と；
   前記第１及び第２の導波路の少なくとも一のセクションに沿って形成された少なくとも一の能動デバイス領域であって、当該少なくとも一の能動デバイス領域が前記ＳＯＩ層の逆にドープした領域と、電気信号を関連する電気コンタクト領域に印加すると前記第１及び第２の導波路の少なくとも一方の光路長が変化してそこを通過する光信号の伝達を操作するような上側シリコン層を具える能動デバイス領域と；
   を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
6. 請求項５に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記マッハ−ツェンダ干渉計が、前記第１の導波路のみに沿って配置された少なくとも一の能動デバイス領域を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
7. 請求項５に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記マッハ−ツェンダ干渉計が、前記第１および第２の導波路の双方に沿って配置された少なくとも一の能動デバイス領域を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
8. 請求項５に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記入力導波路部分のパターン化された上側シリコンセクションが、前記マッハ−ツェンダ干渉計への光学カップリングを改良する入力テーパを具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
9. 請求項５に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記マッハ−ツェンダ干渉計のパターン化された上側シリコン部分が、伝達光信号の基本モードのみが支持されるように、横方向の閉じ込めを提供するよう形成されていることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
10. 請求項５に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記パターン化されたシリコン部分の各々が、少なくとも一の能動デバイス領域を除いて実質的にドープされていないことを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
11. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、当該配列がリング共鳴器構造を具え、この構造が：
    伝達導波路部分と：
    前記伝達導波路部分の近傍に配置された少なくとも一のリング形状の導波路共鳴器であって、所定の波長が、前記リング形状の導波路と前記伝達導波路部分の間をエバネッセントに接続するようにした共鳴器を具え、少なくとも一の能動デバイス領域を有する前記少なくとも一つのリング形状の導波路共鳴器が、前記ＳＯＩ層と上側シリコン層の逆のドープ領域であって、関連する電気コンタクト領域へ電気信号を印加すると、前記少なくとも一の導波路共鳴器への光路長が変化して、前記伝達導波路部分と、少なくとも一のリング形状導波路共鳴器の間でエバネッセントに接続する、所定の波長を操作するようにしたこと；
    を特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
12. 請求項１１に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記リング共鳴器構造が、前記伝達導波路部分の長さに沿って配置された複数の個別リング形状導波路共鳴器を具え、各リング形状導波路共鳴器が、別の所定のカップリング波長に関連することを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
13. 請求項１１に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記リング共鳴器構造が、隣接して積み重ねた配列内に設けた複数の個別リング形状導波路共鳴器を具え、高次の共鳴状態を支持することを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
14. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記配列が、能動光学スイッチを具え、当該スイッチが：
    少なくとも一の入力導波路部分と；
    少なくとも二つの個別出力導波路部分と；
    少なくとも一の入力導波路部分と前記少なくとも二つの個別出力導波路部分の間に配置され、前記出力導波路部分の個々の部分間で光信号を選択的に接続するようにした連結導波路部分と；
    前記ＳＯＩ層の逆にドープした領域と、電気信号が関連する電気コンタクト領域に印加されると前記連結導波路部分の光路長が変わって、前記少なくとも二つの個別出力導波路部分間の選択的な接続を操作するように前記連結導波路部分の選択された部分に沿って形成した上側シリコン層とを具える少なくとも一の能動デバイス領域と；
    を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
15. 請求項１４に記載のＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記連結導波路部分が、前記伝達信号の基本モードのみが支持されるように、光信号の横方向の閉じ込めを維持するように規定されたパターン化されたＳＯＩ層を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
16. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記配列が能動光学偏光コンバイナを具え、当該コンバイナが：
    光信号のＴＥ偏光モードの伝達を支持する第１の入力導波路と；
    光信号のＴＥ偏光モードの伝達を支持する第２の入力導波路であって、ＴＭ偏光から前記ＴＥ偏光へ回転している第２の入力導波路へ入力する導波路と；
    前記第１及び第２の入力導波路へ連結されて伝達信号を組み合わせる連結導波路領域と；
    前記再度組み合わせた光信号を伝達する出力導波路と；
    前記第１及び第２の入力導波路の少なくとも一方の一部に沿って配置した少なくとも一の能動デバイスであって、逆にドープしたＳＯＩ層の領域と、関連する電気コンタクト領域へ電気信号を印加すると、前記第１及び第２の入力導波路の少なくとも一方の光路長が変化して、前記伝達信号の位相を調整し、そこを伝達する光信号のパワーの構造的な追加を可能とする上側シリコン層を具える能動デバイスと；
    を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
17. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記ＳＯＩ層中の少なくとも一のドープ領域が、ｎ導電型であり、前記上側シリコン層中の少なくとも一のドープ領域が、ｐ導電型であることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
18. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記ＳＯＩ層内の少なくとも一のドープ領域が、ｐ導電型であり、前記上側シリコン層中の少なくとも一のドープ領域が、ｎ導電型であることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
19. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記上側シリコン層が、ポリシリコン、アモルファスシリコン、粒子サイズ強化ポリシリコン、粒界パッシベートポリシリコン、粒界整列ポリシリコン、単結晶シリコンおよび実質的な単結晶シリコンからなる群から選択されたサブミクロンの厚さのシリコン材料を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
20. 請求項２に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記ＳＩＳＣＡＰ導波路構造が、アレイ導波路（ＡＷＧ）構造として形成されており、この構造が：
    入力Ｎ×Ｍ連結領域と；
    出力Ｍ×Ｐ連結領域と；及び
    複数のＭ導波路であって、個々の導波路がそれぞれ前記入力Ｎ×Ｍ連結領域からの個別の出力を、前記出力Ｍ×Ｐ連結領域への個別の入力と連結しており、前記複数のＭ導波路の少なくとも一の導波路が前記ＳＯＩ層中のドープ領域と、上側シリコン層の上に横たわる組み合わせを具え、前記少なくとも一の導波路の光路長を変更し、前記ＡＷＧ構造の波長選択性を制御する能動光学デバイスを形成すること；
    を特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
21. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記配列が、マルチモード緩衝（ＭＭＩ）スプリッタを具え、当該スプリッタが：
    入力導波路セクションと；
    前記入力導波路セクションに連結されたキャビティ導波路領域であって、伝達光信号の反射部分間に干渉を発生させる複数の反射壁を具える領域と；
    伝達光信号の規定された波長をはずすためにキャビティ導波路領域の壁に沿って接続した少なくとも一の出力導波路セクションと；を具え、
    上に横たわるドープ領域の組み合わせが、前記キャビティ導波路領域の反射壁内の少なくとも一の位置に形成されており、前記キャビティ導波路領域の光路長を変更し、前記少なくとも一の出力導波路セクション内に接続した規定された波長を変更するようにしたことを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
22. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記配列が、能動的な方向性接続スイッチを具え、当該スイッチが：
    入力導波路セクションと；
    前記入力導波路セクションに連結した入力Ｙスプリット導波路セクションと；
    前記Ｙスプリット導波路セクションの終端部に接続された導波路アーム対であって、各導波路アームが、電気信号が関連する電気コンタクト領域に印加されると、関連する導波路アームの光路長が偏光されて、伝達光信号間に位相シフトを生じさせる、ＳＯＩ層と上側シリコン層の逆にドープした領域を具える少なくとも一の能動デバイス領域を含むアーム対と；
    前記導波路アーム対の終端部に接続されたエバネッセント連結配列と；
    前記エバネッセント連結配列に連結した個別出力導波路セクション対であって、各導波路アーム内の能動デバイスへの電気信号の印加が、前記個別出力導波路セクション対間でのスイッチングを制御するの使用されていること；
    を特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。
23. 請求項１に記載の光信号を能動的に操作するＳＯＩ−ベースの光学配列において、前記配列が、能動ファブリィ−ペローデバイスを具え、当該配列が：
    前記上側シリコン層の第１の部分に形成された入力グレーティング構造と；
    前記上側シリコン層の第２の部分に形成された出力グレーティング構造と；
    前記入力グレーティングと出力グレーティングの間の領域によって規定される共鳴キャビティとを具え、前記共鳴キャビティが前記関連する電気コンタクト領域へ電気信号を印加すると、前記共鳴キャイビティの光路長が変更されて、前記ファブリィ−ペローデバイスの波長感度を調整する、ＳＯＩ層と上側シリコン層の逆にドープした領域を具える少なくとも一の能動デバイス領域を具えることを特徴とするＳＯＩ−ベースの光学配列。

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