KR20070022235A - 에스오아이 구조체에서의 광의 능동 조작 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SOI(silicon-on-insulator) 기반 광학 구조체에서 광의 이차원적 조작을 능동적으로 제어하기 위한 배열체에 관한 것으로, 상기 배열체는 SISCAP(silicon-insulator-silicon capacitive) 구조체의 SOI층과 폴리실리콘층에 형성된 도핑 영역들을 이용한다. 상기 도핑 영역들은 반대 특성의 불순물로 형성되어 능동 소자를 구성하며, 상기 도핑 영역에 전위차를 인가하는 경우 영향을 받는 영역의 굴절률이 변경되고 상기 영역에서 전파되는 광신호의 특성이 변경되게 된다. 상기 도핑 영역들은 원하는 소자의 형상으로 (예를 들어, 렌즈, 프리즘, 브래그 그레이팅(Bragg grating)등) 형성되어 이러한 소자들의 알려진 기능에 대로 전파되는 빔을 조작할 수 있다. 본 발명에 따른 하나 또는 그 이상의 능동 소자가 SISCAP 구조체가 형성되어 있는 SOI 기반의 광학 소자(예를 들어, 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 링 공진기, 광학 스위치등)에 포함되어 능동하고, 튜닝 가능한 소자를 형성할 수 있다.
광학 구조체, SOI 구조체, SISCAP 구조체, 능동 제어, 도핑 영역

Description

에스오아이 구조체에서의 광의 능동 조작{Active manipulation of light in a silicon-on-insulator (SOI) structure}
본 발명은 SOI 구조체에서의 광의 능동 조작(active manipulation)에 관한 것으로, 특히 SOI 구조체를 통해 전파(propagating)되는 하나 또는 그 이상의 광 빔들을 제어하기 위해서 선택적으로 불순물이 도핑된 실리콘-절연체-실리콘 정전 용량(silicon-insulator-silicon capacitive, SISCAP) 구조체에 관한 것이다.
광신호를 조작하고 처리하는 평면 광파 회로(planar lightwave circuit, PLC)는 전자적 신호를 조작하고 처리하는 전자 칩에 대한 광학적 등가 회로이다. 대부분의 경우, PLC는 반도체 기판상에 비교적 얇게 형성된 유리, 폴리머, 또는 반도체층내에 형성된다. PLC 자체는 도파관(waveguide)으로 연결된 하나 또는 그 이상의 광학 소자들로 구성되어 있으며, 상기 도파관은 상기 광학 소자들 사이에서 광을 가이드 하는 것으로 전자칩의 금속 연결선에 대한 광학적 등가물이다. 상기 광학 소자는, 예를 들어, 반사, 포커싱, 콜리메이팅(collimating), 빔 스플리팅(beam splitting), 파장 멀티플렉싱/디멀티플렉싱(multiplexing/demultiplexing), 스위칭 모듈레이션, 및 검출 등의 기능을 수행하는 수동 광학 소자 또는 능동 전자-광(electro-optic) 소자를 포함할 수 있다.
현재까지의 SOI 구조체에 형성된 공통 평면 광학 소자들은 비교적 두꺼운(>3~4 μm) 실리콘면 도파관층(이하, 'SOI층'이라고 칭함)을 사용함으로써, 에지 일루미네이션(edge illumination)과 같은 방법을 통해 광신호와 상기 SOI층을 결합하는 입력/출력 커플링을 구현한다. 그러나 에지 일루미네이션 커플링을 위해서는(커플링 인터페이스에서의 반사와 백스케터링(backscattering)을 막기 위해) 높은 표면 특성을 갖는 에지를 형성하는 것 이외에도 칩의 에지를 액세스(access)해야 하는 문제가 있다. 또한, 비교적 두꺼운 SOI층에 높은 해상도(definition)의 구조체를 형성하는 것(예를 들어, 도파관, 링, 미러등을 위한 매끈한 수직 측벽을 형성하는 것)은 다소 어려운 작업으로 알려져 있다. 또한, 상기 실리콘의 두께로 인해 전자 부품과 광학 부품 모두를 동시에 형성할 수 있는 종래의 CMOS 공정을 사용할 수 없게 된다. 또한, 비교적 두꺼운 층에 형성된 광학 구조체는 복합 광모드의 전도를 허용하는 경향이 있어서 중요 모드만 전달하는 능력이 떨어진다. 게다가, SOI층의 비교적 두꺼운 두께로 인하여 전자 소자의 속도가 제한받는다.
SOI층의 두께를 1 마이크론 이하로 제한하면, 상술한 문제점들을 완전히 제거할 수는 없어도 상당히 줄일 수는 있다. 하지만, 마이크론 단위이하(sub-micron)의 두께를 갖는 SOI층에 가변 광자 회로를 구성하기 위해서는, 상기 SOI층 내에서 광을 능동적으로 조작(ACTIVELY MANIPULATE) 할 필요가 있다. 상세히 말해서, 마이크론 단위 이하의 두께를 갖는 상기 SOI층을 통해 전파되는 광에 대해서 터닝(turning), 포커싱, 모듈레이팅, 감쇠, 편향, 스위칭, 선택적 분산(dispersing)과 같은 다양한 광학적 기능을 수행하기 위해 능동 조작(ACTIVELY MANIPULATE)이 필요하며, 바람직하게는 종래의 CMOS-호환성 전압 레벨을 이용하여 능동 조작을 달성하여 공통 실리콘 기판상에 형성된 광학 부품들과 전기 부품들을 공통의 파워 서플라이를 사용하여 제어하는 것이 가능하게 할 필요가 있다.
본 발명은 종래 기술 분야에서의 요구에 대처하기 위한 것으로, SOI 구조체에서의 광의 능동 조작에 관한 것으로, 특히 SOI 구조체를 통해 전파(propagating)되는 하나 또는 그 이상의 광 빔들을 제어하기 위해서 선택적으로 불순물이 도핑된 실리콘-절연체-실리콘 정전 용량 (silicon-insulator-silicon capacitive, SISCAP) 구조체에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 SISCAP 구조체는 SOI 구조체에 상대적으로 얇은 유전체층(이하, '게이트 산화물'이라고 칭함)과 결합하여 형성되는 비교적 얇은(즉, 마이크론 단위 이하의) 실리콘 표면층(이하, 'SOI층'이라고 칭함) 및 상측의 실리콘층(통상 폴리실리콘을 포함함)을 포함한다. 상기 폴리실리콘층과 상기 SOI층은 상기 게이트 산화물과 인접한 위치에 소정 형상을 갖는 상보적인 도핑 영역들이 형성되도록 처리되어 능동 소자 영역을 형성한다. 바이어스 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 도핑된 SISCAP 구조체는 종래의 SOI 기반의 도파관 배열체로서의 기능을 수행한다. 상기 폴리실리콘층 및 상기 SOI층에 바이어스 전압이 인가되는 경우, 상기 도핑 영역들의 굴절률이 변경되어 전파되는 광빔이 상기 도핑 영역들의 형상에 따라 원하는 대로 조작될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, SOI층 및 폴리실리콘층에 형성된 도핑 영역(들)은 다른 형상으로 형성되고 다른 전압 레벨이 인가될 수 있다. 실제, 종래의 CMOS 공정/도핑 기술을 이용하여 SOI층 및/또는 폴리실리콘층에 멀티플 도핑 영역들을 형성함으로써, 그레이팅(및 페네넬 렌즈(Fresnel lens))과 같은 광학 소자를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 구조체에 인가하는 전압을 제어함으로써, 스위치, 편향 컴바이너, 필터, 링 공진기, 브래그 그레이팅, 마하-젠더 간섭계등과 같은 광학 소자들이 제공되고 제어될 수 있다. 실제, 광학적 출력부와 전압 입력부 사이에 피드백 경로를 포함시커 광학적 제어 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면 및 특징은 첨부된 도면 및 뒤따르는 상세한 설명에 의해 명확히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광파 신호의 전파를 능동 조작할 수 있는 SOI 기반의 SISCAP 소자의 일예를 도시한 등적 사시도;
도 2는 도 1에 나타난 배열체 구조체의 측단면도;
도 3(a) 내지 3(c)는 본 발명에 따른 빔 세이핑(shaping) 능동 소자의 일예를 도시한 도면들로서, 도 3(a)는 전기 신호의 인가가 없는 경우의 상기 소자를 도시한 도면이며, 도 3(b)는 상기 소자에 예시적인 제1 전압을 인가하였을 때 나타나는 포커싱 특성을 도시한 도면이며, 도 3(c)는 상기 소자에 예시적인 제2 전압을 인가하였을 때의 포커싱 특성들 도시하는 도면;
도 4(a) 내지 4(c)는 본 발명에 따른 SOI 구조체에 형성된 한 쌍의 프리즘형 상의 불순물 영역을 이용하는 빔 스티어링(steering) 능동 소자의 일예를 도시하는 도면들로서, 도 4(a)는 상기 소자에 전기 신호가 인가되지 않은 경우를 도시하는 도면이며, 도 4(b)는 상기 소자에 예시적인 제1 전압을 인가하였을 때 나타나는 빔 스티어링 특성을 도시한 도면이며, 도 4(c)는 상기 소자에 예시적인 제2 전압을 인가하였을 때의 빔 스티어링 특성을 도시한 도면;
도 5는 본 발명에 따른 슬랩 능동 브래그 그레이팅 구조체(slab-based active Bragg grating structure)의 일예를 도시한 등적 사시도;
도 6은 본 발명에 따른 리브 능동 브래크 그레이팅 구조체(rib-based active Bragg grating structure)의 일 예를 도시한 등적 사시도;
도 7(a) 및 7(b)는 본 발명에 따른 능동, 튜너블 마하-젠더 간섭계의 일 예를 도시한 도면들로서, 도 7(a)는 상기 간섭계의 평면도이며 도 7(b)는 등적 사시도;
도 8은 본 발명에 따른 능동 광학 스위치의 일 예를 도시한 도면;
도 9는 본 발명에 따른 능동 광학 스위치의 다른 배열체 구조체를 도시한 도면;
도 10은 본 발명에 따른 애드/드랍 링 공진기 구조체(add/drop ring resonator struccture)의 일 예를 도시한 도면;
도 11은 본 발명에 따른 온-칩 능동 평광 제어기의 일 예를 도시한 도면;
도 12는 본 발명에 따른 능동 파브리-페롯 소자(active Fabry-Perot device)를 도시한 등적 사시도; 그리고
도 13은 본 발명에 따른 배열체된 도파관(arrayed wavelength, AWG) 구조체의 일 예를 도시한 평면도이다.
변형되지 않은(untrained), 순수 실리콘은 선형 전자-광학 효과(Pockels effect)를 나타내지 않고, Franz-Keldysh 효과와 Kerr 효과와 같은 비선형 효과도 매우 약하게 나타낸다. 105 V/cm 범위의 전기장이 인가되는 경우 굴절률이 약 10-8 내지 10-5 정도 변하는 Kerr 효과가 나타난다. 실리콘에서의 굴절률/광 흡수율을 변화시키는 가장 효과적인 메카니즘은 자유 캐리어 효과(△n ~ 10-3) 및 열-광학 효과(△n ~ 10-4)를 이용하는 것이다. 실리콘의 온도 변화로 인한 굴절률의 변화를 열-광학 효과라 한다. 열-광학 효과는 다소 느리고(약 < 1 MHz), 오늘날의 매우 빠른 통신 환경에서는 그 적용 분야에 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 얇은(마이크론 단위 이하) SOI (silicon-on-insulator) 도파관 구조체에서 자유 캐리어 효과을 이용한다. 특히, 상기 도파관 구조체는 SOI층 상에 형성된 상대적으로 얇은(마이크로 단위 이하) 산화물을 포함하는 SISCAP (silicon-insulator-silicon capacitive) 구조체와 함께, 상기 SOI층 일부와 중첩하고 능동 소자 영역을 형성하기 위해 상기 얇은 산화물상에 형성된 실리콘층(통상 폴리실리콘 폼을 포함함)을 이용한다. 이러한 소자의 등적 사시도 및 측단면도가 도 1 및 도 2에 도시되었다. 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(12), 절연층(14), 및 서브-마이크론(sub-micron) 두께 실리콘 표면층(SOI층)(16)을 포함하는 SOI구조체(10)내에 상기 소자가 형성되어 있다. 상대적으로 얇은 산화물(게이트 산화물)(18)은 상기 SOI층(16)의 표면 일부에 걸쳐 형성되고, 폴리실리콘층(20)은 상기 게이트 산화물(18)과 상기 SOI층(16)상에 형성되어 상기 언급한 바와 같은 중첩구조체를 형성한다. 절연층(26)은 SOI층(16)에 인접하게 배치되어 광학 모드의 측방향 전파를 구속한다. 유리하게도, 통상의 기판상에 형성되는 CMOS 전자 소자에 사용되는 게이트 산화물과 동일한 유전체가 본 발명의 다양한 능동 광학 소자 게이트 산화물(18)을 형성하는데 사용될 수 있다. CMOS 전자 소자에서 사용되는 게이트 유전체와 유사한(재료선택 및 두께의 설정에 있어서 유사한) 유전체를 사용함으로써, 비슷한 전압 레벨(예를 들어, ±3.5 V)을 사용하여 능동 광학 소자의 동작에 필요한 자유 캐리어 움직임을 실현할 수 있다. 이하 설명에 있어서, 층(20)은 폴리실리콘을 포함하는 것으로 언급한다. 비결정질(amorphous) 실리콘, 그레인 크기 강화(grain-size enhanced) 폴리실리콘, 그레인 경계 보호(grain-boundary passivated) 폴리실리콘, 그레인 경계 정렬 폴리실리콘, 단결정 실리콘, 실직적으로 단결정인 실리콘, 및 Ge로 도핑된 실리콘과 같은 다양한 종류의 실리콘/폴리실리콘이 상기 층(20)을 형성하는데 사용될 수 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 능동 스위칭 기능 및 능동 터닝 기능은 자유 캐리어 변조 방법에 의해 구현된다. 이러한 광학적 조작에 있어서 중요한 점은, 관련되는 전자 제어 소자들이 동일 SOI 구조체(10)내의 광학 소자와 함께 집적되어 SOI 구조체(10)의 능동 영역(29)의 자유 캐리어의 인덱스 특성(index characteristics) 변동시킬 수 있어야된다는 것이다. 이를 위한 한 방법으로 광 도파관(예를 들어, 리브(rib) 또는 유효 인덱스 리브(effective index rib))의 주위에 전자 소자를 형성하는 것이다. 전자 소자의 작동으로 도파관의 광학적 특성(굴절률의 실수부 및 허수부)이 변경되어 광학 모드가 영향을 받는다. 소자의 마이크론 단위 이하의 치수 및 광에 대한 확실한 구속(대부분의 경우, 광파 신호의 기본 모드만의 전파를 허용함)에 의하여 자유 캐리어의 효과적인 사용이 가능하게 된다. 디플리션(depletion), 축적, 또는 역 모드중 어느 하나에 있어서의 자유 캐리어 변조를 제공하기 위해 인덱스(△) 실수부의 변화으로 인한 광의 위상(phase) 변화 또는 인덱스의 허수부(△k)에 의한 감쇠를 이용하여 자유 캐리어 효과를 얻을 수 있다. 특히, 굴절률의 실수부는 위상 이동(phase shift)과 다음 수학식과 같은 관계를 갖는다:
Figure 112006068885038-PCT00001
여기서, L은 굴절률이 변화하는 도파관내 경로의 길이이며, λ는 도파관내에서 전파되는 광의 파장이다. 흡수율(absorption coefficient)의 변화는 허수 인덱 스(imaginary index)와 다음과 같은 관계가 있다:
Figure 112006068885038-PCT00002
.
상기한 바에 의하면, 상기 SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)이 중첩되어 형성되는 도파관 구조체에서 선택된 부분들을 적당히 도핑하고 (즉, 도핑을 통해 상기 능동 영역(29)를 형성하고), 도핑된 부분들과 연관되도록 전극들을 위치시킴으로써(도면에서는 제1 전극(22)이 SOI층(16)과 연결되고 제2 전극(24)이 폴리실리콘층(20)과 연결됨) 능동 기능성을 달성할 수 있음을 알 수 있다. 전극들(22, 24)에 소정의 전압을 인가함으로써, 2차원 전자(hole) 가스(2DEG)가 능동 영역(29)내의 게이트 산화물(18)의 양측에 형성된다. 본 발명에 따르면, 높은 광학적 전기장이 존재하는 게이트 산화물(18)의 양측(즉, 도 1 및 2에 도시된 광학 모드(O)의 중심)에서 자유 캐리어 집중도의 큰 변화를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 소자 배열체에서, 콜리메이트된(collimated) 빔(O)은 SOI 구조체(10)에 형성된 두꺼운(slab) 도파관을 통과하는 것으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 삼각형 모양으로 도핑된 영역들이 게이트 산화물(18) 근처에서 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)에 형성된다. 더욱 상세히, 제1 도핑 영역(17)이 게이트 산화물(18)의 바로 아래 위치에서 SOI층(16)에 형성되고, 제2 도핑 영역(21)이 게이트 산화물(18)의 바로 위에서 폴리실리콘층(20)에 형성되며, 상기 도핑 영역들(17, 21)은 상보적 도핑 타입을 나타내도록 형성된다(통상, SOI층(16)은 P형 불분물로 도핑되고 폴리실리콘층(20)은 N형 불순물로 도핑된다. 반대의 경우도 가능할 수 있다). 종래의 CMOS 공정 기술을 이용하여, SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)에 대해 순차적으로 마스킹(masking) 및 임플란팅(implanting)을 수행하여 도핑 영역들(17, 21)을 원하는 패턴으로 형성하며, 또한 도핑 영역들(17, 21)이 필요한 도핑 프러파일을 가지며 도핑 영역들(17, 21) 사이에 수직 방향으로 중첩부가 형성되게 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 광학적 손실을 최소화하기 위해 상기 전극들(22, 24)은 광신호가 전파되고 조작되는 능동 영역(29)에서 소정 거리 이격되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20) 각각에 필요한 전기적 접촉을 제공하기 위해, 불순물이 많이 도핑된 한쌍의 도핑 영역들(23, 25)가 상기 전극들(22, 24)와 관련하여 형성되며, 이 도핑 영역들(23, 25)는 또한 도핑 영역들(17, 21)과 접촉되어 있어서, 필요한 전기 신호 경로가 형성된다. 전극들(22, 24)을 광신호 경로에서 멀리 떨어지게 배치함으로써 손실을 줄일 수 있는 반면에, 이로 인해 능동 소자의 동작 속도를 제한되게 된다. 따라서, 통상 손실과 속도 양측면을 고려해서 적용 분야별로 상황에 가장 적합한 위치에 전기적 접촉점을 위치시키게 된다. 즉, 속도가 중요한 경우(예를 들어, 광변조의 경우), 추가적인 광학적 손실을 감수하고서도 전기적 접촉점은 능동 영역에 상대적으로 가깝게 배치될 수 있다. 반대로, 단일 모드 도파관 영역에 빔을 포커싱하는 경우와 같이 최대 출력의 신호가 중요한 경우, 동작 속도가 감소되는 것이 감수될 것이다.
상기한 바와 같이, 도파관을 따라 전파되는 광신호에서 특정 광전달 함수(optical transfer function, OTF)를 얻을 수 있도록(즉, 광의 능동 조작을 달성할 수 있도록) 상기 도핑 영역의 형상을 결정한다. 이하, 다양한 능동 광학 소자를 설명하면서 이러한 조건을 만족하는 도핑 영역의 다양한 형상에 대해 언급할 것이다. 이하 설명되는 능동 소자는 본 발명의 사상을 설명하기 위한 예시적인 소자이 다. 따라서, 본 발명의 능동 광학 소자를 형성하기에 적합하다면 어떠한 형상/도핑 프로파일도 SOI 기반의 SISCAP 구조체에서 사용될 수 있다. 이러한 SISCAP 구조체 및 도핑 방법에 대한 상세한 설명은 공통 양수 미국 특허 제 6,845,198호에서 찾아 볼 수 있으며, 이는 본 명세서에 참고로 편입되어 있다.
도 3(a) 내지 3(c)는 본 발명에 따른 능동 SISCAP 광학 소자(30)에서 서로 다른 세 가지 활성화 환경을 보여주는 평면도이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 능동 SISCAP 광학 소자(30)는 렌즈로서의 기능을 수행할 수 있는 형상을 가지는 제1 도핑 영역(32) 및 상기 제1 도핑 영역(32)으로부터 소정의 분리 갭(g) 만큼 이격된 렌즈 형상의 제2 도핑 영역(34)를 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시된 구조체와 전체적으로 유사하게, 제1 도핑 렌즈 영역(32)은 SOI층(16)에 형성된 N형 도핑 면적(31) 및 폴리실리콘층(20)에 형성된 P형 도핑 면적(33)을 포함하며(즉, ㅊ상술한 바와 같이 상보적으로 도핑된 면적들을 갖는다), 각 면적(31, 33)은 (종래의 CMOS 마스킹 및 불순물 임플란테이션 공정을 이용하여) 원하는 렌즈 기능을 할 수 있는 형상으로 만들어진다. 유사하게, 제2 도핑 렌즈 영역(34)도 SOI층(16)에 형성된 N형 도핑 면적(35) 및 폴리실리콘층(20)에 형성된 P형 도핑 면적(37) 포함하며, 상기 면적들(35, 37)은 상기한 소정의 렌즈형상을 이룬다. 각각 제1 및 제2 도핑 면적들(31, 33)과 접촉하는 제1 전극쌍(36, 38)이 형성되어 있다. 제2 도핑 렌즈 영역(34)에는, 각각 도핑 면적들(35, 37)과 접촉하는 제2 전극쌍(40, 42)가 형성된다. 도 3(또는 나머지 도면들에서)에서 도시되지 않았지만, 불순물이 많이 도핑된 접촉면적이 각각의 전극 바로 아래에서 실리콘 재질에 형성되어서 연결부의 전도도 를 높인다.
본 발명에 따르면, 각각의 전극들(36, 38, 40, 42)에 인가되는 전압을 조절하여 제1 및 제2 렌즈 도핑 렌즈 영역들(32, 34)의 포커싱 특성을 제어할 수 있다. 도 3(a)를 참조하면, 전극들(36, 38, 40, 42) 어느 것에도 전압이 인가되지 않는 경우, 연속되는 렌즈 구조체들의 광학적 분산이 상호 상쇄되므로 상기 렌즈 구조체는 수동 광학 도판관 소자의 특성을 나타낸다. 적당한 전압이 전극들(36, 38, 40, 42)에 인가되는 경우, 도핑 영역들의 굴절률이 변하게 되어, 광학 모드의 동위상 파면(phase front)이 세이핑(shaping)되고 포커싱 기능을 달성된다. 특히, 도 3(b)를 참조하면, 제1 전압 세트(V+ 및 V-로 도시됨)이 제2 전극쌍(40, 42)에 인가되면 제2 도핑 렌즈 영역(34)내의 유효 인덱스가 줄어들게 되어 전파되는 빔이 포인트(A)에 포커싱될 수 있다. 상기 인가되는 전압 레벨 각각을 변경하여(도 3(c)을 참조하며, V++ 및 V--로 도시됨) 포인트(B)에 전파되는 빔을 포커싱할 수 있다. 제1 도핑 렌즈 영역(32)에 전압을 인가하여 빔의 형상을 다른 모양으로 변경할 수 있다. 일반적으로 말해, 본 발명에 따르면, 광빔을 포커싱하는 것뿐만 아니라 광빔을 확대하는 것과 같이 원하는 광빔의 형상을 얻기 위해 어떠한 렌즈 조합도 사용될 수 있다. 본 발명 따른 도파관 렌즈들이 포커싱 특성을 동적으로 조절할 수 있는 능력에 의해, 전파되는 광파가 상대적으로 좁은(마이크론 단위이하) 단일 모드 도파관에 포커싱될 수 있고, 이는 SOI 광학-전자 시스템에서 필요로 하는 중요한 특성이다. 더욱이, 렌즈 배열체의 촛점을 능동적으로 변경할 수 있어서 공정상의 변 동, 주위 온도의 변화, 시간에 따른 변화(aging variations)등에 대처하여 필요한 조정을 수행할 수 있다.
전파되는 빔의 촛점을 능동적으로 조정하는 대신에, 광신호 편향(deflection)을 제어(즉, 빔 스티어링)하기 위해 SOI 기반의 SISCAP 구조체에 다른 형상의 도핑 영역들 또는 이러한 영역들의 세트를 형성할 수 있다. 이러한 목적으로, 도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명에 따른 빔 편향기(50)의 일예를 도시한다. 도면을 참조하면, SOI층(16), 게이트 절연물(18)(도 1 및 2에 도시된 것과 같은), 및 폴리실리콘층(20)이 중첩되는 부분에 형성되는 능동 도파관 영역(29)에 프리즘 형상의 도핑 영역쌍(52, 54)이 형성된다. 도시된 바와 같이, 제1 프리즘 형상 도핑 영역(52)의 경사진 면(56)은 제2 프리즘 형상 도핑 영역(54)의 경사진 면(58)과 인접하게(그 사이의 분리 갭(g)가 형성됨) 형성된다. 상술한 바와 같이, 이러한 도핑 영역들(52, 54)는 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)의 소정 영역들에 대해 마스킹 및 임플란팅을 적절히 수행하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, SOI층(16)의 일부분(게이트 산화물(18)과 인접한 능동 영역(29)의 일부분에 해당하는 부분)에는 N형 불순물을 사용하여 임플란팅되어 제1 도핑 영역(61)을 형성한다. 능동 영역(29)의 일부분에 해당하는 폴리실리콘층(20)의 일부는 P형 불순물을 사용하여 임플란팅되어 제2 도핑 영역(63)을 형성한다(역으로 배치하는 것도 가능하다. 즉, SOI층(16)이 P형 불순물로 도핑되고, 폴리실리콘층(20)이 N형 불순물로 도핑될 수 있다). 제1 전극쌍(60, 62)가 제1 프리즘 형상 도핑 영역(52)와 연관되어 있는데, 이중 전극(60)은 SOI층(16)의 도핑 영역(61)의 굴절률을 변경하기 위해 배치되 었고 전극(62)는 폴리실리콘층(20)의 도핑 영역(63)의 굴절률을 변경하기 위해 배치되었다. 제2 전극쌍(64, 66)이 제2 프리즘 형상 도핑 영역(54)와 연관되어 있으며, 이중 전극(64)은 SOI층(16)의 도핑 영역(65)의 굴절률을 조정하기 위해 배치되었고, 전극(66)은 폴리실리콘층(20)의 도핑 영역(67)의 굴절률을 조정하기 위해 배치되었다. 이러한 구조체를 형성하는 공정에서, 필요한 도핑 영역들은 동일한 공정 단계에서 해당 층(layer)에 형성된다.
도 4(a) 내지 도 4(c)를 참조하면, 각 프리즘 형상 도핑 영역들과 연관된 전극들에 인가되는 전압을 조정하여 광 편향과 관련된 광빔의 조작 방법이 도시되어 있다. 특히, 도 4(a)를 참조하면, 어느 전극에도 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 프리즘 구조체는 수동 광학 도파관 소자의 특성을 나타내고, 이로 인해 연속되는 프리즘 구조체는 서로의 광학적 분산을 상쇄하게 되어 프리즘 형상 도핑 영역들(52, 54)을 통해 전파되는 광빔(L)에서 전파 광학 모드의 변화가 일어나지 않는다. 적절한 전압이 전극들(60, 62, 64, 66)에 인가되는 경우, 상기 도핑 영역들(61, 63, 65, 67)의 굴절률이 변하게 되고, 이로 인해 광학 모드가 편향되게 된다. 도 4(b)를 참조하면, 제1 세트 전압이 전극들(60, 62, 64, 66)에 인가된 경우, 전파 모드가 도면 기준으로 상향으로 편향된다. 제2 세트 전압 또는 전압들이 전극들(60, 62, 64, 66)에 인가되는 경우, 도 4(c)에 도시된 바와 같이 전파 모드는 다시 하측으로 편향될 수 있다. 따라서, 전극들(60, 62, 64, 66)에 인가되는 전압을 변동시킴으로써, 부품의 움직임을 필요로 하지않는 광학 스위치 구조체를 제공하게 된다. 도 4에 도시된 실시예에서는 광이 광학 도파관의 평면내에서만 편향되는 것 으로 도시하였지만, 일련의 프리즘 구조체를 적절한 방향으로 배치함으로써 광빔을 광포파관 평면내에서 상향 및 하향으로 편향시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 소자(50)의 능동 영역(29)에 대한 전극들(60, 62, 64, 66)의 상대적 위치는 상반되는 두가지 고려 사항인 스위칭 속도와 광학적 손실을 감안하여 결정될 수 있다.
브래그 그레이팅(Bragg grating)은 광학적 필터링, 그룹 속도 분산 제어, 감쇠와 같은 다양한 광학적 기능을 수행하기 위해 사용되는 광학 구조체로 잘 알려져 있다. 브래그 그레이팅의 기본적인 원리는 도파관에 배치된 그레이팅 구조체에 의한 도파관에서의 인덱스(모드 인덱스, mode index) 또는 전파 상수의 작고 주기적인 변동에 있으며, 이는 특정 파장에서의 회절이 공진 조건을 만족하게 한다. 그레이팅 주기를 변경하므로써, 다른 파장이 선택될 수 있다. 전달형 브래그 그레이팅(transmissive type Bragg grating)에서는, 원하는 파장은 그레이팅 구조체를 통과하고 나머지 파장은 도파관을 따라 반사되어 되돌아 가도록 할 수 있다. 반사형 브래그 그레이팅에서는, 다른 파장의 광이 그레이팅 구조체에서 회절되어 나오게 할 수 있어(통상, 그레이팅에 수직한 방향이지만, 다른 방향이 선택될 수도 있다), 파장 선택형 소자를 구성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기한 SISCAP 구조체의 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)안에 적절한 도핑 그레이팅 소자들을 형성하여 브래그 그래이팅을 형성할 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 전달형 브래그 그레이팅 구조체의 일예를 도시한다. 도시된 브래그 그레이팅(70)은, SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)의 중첩에 의해 SISCAP 구저의 능동 영역(29)내에 형성된 도판관 영역(74)DML 길이방향 을 따라 배치된 복수의 도핑 그레이팅 소자들(72)을 포함한다. 복수의 제1 전극들(76)은 SOI층에 형성된 같은 수의 도핑 면적들(77) 연관되어 있으며, 독립적으로 분리된 i번째 제1 전극(76-i)이 i번째 도핑 면적(77-i)을 제어하는 방식으로 배치되어 있다. 복수의 제2 전극들(78)이 폴리실리콘층(20)에 형성된 같은 수의 도핑 면적들(79)와 연관되어 있으며, 이와 같은 도핑 면적들(77)과 도핑 면적들(79)의 조합에 의해 상기 그레이팅 소자들(72)이 이루어진다.
어느 전극에 파워를 인가할 것인가(각 전극에 인가되는 신호의 세기를 포함하여)를 제어하여 본 발명에 따른 상기 브래그 그레이팅(70)의 그레이팅 주기를 변경할 수 있으며, 이를 통해 전파되는 광빔에 대한 능동 조작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극들(76, 78)에서 하나 걸러 하나씩 전극에 파워을 인가하여 제1 브래그 그레이팅 주기Λ1을 얻을 수 있다. 상기 제1 주기 Λ1에 의해 대응하는 파장 λ1을 가지는 광이 도파관(74)를 따라 전달되고 나머지 파장의 광은 반사된다. 이러한 파워 인가 패턴을 변경함으로써, 예를 들면, 모든 전극들에 파워를 인가함으로써, 다른 브래그 그레이팅 공진 파장을 얻을 수 있다. 이 경우, 도 5에 역시 도시된 바와 같이, 브래그 그레이팅(72)은 그레이팅 주기 Λ2를 나타내고, 이에 따라 파장 λ2의 광이 전달될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 독립적으로 분리된 각각의 그레이팅 전극들(76, 78)에 인가하는 전압을 조정함으로써, 연계된 그레이팅 소자들의 인데스를 변경할 수 있고, 이에 의해 능동 브래그 그레이팅 구조체(70)의 구현이 가능하다. 또한, 브래그 그레이팅은 공진 소자이므로, 본 발명에 따라 브래그 그레이팅(70)을 튜닝함으로써 상기 브래그 그레이팅(70)은 파장을 모르는 신호와 함께 사용될 수 있으며, 그 결과 공진 공동 길이를 조절하게 된다. 실제로, 그레이팅의 입력단과 출력단측에 검출기를 설치하여 입출력 파워비를 측정하고 측정된 값에 기초하여 상기 공진기를 튜닝함으로써 온도 또는 공정 변화등에 의해 야기되는 신호 파장의 변동을 보상할 수 있다.
도시되지 않았지만, 주어진 구조체에 의해 전달될 수 있는 파장을 측정하기 위해 검출기를 브래그 그레이팅(70)의 입력 및 출력측 각각에 배치할 수 있다. 또한, 상기 검출기와 독립적인 전극들을 위한 전압 소스 사이에 피드백 경로를 형성하여, 원하는 파장을 갖는 광파 신호를 형성하도록 상기 브래그 게이팅을 튜닝하고 모니터링할 수 있다. 제조 공정상의 변수로 인해 주어진 브래그 그레이팅에서의 파장이 변동될 수 있으므로, 그레이팅 구조체의 튜닝 메커니즘은 본 발명의 중요한 특징이다. 또한, 상기 그레이팅 구조체 자체는 처프 되거나(chirped)(즉, 인접하는 소자들 사이의 간격을 다르게 조정), 아파다이즈 되거나(apadized)(즉, 게이팅 구조체를 위해 둘러싸는 형상의 조정), 블레이즈 되거나(blazed)(즉, 광축에 대하여 소자들을 경사지게 조정), 또는 상기 언급한 조정들의 가능한 어떠한 조합이 적용될 수 있으며, 이러한 브래그 그레이팅의 특징은 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있어서, 당업자는 상기 브래그 그레이팅을 능동, 튜닝 가능한 소자 이용하는 다양한 방법을 쉽데 찾을 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브래그 그레이팅 구조체(700)을 도시 하는 도면이며, 상기 브래그 그레이팅 구조체(700)는 리브 도파관 구속 영역(O)에 기초한 구조체로서, 상기 리브는 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)을 적절히 절단하여 형성된다(후술함). 도면을 참조하면, 유전체 영역(710)(예를 들어, 이산화 실리콘(silicon dioxide)을 포함)은 SOI층(16)과 동일면에 형성되어 SOI층(16)을 형성하는 실리콘 재료가 확장되는 것을 측방향에서 막아 능동 영역(29)안으로 광신호를 구속하는 데 사용된다. 위를 덮는 폴리실리콘층(20)은 게이트 산화물(18) 및 SOI층(16) 위에 형상되는 부분이 제거되도록 처리된다. 이것은, 도 6의 측벽(720)을 통해 알 수 있으며, 이러한 폴리실리콘층(20)의 절단에 의해서 광신호를 능동 영역(29)내에서 측방향으로 구속하는 것이 더욱 강화된다. 이러한 도파관 구조체를 형성하는 것은, 광파 신호의 기본 모드만을 지원하는 구조체(따라서, 높은 차수의 모드가 신호의 전파과정에서 나타나는 것을 방지하는 구조체)를 제공하는 데 있어서 중요한 인자로 고려된다.
도 5에 도시된 브래그 그레이팅(70)과 유사하게, SOI층(16)에는 복수의 제1 도핑 영역들(730)이 형성되어 그레이팅 구조체의 일부를 이룬다. 폴리실리콘층(20)에는 복수의 제2 도핑 영역들(740)이 형성되어 브래그 그레이팅(700)의 그레이팅 구조체의 나머지 부분을 구성하게 된다. 복수의 제1 전기 접점(750)들은 분리 형성된 제1 도핑 영역들(730) 각각을 제어하는 데 사용되며, 복수의 제2 전기 접점들(760)은 분리 형성된 제2 도핑 영역들(740) 각각을 제어하는 데 사용되어, 도 5에서 도시된 것과 같은 타입의 조정/튜닝 가능한 브래그 그레이팅을 제공한다.
상술한 바와 같이, 위상 변화(실수부 인덱스, n)와 흡수(허수부 인덱스, k) 를 모두 사용하여 자유 캐리어 효과를 활용할 수 있다. 변조기, 크로스 스위치, 분산 보상기, 링 공진기와 같은 응용 분야에서, 소자 구조체를 통과하는 광모드의 위상을 변경하는 방법으로 광의 능동 조작이 가능하다. 특히, 일정한 위상차를 갖는 두 개의 결맞음 파장들(coherent lightwaves) 사이에서 발생하는 간섭을 이용하는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer, MZI)를 이용하여 진폭 변조를 수행할 수 있다.
도 7(a) 및 7(b)는 본 발명에 따른 MZI(80)의 일 예를 도시한 도면들로서, 도 7(a)는 상기 MZI의 평면도이며 도 7(b)는 등적 사시도이다. 도면을 참조하면, 상기 MZI(80)은 양쪽 팔부위에 성능을 제어하기 위한 능동 소자들를 포함한다. 일반적으로, 상기 MZI(80)는 입력 신호를 두 개의 분리된 광경로들(optical paths or arms)(86, 88)로 나누기 위해 입력 도파관부(82) 및 입력 Y-스플리터(84)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에 따르면, 상술한 리브 타입 구조체에 따라 원하는 Y-스플리터 및 아암의 구조체를 형성하기 위해 폴리실리콘층(20)이 패터닝된다. 도시된 바와 같이, MZI(80)에서의 반사를 줄이고 결합 효율을 높이기 위해 폴리실리콘층(20)은 MZI(80)의 입력부(20-T)에서 테이퍼진 형상을 갖을 수 있다. 갖는다. 유사하게, MZI(80)의 출력부(20-O)에서의 폴리실리콘층(20)의 형상을 적절히 조정하여 출사되는 빔의 발산각을 결정할 수 있다. 특히, 신호의 손실을 줄이기 위해, 출사빔이 MZI(80) 너머의 콜리메이팅 광학기기(미도시)와 매칭되도록 폴리실리콘층(20)의 출력부(20-O)가 패턴될 수 있다. 폴리실리콘층(20)을 패터닝하여 이러한 구조체를 형성하는 중요한 이유는, 능동 영역(29)의 수직 및 측면 치수를 조절하여 MZI(80)가 인가되는 광파 신호의 기본 모드만 전파되도록 작동하게 하는 것이다. 단일 모드 동작이 MZI의 입력부에서 출력부에 걸쳐 이루어지게 하기 위해서는, 특히 Y-컴바이너(combiner)(90)에서의 기본 모드의 전파만을 지원하는 능력이 중요하다.
아암들(86, 88) 사이에 일정한 위상 편이(phase shift)를 도입함으로써, 신호들이 Y-콤바이너(90)에서 재결합 되어 출력 도파관부(92)로 진행하는 동안 강도 변조(intensity modulation)된다. 도면은 참조하면, 본 발명에 따른 제1 능동 소자(94)는 제1 아암(86)의 일부분을 따라 배치되며, 제2 능동 소자(96)는 제2 아암(88)의 일부분을 따라 배치된다. 특히, 도시된 제1 능동 소자(94)는 SOI층(16)에 형성된 제1 도핑 면적(91) 및 폴리실리콘층(20)에 형성된 제2 도핑 면적(93)을 포함한다. 유사하게, 제2 능동 소자(96)은 SOI층(16)에 형성된 제1 도핑 면적(95) 및 폴리실리콘층(20)에 형성된 제2 도핑 면적(97)을 포함한다. 도 7(a) 및 7(b)에 도시된 실시예에 따르면, 도핑 면적들(91, 93, 95, 97)은 사각형 모양을 갖는다. 도시 되지 않은 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반사를 최소로 줄이기 위해 폴리실리콘층 사각형의 끝단은 (신호의 전파 방향을 따라) 차차 가늘어 지게(tapered) 형성될 수 있다. 어느 실시예의 경우든, 상기한 능동 소자들에 있어서, 제1 능동 소자(94)의 제1 전기적 접점(100)은 SOI층(16)의 도핑 면적(91)에 형성되며, 제2 전기적 접점(102)는 폴리실리콘층(20)의 도핑 면적(93)에 형성된다. 유사하게, 한쌍의 전기적 접점들(104, 106)이 제2 능동 소자(96)의 도핑 면적들(95, 97)에 형성된다.
전파 광학 모드의 전파 상수(propagation constant) β는 제1 능동 소자(94) 및/또는 제2 능동 소자(96)에서의 자유 캐리어의 주입 또는 제거에 의해서 변경될 수 있다. MZI(80)의 변조 깊이(modulation depth) η는 다음과 같이 정의 될 수 있다:
Figure 112006068885038-PCT00003
여기서, △β는 자유 캐리어의 존재(또는 부존재)로 인한 전파 상수의 변화를 나타내고, L은 제1 능동 소자(94) 또는 제2 능동 소자(96)의 경로 길이를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 MZI(80)의 변조 깊이는 도핑 면적들(91, 93, 95, 97)에 인가하는 전압을 조절함으로써 제어될 수 있다. 사실상, 상기 MZI(80)의 출력 강도를 전파 상수 △β에 대하여 파인 튜닝(fine tuning) 제어를 실시함으로써 정밀하게 제어할 수 있으므로, 본 발명의 다른 실시예에서, 적절한 피드백 제어를 통해 상기 MZI를 동적 이득 이퀄라이저 (dynamic gain equalizer) 또는 가변 광학 감쇄기(variable optical attenuator, VOA)로 사용할 수 있다.
종래의 MZI의 경우에서처럼, 능동 영역들(91, 93, 95, 97)에 사용된 불순물 전도도 타입과 이 영역들에 인가되는 전압의 극성에 따라서, 본 발명의 능동 MZI도 축적 모드, 디플리션(depletion) 모드, 또는 역전(inversion) 모드에서 동작할 것이다. 또한, 직렬(cascaded) 또는 병렬의 MZI 멀티플 배열체이 종래의 CMOS 공정기술을 이용하여 형성되어 더욱 복잡한 신호 제어를 위해 사용될 수 있다. 이러한 모든 변경은 본 발명의 사상을 벗어나지 않는다.
본 발명에 따르면, 능동 광학 스위치가 형성될 수 있다. 도 8은 본 발명의 따른 능동 광학 스위치의 일예를 도시한 평면도이다. 도시된 능동 광학 소자(110)는 상술한 SISCAP 구조체에 형성되며, 한 쌍의 단일 모드 입력 도파관들(112, 114) 및 한 쌍의 단일 모드 출력 도파관들(116, 118)을 포함하며, 이들 도파관들 사이에는 중앙 도파 면적(120)이 형성되어 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 각각의 도파관 부분들은 SOI층(16)에만 형성될 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각각의 도파관 부분들은 SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)에 의한 SISCAP 구조체로 이루어질 수 있다. 어느 경우나, 능동 소자 영역들을 형성하기 위해서는 폴리실리콘층(20)의 도핑 영역들과 연계하여 SOI층(16)의 선택된 부분들에 불순물을 추가해야 한다. 도 8을 참조하면, 도시된 능동 소자 영역(122)은 상기 중앙 도파관 면적(120)상에 배치되며(이 경우, 능동 소자 영역(122)은 사각형 형상을 갖는다), SOI층(16)및 폴리실리콘층(20)에 형성된 상보적인 도핑 면적들을 포함한다. 상세히, 제1 도핑 영역(124)은 SOI층(16)에 형성되고, 제2 도핑 영역(126)은 폴리실리콘층(20)에 형성되며, 이들 도핑 영역들(124, 126)은 도 8에 도시된 바와 같이 사각형 모양으로 서로 중첩한다. 제1 전기적 접점(128)이SOI층(16)의 제1 도핑 영역(124)과 연관되어 있다(상기 제1 전기적 접점(128)은 불순물이 많이 도핑된 접촉 면적(130)을 포함한다). 제2 전기적 접점(132)이 폴리실리콘층(20)의 제2 도핑 영역(126)과 연관되어 있으며, 상기 제2 전기적 접점(132)도 불순물이 많이 도핑된 접촉 면적(134)를 포함한다.
상기 능동 광학 소자(110)의 동작을 살펴보면, 입력 도파관(112)를 통해 전 파하는 기본 모드 신호(입력)는 중앙 도파관 면적(120)에 들어서면서 기본 모드 및 1차 모드를 모두를 발생시킨다. 이러한 두 모드들에서의 전파 상수의 차이는 상술한 △β 값에 해당한다. 능동 소자 영역(122)의 길이가 L이고 △β = π 이면, 기본 모드와 1차 모드의 위상은 출력 도파관(116)을 따라 반대로 되므로 출력 도파관(16)에서의 광 전파는 상쇄된다. 이 경우, 본 발명에 따라, 전극들(128, 134)에 전압을 인가하여 다음 식과 같이 상기 전파 상수의 차이를 변동 시킬 수 있다:
(△β + △βfree carrier)L = 2π,
여기서, △βfree carrier는 굴절률의 변화와 관련되는 전파 상수의 변화량으로 정의된다. 이와 같이 추가적인 위상 변이가 일어나는 경우, 기본 모드와 1차 모드는 위상이 같아져 (in-phase) 합쳐지고, 그 결과 광 출력은 도파관(116)에서 도파관(118)로 스위칭된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 스위치 구조체(200)를 도시한 평면도로서, 분리된 능동 광학 소자들이 상기 광학 스위치 구조체(200)의 평행한 아암들을 따라 형성될 수 있다. 상세히, 도시된 광학 스위치 구조체(200)는 입력 도파관 부(210) (본 실시예에서는, SOI층(16)에 형성됨) 및 상기 입력 도파관부(210)에서 분기되는 한 쌍의 평행한 스위치 아암들(212, 214)를 형성하는 Y-스플리터부(211)을 포함한다. 도 8에 도시된 구조체와 같이, 상기한 다양한 도파관부들은 SOI층(16)에만 형성되거나, SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)이 이루는 구조체에 적절히 형성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 분리된 능동 광학 소 자를 각각의 아암상에 배치하고 전파되는 광신호에 의한 유효 광 경로 길이를 제어하는 데 사용하여, 전파되는 두 광빔에서 원하는 위상 편이를 유도할 수 있다. 제1 능동 소자(220)는 SOI층(16)의 선택된 부분(222)을 소정의 면적 만큼 도핑하여 형성된다. 폴리실리콘 영역(224)은 도핑된 SOI 부분(222) 상측에 형성되며, 상기 폴리실리콘 영역(224)에 상보적인 불순물이 주입함으로써 능동 소자(220)가 형성된다. 본 실시예에 있어서, 폴리실리콘 영역(224)을 패터닝하여 입력 테이퍼 영역(input tapered region)(223) 및 출력 테이퍼 영역(225)를 형성한다. 상술한 바와 같이, 테이퍼진 폴리실리콘 영역을 형성함으로써 반사를 줄이고 SOI층(16)과 SOI층(16)/게이트 산화물(18)/폴리실리콘층(20)의 조합으로 이루어지는 구조체 사이에서의 효율적인 광학적 결합을 촉진한다. 한 쌍의 전기적 접접들(226, 228)이 도핑 영역들(222, 224)과 관련되게 형성되어 능동 소자(220)의 전기적 전위를 변경하는데 사용되어 아암(212)의 길이를 제어하는 배열체로써 제공된다.
유사하게, 제2 도파관 아암(214)에 일부분에 제2 능동 소자(230)가 형성되며, 이 제2 능동 소자를 전극들(232, 234)를 이용하여 제어함으로써 전파되는 신호에 의해 형성되는 광경로의 길이를 변경할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 능동 소자들(220, 230)에 인가되는 전압들을 제어함으로써, 다양한 위상 지연(phase delay)를 각각의 신호 경로에서 유도할 수 있다. 광신호들이 지향성 결합 배열체(diretional coupling arrangement, 240)에 진입함에 따라 발생하는 위상차(phase difference)를 통해서, 능동 스위칭 소자(200)의 분리된 출력 아암들(250, 252)에서의 신호들의 파워 레벨을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 액트브 소자로서 애드/드랍(add/drop) 링 공진기 구조체를 형성할 수 있다. 도 10은 상술한 구조체와 유사하게 SOI층(16) 또는 SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)에 의해 이루어지는 구조체에 형성되며, 단일 모드 도파관 구조체(132) 및 이와 연관된 링 공진기(134)를 포함하는 애드/드랍 링 공진기(30)를 예시적으로 도시한다. 가장 기본적인 형태에서, 링 공진기(134)의 물리적 치수는 도파관(132)을 따라 전파되는 다파장(multi-wavelength) 신호로부터 아웃커플링되는(out-coupled) 특정 파장(또는 특정 범위의 파장)에 영향을 준다(드랍 모드로 사용되는 경우). 도 10을 참조하면, 이러한 특징에 의해, 파장 λ2로 제1 도파관(132)에서 링 공진기(134)로 결합된 신호는 제2 단일 모드 도파관(136)으로 (원래 전파방향과 반대 방향으로) 안내된다. 유사하게, 소정의 파장에서 제2 도파관(136)으로부터 링 공진기(134)로 결합되는 광신호는 제1 도파관(132)으로 결합된다(애드 모드인 경우).
본 발명에 따르면, 능동 소자 섹션(138)을 링 공진기(134)의 일부분을 따라 포함시킴으로써 링 공진기(134)의 파장 감도(wavelength sensitivity)가 변하게 할 수 있다. 상술한 능동 소자들의 경우와 같이, 상기 능동 소자 셕션(138)은 SOI층(16)의 특정 부분에 형성된 제1 도핑 면적(140) 및 폴리실리콘층(20)에 형성된 제2 도핑 면적(142)(제1 도핑 면적(140)과 상보적으로 도핑됨)을 포함한다. 한 쌍의 전기적 접점들(144, 146)이 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)에 형성된 도핑 영역들(140, 142) 각각에 결합된다. 전기적 접점들(144, 146)에 인가하는 전압을 변경 함으로써, 링 공진기(134)의 광경로 길이를 변경할 수 있다. 따라서, 도파관(132)으로 결합되는/도파관(132)에서 분리되는 파장을 변경할 수 있다. 또한, 링 공진기(134)를 그 공진 조건으로/그 공진 조건에서 벗어나도록 튜닝함으로써 튜닝가능한 광변조기를 제공할 수 있다.
물론, 본 발명에 따른 링 공진기 구조체는 유사한 공정 기술을 사용하여 형성되는 복수의 별도 링들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 별도의 링들각각은 다른 파장에 대하여 애드/드랍(add/drop) 작용을 하기 위해 도파관을 따라 적당한 크기로 형성되고 튜닝될 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따르면, 복수의 링들이 도파관에 수직한 방향으로 적층되어, 인접하는 링들 사이에서 큰 파장 선택성을 갖도록 할 수도 있다. 이러한 실시예들은, 잘 알려진 종래의 CMOS 공정 기술을 이용하여 구현 가능하다. 사실, 상술한 능동 스위치 배열체들중 어느 하나를 상기능동 링 공진기에 결합하여 링 공진기에 대한 파장 커플링을 튜닝하는 구조체를 형성할 수도 있다. 다른 모놀리식(monolithic) 구조체에는 링 공진기(또는 브래그 그레이팅)과 변조기의 결합구조체가 포함될 수 있다. 종래의 CMOS 공정 기술에 기초하여 SOI 베이스와 SISCAP 구조체를 결합하여 사용함으로써, 다수의 소자들을 단일 실리콘 기판에 집적하는 것이 비교적 간단해진다.
박막의(즉, 마이크론 단위 이하의) SOI 도파관은 편광 의존성(polarization dependent)을 갖는다고 알려져 있으며, 그 결과 입력되는 신호의 편광 방향이 SOI 도파관의 편광에 맞게 회전되어야 한다. 예를 들어, 프리즘 커플링을 사용하는 경우, 입력되는 신호의 TE 모드만이 정확히 커플링된다. 따라서, 원하는 신호를 형성 하기 위해 상기 신호의 TM 성분은 TE 편광 모드 방향으로 회전된 후 TE 모드와 재결합되어야 한다. 그러나, 두 빔의 위상이 다른 경우, 두 빔의 재결합으로 인해 손실이 발생하게 된다(간섭이 원인이 된다). 이러한 손실을 줄이는 한 가지 방법으로, 본 발명에 따른 편광 콤바이너를 사용하는 것이다. 도 11은 본 발명에 따라 상술한 SISCAP 구조체에 형성된 예시적인 온칩(on-chip) 능동 편광 컴바이너(150)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 원래의 TE 편광 성분은 제1 도파관(152)에 커플링된다. 상기 제1 도파관(152)은 SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)의 조합으로 형성되는 능동 영역(29)를 포함하는 상술한 SISCAP 구조체에 의해서 형성된다. 회전된 TE 모드 신호(원래는 TM 편광을 갖는)는 제2 도파관(154)의 입력으로 인가된다. 상기 제1 도파관(152)과 제2 도파관(154)은 Y-콤바이너 부분(156)에서 합쳐져서 출력 도파관(158)과 연결된다.
본 발명에 따른면, 도파관들(152, 154) 어느 하나 또는 모두를 따라 능동 광학 소자를 배치함으로써 두 편광 신호들에 대한 능동 위상 편이를 수행할 수 있다. 도 11에 도시된 실시예에 따르면, 도시된 제1 능동 소자(160)는 제1 도파관(152)의 일 부분을 따라 형성되며, 제2 능동 소자(162)는 제2 도파관(154)의 일부분을 따라 형성된다. 상술한 다양한 능동 소자들의 경우 처럼, 능동 소자들(160, 162)은 SOI층(16)과 폴리실리콘층(20)의 선택된 영역을 도핑함으로써 형성된다. 도시된 바와 같이, 제1 능동 소자(160)는 SOI층(16)에 형성된 도핑 면적(161) 및 폴리실리콘층(20)에 유사한 형상으로 형성된 도핑 면적(163)을 포함한다. 제2 능동 소자(162)도 유사하게 형성된 도핑 면적들(165, 167)을 포함한다. 한 쌍의 제1 전기 접점 들(170, 172)이 제1 능동 소자(160)의 도핑 면적들(161, 163)과 연관되어 있으며, 한 쌍의 제2 전기 접점들(174, 176)이 제2 능동 소자(162)의 도핑 면적들(165, 167)과 연관되어 있다. 능동 소자들(160, 162) 어느 하나 또는 양자 모두에 인가되는 전압을 제어함으로써, 도파관들(152, 154)의 광경로 길기를 변경할 수 있으며, 이를 이용하여 도파관들(152, 154)를 따라 전파되는 TE 및 회전된 TE 성분들 사이의 위상 편이를 조정할 수 있다. 따라서, 상기 인가되는 전압을 주의하여 조정함으로써, 출력 도파관(158)에서 신호들이 결합될 때 손실을 줄일 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 예시적인 능동 파브리-페롯 (Fabry-Perot, FP) 소자(180)를 도시한 등적 사시도이다. 상기 FP 소자(180)의 캐비티 영역(184)에는 능동 광학 소자(182)가 형성되어 상기 FP 소자(180)의 광경로 길이(그 결과, 공진)를 변경할 수 있다. 상기 FP 소자(180)는 폴리실리콘층(20)을 에칭하여 얻어진 입력 그레이팅 구조체(186)을 포함한다. 출력 그레이팅 구조체(188)도 유사한 방법으로 폴리실리콘층(20)에 형성되며, 도파관 영역이 입력 그레이팅 구조체(186)와 출력 그레이팅 구조체(188) 사이로 연장되어 캐비티 영역(184)을 형성한다. SOI층(16), 게이트 산화물(18), 및 폴리실리콘층(20)의 조합에 의해 형성되는 도파관에서 전파되는 광신호의 파장에 따라, 특정 파장이 상기 그레이팅(186, 188) 사이에서 반사된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 상기 캐비티 영역(184)에 상기 능동 소자(182)를 포함시킴으로써, FP 소자(180)의 파장 감도를 조정할 수 있다. 또한, 상기 능동 소자(182)를 이용하여 상기 FP 소자(180)를 공진 조건으로/공진 조건에서 벗어나게 튜닝함으로써, 광학 변조가 가능하다(즉, 광학 변조기가 제공된다).
도시된 바와 같이, 상기 능동 소자(182)는 SOI층916)에 형성된 제1 도핑 면적(190) 및 폴리실리콘층(20)에 형성된 제2 도핑 면적(192)를 포함한다. 전극들(194, 196)이 각각 도핑 면적들(190, 192)에 연결되며, 상기 전극들(194, 194) 사이에 전위차를 걸어줌으로써 상기 캐비티 영역(184)에서의 광경로 길이에 영향을 줄 수 있다. 입력 및 출력 검출기들(미도시)이 FP 소자(180)와 함께 사용하여 FP 소자(180)의 입력부와 출력부에서 측정되는 값들에 따라 상기 전극들(194, 196)에 인가하는 전압을 조정함으로써 캐비티 영역(184)에서의 공진 파장에 대한 피드백 제어가 가능하다.
중요한 광학 필터들이 배열체된 도파관 그레이팅들(arrayed waveguide gratings, AWGs)로 표시된다. AWG는 회절 그레이팅의 기능을 본따 배열체된 많은 수의 도파관을 포함하는 평면 구조체로 정의된다. AWG는 멀티플렉서(multiplexer) 또 디멀티플렉서(demultiplexer)로 통상 사용되며, 광채널 세트에 대해 수동, 파장 선택성, 엄밀히 난블록킹(non-blocking)의 크로스-연결로서 사용되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 불특정 갯 수의 입력 포트들로 입력되는 멀티플 주파수들을 복수의 출력 포트들 중 어느 하나로 분배 및 재결합하는 방식으로, 상기 AWG는 멀티플렉서 및 디멀티플렉서로서 동시에 작동할 수 있다. 종래의 AWG 구조체의 문제점들중 하나는 상기 구조체를 형성하는 커플러들 사이의 경로 길이를 신중히 제어해야할 필요가 있다는 것이다. 평면형 집적 광학 구조체에 있어서, 이러한 필요성으로 인해 종종 아크 모양의 광경로를 형성할 필요가 있다, 이러한 형상은 제조하기 어려운 형상이다.
따라서, 본 발명에 따른 능동 AWG 구조체(400)에서는 물리적인 경로의 변경 없이 광경로 길이를 원하는 대로 변경하기 위해 각각 신호의 경로를 따라 배치된 복수의 능동 소자들을 이용한다. 도 13은 입력 커플링 영역(410) 및 출력 커플링 영역(420)을 포함하는 AWG(400)을 도시한다. 도시된 AWG(400)은 일반적으로 상술한 SISCAP 구조체의 SOI층(16), 게이트 산화물(20), 및 폴리실리콘층(20)에 형성된다. 도시된 입력 커플링 영역(410)은 단일 입력 도파관(412) 및 분리된 N개의 출력 도파관들(414)을 포함하며, 상기 출력 도파관들(414)에서는 다양한 파장이 출력된다. 상기 출력 커플링 영역(420)은 상기 입력 커플링 영역(410)의 N개의 출력 도파관들(414)와 각각 일대일로 커플링된 N개의 입력 도파관들(422)을 포함한다. 또한, 상기 출력 커플링 영역(420)은 N개의 출력 도파관들(424)를 포함한다.
상기 AWG(400)의 작동시, 상기 도파관들(414, 422) 사이에 형성된 복수의 도파관들(430)에서의 광경로 길이를 변경함으로써 원하는 회절 특성을 얻을 수 있다. 도 13을 참조하면, 각각의 도파관(430-I)은 별도의 능동 광학 소자(440)를 포함한다. 가장 간단한 형태에 있어서, 각각의 능동 광학 소자들(440)은 동일한 형태로 형성될 수 있다(다만, 반드시 동일한 형상일 것을 요하는 것은 아니다). 상술한 광학 소자에서처럼, 상기 능동 광학 소자(440)는 SOI층(16)에 형성된 제1 도핑 영역(441) 및 폴리실리콘층(20)에 (유사한 모양으로) 형성된 상측의 제2 도핑 영역(443)을 포함한다. 각각의 능동 광학 소자들(440)이 유사한 구성요소들을 포함하고 있으므로, 불필요한 혼동을 피하기 위해 도 13에 도시된 광학 소자들(440) 중 하나에 대해서만 구체적으로 설명한다. 제1 전기 접점(442)이 SOI층(16)의 제1 도 핑 영역(441)을 제어하기 위해 제1 도핑 영역(441)에 결합 되며, 제2 전기 접점(444)이 폴리실리콘층(20)의 제2 도핑 영역(443)을 제어하기 위해 제2 도핑 영역(443)에 결합 된다. 따라서, 소정의 전위차를 제1 및 제2 전기 접점들(442, 444) 사이에 인가하는 경우, 대응하는 도파관(430)의 광경로 길이가 변경되어 원하는 회절 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 다른 전위차를 인가하여 AWG 구조체(400)의 도파관들(430)을 개별적으로 제어함으로써, 회절 그레이팅을 형성하기 위한 서로 다른 길이의 광경로들을 생성할 수 있다. 바람직하게는, AWG 구조체(400)의 특성을 변경하기 위해서 인가하는 전압을 조정되거나 변경하게 된다. 사실, 원하는 회절 효과와 관련되는 작동 파장은 인가하는 전압을 변경하므로써 쉽게 변경 가능하다. 그 결과, 상기한 여러 능동 소자들에 인가하는 전압을 바꾸어 주는 방법을 통해서 다른 출력 포트들 사이에서의 파장 선택적 라우팅이 가능하게 된다. 도파관 배열체 구조체에서의 이러한 파장 선택적 라우팅과 스위칭은 종래 기술에 비해 본 발명이 가지는 상당한 진보이다. 지금까지의 종래 기술에 따르면, AWG 구조체의 동작에 변화를 주기 위해서는 물리적 레이아웃과 디자인을 변경해야 할 필요가 있었다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 도파관들(424)의 출력 신호들을 모니터링하여 이러한 신호들을 피드백 신호로 사용하여 실시간으로 대응하는 능동 소자(430)에 인가되는 전압을 조정함으로써, AWG(400)의 동작을 제어할 수 있다.
앞에서 상술한 실시예들은 본 발명의 사상을 예시적으로 설명하기 위한 것으로, 다른 다양한 형태의 평면 광학 소자들이 본 발명에 따른 SISCAP 구조체의 능동 소자로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상술한 도핑 소자 구조체를 이용하여 프레넬 렌즈(Fresnel lens)가 튜닝될 수도 있다. 2004년 12월 23일 출원된 미국 특허 출원 제 10/830,571호 (본 발명과 co-pending 관계에 있는 출원)에 개시한 바와 같이, 능동하고, 조정가능한 다중 모드 간섭(multimode interference, MMI) 스플리터가 형성될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 능동 소자들이 상기 스플리터 구조체의 벽을 따라 형성되어 발생하는 간섭 패턴을 변경한다. 또한, 인가되는 전압을 조정함으로써 소정의 파장을 더하거나 제거(add or drop)할 수 있는 평면 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서가 파장-선택적 능동 소자로서 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 능동 광학 소자들을 위한 SOI 기반의 SISCAP 구조체에 있어서, 상기 능동 소자들의 제어와 동작과 관련되는 다양한 전기 부품들이 동일한 집적 회로 칩에 집적될 수 있는 이점이 있다. 더욱이, 상기 다양한 전기 부품들이 광학 소자 부붐들을 형성하기 위한 CMOS 공정에서 형성될 수 있다. 또한, 상기 SISCAP 구조체의 상측 실리콘층은 폴리실리콘외의 다른 재료를 사용하여 형성할 수도 있다. 특히, 그 중에서도 비결정질(amorphous) 실리콘, 단결정 실리콘, 및 실질적으로 단결정인 실리콘이 사용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (37)

  1. 마이크론 단위 이하(sub-micron)의 표면 실리콘층(SOI층), 상기 SOI층의 적어도 일부분 위에 형성되는 상대적으로 얇은 유전체층, 및 상기 SOI층과 상기 유전체층의 조합위에 형성되는 상측 실리콘층을 포함하는 실리콘-절연체-실리콘 정정 용량(silicon-insulator-silicon capacitive, SISCAP) 도파관에서 전파되는 광파 신호를 능동적으로 조작하기 위한 SOI 기반 광학 배열체에 있어서,
    제1 도전 타입을 가지며, 상기 SOI층의 SISCAP 도파관에 형성된 적어도 하나의 도핑 영역;
    반대의 제2 도전 타입을 가지며, 상기 상측 실리콘층에 형성되어 상기 SOI층에 형성된 도핑 영역의 적어도 일부분과 중첩됨으로써 능동 광학 영역을 형성하는 적어도 하나의 도핑 영역; 및
    상기 각각의 도핑 영역들과 연관된 별도의 전기 접점 영역들을 포함하며, 상기 전기 접점 영역들 어느 하나 이상에 전압이 인가되는 경우, 상기 접점과 연관된 도핑 영역의 굴절률이 변경되어 상기 전파되는 광파 신호의 특성을 조작하기 위한 영역들을 생성하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SOI층에 형성된 적어도 하나의 도핑 영역의 형상과 상기 상측 실리콘층에 형성된 적어도 하나의 도핑 영역의 형상은 원하는 광학 조작 기능을 제공하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도핑 영역들의 조합은 전기적 신호가 인가되는 경우 빔 세이핑(shaping) 기능을 제공할 수 있도록 형상화된 것을 특징으로 SOI 기반 광학 배열체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 SOI층은 소정 형상을 갖는 복수의 도핑 영역들을 포함하고, 상기 상측 실리콘층은 유사한 형상을 갖는 복수의 도핑 영역들을 포함하여, 복수의 분리된 빔 세이핑 소자들을 형성하며, 상기 각각의 빔 세이핑 소자들은 개별적으로 연관된 별도의 전기 접촉 영역들에 의해 독립적으로 제어되어, 다른 전기적 신호 조합을 인가하는 경우, 상기 SOI 기반 광학 배열체의 촛점이 변경되도록 하는 조작을 포함하여 전파되는 광파에 대하여 다양한 조작이 가능한 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 도핑 영역들의 조합은 전기적 신호가 인가되는 경우 2차원 프리즘과 같은 기능을 제공할 수 있도록 형상화된 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 도핑 영역들의 조합은 다수개의 유사하게 배치된 그레이팅 소자들을 포함하며, 상기 그레이팅 소자들 중 하나에 선택적으로 전압을 인가하고 그레이팅 구조체의 주기를 능동적으로 조작하기 위하여 상기 그레이팅 소자들 각각은 연관된 한 쌍의 전기 접점 영역들에 의해 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그레이팅 구조체는 전달형(transmisstive) 그레이팅 구조체가며, 상기 전기 접점 영역들 중에서 선택된 영역들에 전압을 인가하여 상기 그레이팅 구조체를 통과하는 파장(들) 및 상기 그레이팅 구조체에서 반사되는 파장(들)을 능동적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 도핑 영역 조합은 전기 신호가 인가되는 경우 능동 광학 공진기 구조체를 제공할 수 있도록 형상화된 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 능동 광학 공진기 구조체는,
    상기 능동 광학 공진기 구조체의 입력부에 배치되어 상기 입력부에 인가되는 광신호의 파장을 검출하는 제1 광학 검출기;
    상기 능동 광학 공진기 구조체의 출력부에 배치되어 상기 출력부를 통해 출사되는 광신호의 파장을 검출하는 제2 광학 검출기; 및
    상기 제1 및 제2 광학 검출기들의 검출 신호에 응답하여 상기 능동 광학 공진기 구조체를 조정하기 위해 제공되는 광학 전력 측정 배열체을 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 능동 광학 공진기 구조체는 링 공진기 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 능동 광학 공진기 구조체는 파브리-페롯(Fabry-Perot) 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interometer)를 더 포함하며, 상기 마하-젠더 간섭계는
    도파관 측방 구속 영역(waveguide lateral confinement area)을 정의하기 위해 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분을 포함하는 입력 도파관부;
    상기 입력 도파관부와 결합하여 상기 전파되는 광파 신호를 한 쌍의 광파 신호들로 나누며, Y-스플리팅 분리 구속 영역을 정의하기 위해 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분을 포함하는 입력 Y-형상부;
    상기 Y-형상부의 제1 아암과 결합하고, 제1 도파관 측방 구속 영역을 정의하기 위해 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분을 포함하는 제1 도파관;
    상기 Y-형상부의 나머지 제2 아암과 결합하고, 제2 도파관 측방 구속 영역을 정의하기 위해 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분을 포함하는 제2 도파관;
    상기 분리된 한 쌍의 광파 신호들을 결합하여 하나의 출력 광파 신호를 만들기 위해 상기 제1 도파관의 끝단과 결합하는 제1 아암 및 상기 제2 도파관의 끝단과 결합하는 제2 아암을 포함하고, 상기 분리된 한 쌍의 광파 신호들을 측방에서 구속하고 결합시키기 위해 상측 실리콘층의 패터닝된 부분을 포함하는 출력 Y-형상부;
    상기 출력 광파 신호를 수신하기 위해 상기 출력 Y-형상부와 결합하며, 도파관 측방 구속 영역을 정의하기 위해 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분을 포함하는 출력 도파관부; 및
    상기 제1 및 제2 도파관들 중 적어도 하나의 일부분을 따라 형성되고, 상기 SOI층 및 상기 상측 실리콘층에 형성되는 반대 특성을 갖는 도핑 영역들을 갖는 적어도 하나의 능동 소자 영역을 포함하며, 연관된 전기 접점 영역들에 전기 신호가 인가되는 경우 상기 제1 및 제2 도파관들중 적어도 하나의 광 경로 길이가 변경되어 상기 광파 신호의 전파를 조작할 수 있는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배 열체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마하-젠더 간섭계의 상기 적어도 하나의 능동 소자 영역은 상기 제1 도파관을 따라서만 배치되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 마하-젠더 간섭계의 상기 적어도 하나의 능동 소자 영역은 상기 제1 및 제2 도파관들을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 입력 도파관부에 포함되는 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분은 상기 마하-젠더 간섭계로의 광학 커플링을 향상시키기 위해 테이퍼(taper) 형상의 입력부를 갖는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 마하-젠더 간섭계에서 상기 상측 실리콘층의 패터닝된 부분들은 측방 구속을 제공하기 위한 구조체를 가져서, 전파되는 광파 신호의 기본 모드만이 지원되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 출력 도파관부에 포함되는 상기 상측 실리콘층의 패턴닝된 부분은 출력되는 광파 신호가 소정량 만큼 분산되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 능동 소자 영역의 패터닝된 실리콘 부분을 제외한 나머지 패터닝된 실리콘 부분들은 실질적으로 도핑되지 않은 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 링 공진기 구조체를 더 포함하며, 상기 링 공진기 구조체는
    전달 도파관부; 및
    소정의 파장들이 상기 전달 도파관부와의 사이에서 미세하게 커플링되도록 상기 전달 도파관부에 인접하게 배치되는 적어도 하나의 링-형상 도파관 공진기를 포함하며, 상기 링-형상의 도파관 공진기는 상기 SOI층 및 상기 상측 실리콘층에 서로 반대되는 특성의 불순물을 이용하여 형성된 도핑 영역들을 포함하는 적어도 하나의 능동 소자 영역을 포함하며, 연관된 전기 접점 영역들에 전기 신호가 인가되는 경우 상기 링-형상의 도파관 공진기의 광 경로 길이가 변경되어 상기 전달 도 파관부와 상기 링-형상의 도파관 공진기 사이에서 미세하게 커플링되는 상기 소정 파장들을 조작할 수 있는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 링 공진기 구조체는 상기 전달 도파관부의 길이 방향으로 분리 배치된 복수의 개별적인 링-형상 도파관 공진기들을 포함하며, 상기 링-형상 도파관 공진기들 각각은 서로 다른 소정의 파장과 관련되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 링 공진기 구조체는 고차(high-order) 공진 조건을 지원하기 위해 인접하게 적층된 형태로 배치된 복수의 링-형상 도파관 공진기들을 포함 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 능동 광학 스위치를 더 포함하고, 상기 능동 광학 스위치는
    적어도 하나의 입력 도파관부;
    분리된 적어도 두 개의 출력 도파관부들;
    상기 적어도 하나의 입력 도파관부와 상기 적어도 하나의 출력 도파관부들 사이에 배치되어 상기 분리된 출력 도파관부들 사이에서 선택적으로 광파 신호를 커플링하기 위한 결합 도파관부; 및
    상기 결합 도파관부의 선택된 부분을 따라 형성되는 상기 SOI층 및 상기 상측 실리콘층에 형성된 반대 특성의 도핑 영역들을 포함하는 적어도 하나의 능동 소자 영역을 포함하며, 연관된 전기 접점 영역들에 전기 신호가 인가되는 경우 상기 결합 도파관부의 광 경로 길이가 변경되어 상기 분리된 출력 도파관부들 사이에서의 선택적 커플링이 조작될 수 있는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 결합 도파관부는 광파 신호에 대한 측방 구속을 유지하기 위한 패턴닝된 SOI층을 포함하여, 상기 전파되는 신호의 기본 모드만을 지원하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 능동 광학 편광 컴바이너를 더 포함하고, 상기 능동 광학 편광 컴바이너는
    광파의 TE 편광 모드의 전파를 지원하기 위한 제1 입력 도파관;
    TM 편광에서 TE 편광으로 회전된 입력 광파에 대하여 TE 편광 모드의 전파를 지원하는 제2 입력 도파관;
    상기 전파되는 광파 신호들을 결합하기 위해 상기 제1 및 제2 입력 도파관들 과 결합하는 결합 도파관 영역;
    상기 결합된 광파 신호들의 전파를 위한 출력 도파관; 및
    상기 제1 및 제2 입력 도파관들중 적어도 어느 하나의 일 부분을 따라 배치되는 적어도 하나의 능동 소자를 포함하며, 상기 적어도 하나의 능동 소자는 상기 SOI층 및 상기 상측 실리콘층에 반대 특성의 불순물을 이용하여 형성된 도핑 영역들을 포함하며, 연관된 전기 접점 영역들에 전기 신호가 인가되는 경우 상기 제1 및 제2 입력 도파관들중 적어도 하나의 광 경로 길이가 변경되어 상기 전파되는 광파 신호들의 위상을 조정할 수 있으며 상기 광파 신호들의 전력이 보강적으로 더해질 수 있게(constructive addition) 할 수 있는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 결합 도파관 영역은 상기 광파 신호의 기본 모드만이 전파되도록 충분한 측방 구속을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 능동 광학 편광 컴바이너는 상기 제1 입력 도파관에 따라 배치된 적어도 하나의 능동 광학 소자 및 상기 제2 입력 도파관에 따라 배치된 적어도 하나의 능동 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 SOI층에 형성된 상기 적어도 하나의 도핑 영역은 N형 도전 타입을 가지며, 상기 상측 실리콘층에 형성된 도핑 영역은 P형 도전 타입을 갖는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 SOI층에 형성된 상기 적어도 하나의 도핑 영역은 P형 도전 타입을 가지며, 상기 상측 실리콘층에 형성된 적어도 하나의 도핑 영역은 N형 도전 타입을 갖는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 SOI층은 스트레인드 래티스 단결정 실리콘층(strained lattice single crystal silicon layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 상측 실리콘층은 폴리실리콘, 비결정질(amorphous) 실리콘, 그레인 크기 강화(grain-size enhanced) 폴리실리콘, 그레인 경계 보호(grain-boundary passivated) 폴리실리콘, 그레인 경계 정렬 폴리실리콘, 단결정 실리콘, 및 실직적으로 단결정인 실리콘(substantially single crystal silicon)으로 이루어지는 그 룹에서 선택된 마이크론 단위 이하(sub-micron)의 두께를 갖는 실리콘 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  31. 제2항에 있어서,
    상기 SISCAP 도파관 구조체는 정렬된 도파관(arrayed waveguide, AWG) 구조체로 형성되며, 상기 AWG 구조체는
    입력 NxM 커플링 영역;
    출력 MxP 커플링 영역; 및
    복수의 M 도파관들을 포함하며, 상기 복수의 M 도파관들 각각은 상기 입력 NxM 커플링 영역의 출력들에서 분리된 어느 하나의 출력을 상기 출력 MxP 커플링 영역으로 입력들중에서 분리되는 어느 하나의 입력으로 결합하며, 상기 복수의 M 도파관들중 적어도 하나의 도파관은 상기 SOI층과 상기 상측 실리콘층에 형성된 도핑 영역들의 조합을 포함하여 능동 광학 소자를 형성하며, 상기 능동 광학 소자는 상기 적어도 하나의 도파관의 광 경로 길이를 변경하고 상기 AWG 구조체의 파장 선택성을 제어하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 복수의 M 도파관들 각각은 개별적으로 제어 가능한 능동 광학 소자를 포함하여 상기 M 도파관들 각각의 광 경로 길이가 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 복수의 M 도파관들 각각은 본질적으로(essentially) 동일한 물리적 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 다중 모드 간섭(multi-mode interference, MMI) 스플리터를 포함하고, 상기 MMI 스플리터는
    입력 도파관부;
    상기 입력 도파관부와 결합하며 복수의 반사 벽을 가져서 전파되는 광파 신호에서 반사되는 부분들에서 간섭이 발생 되도록 하는 캐비티 도파관 영역; 및
    전파되는 광파 신호에서 소정의 파장들을 아웃-커플링(out-coupling)하기 위해 상기 캐비티 도파관 영역의 벽면을 따라서 결합되는 적어도 하나의 출력 도파관부를 포함하며, 상기 도핑 영역들 조합은 상기 캐비티 도파관 영역의 반사 벽내의 적어도 일 위치에 형성되어 상기 캐비티 도파관 영역의 광 경로 길이를 변경하고 상기 출력 도파관부에 커플링되는 상기 소정의 파장을 변경하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 능동 지향성 커플링 스위치를 포함하며, 상기 지향성 커플링 스위치는
    입력 도파관:
    상기 입력 도파관부와 결합하는 입력 Y-스플리팅 도파관부;
    상기 Y-스플리팅 도파관부의 끝단들과 각각 결합하며, 상기 SOI층 및 상기 상측 실리콘층에 형성되는 반대 특성의 도핑 영역들을 포함하는 적어도 하나의 능동 소자 영역을 각각 포함하는 한 쌍의 도파관 아암들;
    상기 한 쌍의 도파관 아암들의 끝단과 결합하는 미세 커플링 배열체; 및
    상기 미세 커플링 배열체과 결합하는 분리된 한 쌍의 출력 도파관부들을 포함하며, 전기 신호가 각각의 광 도파관 아암 내의 능동 소자에 인가됨으로써 한쌍의 개별 출력 광 도파관 영영 사이의 스위칭을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  36. 제1항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는 능동 파브리-페롯(Fabry-Perot) 소자를 포함하며, 상기 파브리-페롯 소자는
    상기 상측 실리콘층의 제1 부분에 형성되는 입력 그레이팅 구조체;
    상기 상측 실리콘층의 제2 부분에 형성되는 출력 그레이팅 구조체; 및
    상기 입력 그레이팅 구조체 및 상기 출력 그레이팅 구조체 사이의 영역에 의해 정의되는 공진 캐비티를 포함하며, 상기 공진 캐비티는 상기 SOI층 및 상기 상측 실리콘층에 형성되는 반대 특성의 도핑 영역들을 포함하는 적어도 하나의 능동 소자 영역을 포함하여, 연관되는 전기 접점 영역들에 전기 신호가 인가되는 경우 상기 공진 캐비티의 광 경로 길이가 변경되어 상기 파브리-페롯 소자의 파장 민감도를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 SOI 기반 광학 배열체는
    상기 입력 그레이팅 구조체 앞에 배치되어 상기 입력 그레이팅 구조체에 입력되는 광신호의 파장을 검출하는 제1 광학 검출기;
    상기 출력 그레이팅 구조체가 뒤에 배치되어 상기 출력 그레이팅 구조체에서 출사되는 광신호의 파장을 검출하는 제2 광학 검출기; 및
    상기 제1 및 제2 광학 검출기들의 검출 신호에 응답하여 상기 파브리-페롯 소자를 조정하기 위해 제공되는 광파워 측정 배열체을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SOI 기반 광학 배열체.
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