TW200426419A - SOI integrated reconfigurable optical add/drop multiplexer and manufacturing method thereof - Google Patents

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200426419 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係為一種可調式光塞取多工器及其製造 方法，尤指一種絕緣層上矽晶積體化之可調式光 塞取多工器及其製造方法。 【先前技術】 都會網路引進緊密分波多工（Dense Wavelength Division Mul tipi exing，D WDM)系統已 有3 0年啲時間，不過由於過去1 9 7 0年代的頻寬 需求並不高，因此DWDM系統的佈建緩慢，而且目 前多半是以點對點的架構建置，多個波長的資料 到達端點後，先作波長解多工，再透過舊有的同 步數位 F皆層(Synchronous Optical Network，SDH)/ 同 步光 纖網路 (Synchronous Optical Network，SONET)系統處理，這.種情況下，光塞取 多工器（Optical Add/Drop Multiplexer，〇 ADM) 並無用武之地。 * 隨著網際網路之成長，寬頻接取環境已趨成 熟，接取端的大量頻寬需求將促使都會核心網路 加速引進DWDM系統來抒解頻寬壅塞的問題，因此 都會DWDM系統將漸漸由點對點架構而演進為環 狀或網狀架構，而0ADM則是都會DWDM系統中不 可或缺的設備，用以整合傳統S D H / S 0 N E T信號為 多通道W D M / S 0 Ν Ε Τ網路，可節省網路設備升級的 費用。 0ADM大致上可分為兩類：固定式光塞取多工 器（Fixed 0ADM，FOADM)與可調式光塞取多工器 (Reconf igurable OADM，ROADM)。F0ADM 是目前 的市場主流，提供固定波長上下載的功能，由於 它只能提供特定波長的上下載，並不能滿足都會 200426419 網路的彈性需求，因此其在都會核心網路的地位 將漸漸被可彈性調度波長的R〇 A DM所取代，而漸 漸退居於都會邊緣網路及接取網路。依採用的關 鍵零組件來區分，F0ADM可分為薄膜濾鏡式（Thin Film Filter，TFF type)、布拉格光纖光柵式 (Fiber Bragg Gratting，FBG type)及陣列光波導 式（Array WaveGuide，AWG type)等幾種。由於前 述FOADM的產品特性將會漸漸走向低階市場，因 此產品價格是影響客戶採購意願最重要的因素之 一，在未來幾年都將是F0ADM市場的主流。R0ADM 又可分為 Switch-based 0ADM 以及 Tunable Filter-based 0ADM兩種，價格也相當昂貴。 由於本發明運用布拉格光柵的技術，因此在 這裏對光柵（g r a t i n g )元件多加介紹。就 FBG-based 0ADM而言，此類FBG型0ADM基本上 是於兩旋光器（Circulator)間放置若干組 FBG。 這些F B G會分別反射特定的上/下路波長信號，及 讓直通波長信號通過。在FBG-based 0ADM中，在 上/下路、及直行通路時難免會將訊號損失。又此 類0ADM易受溫度影響而改變，且需要光放大器、， 故體積較大，難以與半導體晶片整合，以降低成 本〇 另一方面，光纖光柵本身是靠寫在纖核（core) 上的光栅條紋間距來決定波長值為何的光被反， 射，因此，適當的改變間距可做到可調反射波長 的FBG。而利用溫度變化的方式調整，可調波長 範圍小且調節速度慢，因而，實用性不佳。 近年來由於國内半導體產業的日趨成熟，且 10 200426419 在技術上一直有創新性的突破，在材質上由於石夕 易於取得且價格低廉，已成為積體電路製程中主 要使用的材質，本發明即是以絕緣層上矽晶（S 0 I ) 為基材晶j，此晶片除了易於取得、價格低廉外， 並具有與 CMOS電子元件之高頻寬及低功率耗損 等優越特性整合之優點。因此，本發明係採用S 0 I 積體電路半導體製程的技術，應用在製作光纖通 訊的關鍵零組件中，未來將有效縮小元件尺寸及 降低成本與提升技術競爭力。 最近幾年，以絕緣層上矽晶（S 0 I )為製程晶片 之積體光學元件已有少許文獻陸續發表，並多以 光學關鍵性元件為主。本發明則是首次將絕緣層 上矽晶（S 0 I )設計為可調式光塞取多工器，可設計 出一具波長選擇性的元件，並研究智慧型光纖分 波多工網路之保護網路，以提.高智慧型光纖分波 多工網路的可靠度。並利用光多模干涉的特性， 可大幅提升元件功率傳遞及耦合的效，率，改善輸 出品質，增加對光纖光耦合效率，並且只要變化 波導的參數將可以控制以不同的光波區段來作為 輸出，可應用至所有的光波長，作為各種技術、上 的使用。此種設計可有效節省使用材料晶圓一半 的面積，且具有較大的頻寬、短小細敏的尺寸、 高製程參數變化的容忍度、穩定的輸出、低功.率 損耗…等優點，並對於未來元件的商品化，提供 極佳的解決方案。

Rodney C. Tucker 和 Richard Lauder 於 2 0 0 1 年六月 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS 第 13卷，第6期，第582-584頁提出用三個新的OADM 200426419 結構，具有低干擾（1 〇 w c r 〇 s s t a 1 k )及低元件數量 (low component count)之優點，這些 OADM 是由 單個多極循環和一個或兩個的 F i b e r B r a g g Grating 所組成的，並由實驗證明出 OADM可容 忍較大的功率差異。

David Mechin， Philippe Grosso, and Dominique Bose 於 2001 年九月 JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 第 19 卷，第 9 期，第 1 2 8 2 — 1286頁設計出一種利用在Bragg grating處引入 光寫入加工的技術和降低波導内部的壓力，進而 提高 Directional coupler(DC)-DADM 的效率及避 開使用昂貴的循環器。

Shih-Hsiang Hsu, 0. King, F. G. Johnson， J. V. Hryniewicz, Y.J. Chen 和 D. R. Stone 於 1999 年 7 月 Electronics Letters 第 35 卷，第 1 5期，第1 2 4 8〜1 2 4 9頁提出利用光檢測器陣列及 週期性光柵之技術設計出一種分波多.工器，在其 光檢測器上材料應用是坤化銦鎵（I n G a A s )，配合 週期性波導光柵的砷化鋁鎵（A 1 G a A s ) /砷化鎵 (GaAs)結構而成，其濾波器的帶通（passband)是 設計在2nm，並且光波長範圍在152 0 -1550nm之 間，然而此結構體積較大，製程較複雜。

Anthony S· Kewi tsch, George A. Rakuljic， Santa Monica; ^ San Marino, 等人在美國於 1999 年 2月所發表專利編號 US5875272 之 Wavelength Selective Optical Device 專利 中，利用波導光耦合器加光柵而成的塞取濾波器 (add/dropfilter)，其以雙向的控制、光柵的長 12 200426419 ί 度和間距來濾出所要求的波長，並且可加以回授 網路，而使得輸出與下一級的輸入得到相同的輸 入波長。然而此專利對光柵之製作要求極高，製 作不易。 任職於朗訊公司的 Christi Kay Madsen，於 1 9 9 9年 9月在美國所發奉專利編號 U S 5 9 5 3 4 6 7 之 Switchable Optical Filter 專利中，提出 的專利架構即是利用馬赫任德式干涉分波的特 性，並在其每一光路上加以相位調變的技術，使 | 得其設計的干涉器能夠輪流而有順序的做相位調 變，因此對於等化增益、分波多工塞取器 (Add/drop multiplexer filter)，光干涉器等， 都有較大用處，由此可知濾出光波並可多工實具 有市場效應。 瑞士人 Torsten Angustsson » 於 2 0 0 0 年 4 月所發表美國專利編號 US6047096 之 Optical D e v i c e 專利中，提出一種以多模干涉為主的布 拉格光栅波導結構，其主要是利用在多模干涉區 内加入布拉格光柵，以達成 濾波的效果，而可在其他輸出端接收到所濾之波 # 長，然而其結構仍需製作光柵，較為複雜。

Lauay Eldada， Randolph; Robert A. Norwood 等人在美國於2000年10月所發表專利 編號 US6438293B1 之 Tunable Optical Add/Drop Multiplexer 專利中得知，在光訊號 元件中的core 部分包含grating及材料歲分， 並藉由改變材料的折射率使得 g r a t i n g 反射出 可預選的波長，所以由此可知光訊號元件可以用 13 200426419 來選擇不同波長來加以分開。經由此專利提出， 證明光塞取多工器之未來潛力。而本發明與此項 專利不同之處在於本發明係利用電壓雜質的濃度 變化，利用雜質的變化來改變折射率，藉此從波 導中取出特定信號，以達到可控制特定波長信號 的路由路徑。以上四個專利均為利用波導元件來 作分波多工之耦合器、濾波器及光塞取多工器， 可見光塞取多工器為光通信系統中之重要元件， 有必要開發其他不同且較簡單方便的光塞取多工 器。 爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失， 乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨的精神， 終發明出本案「絕緣層上矽晶積體化之可調式光 塞取多工器及其製造方法」，用以改善上述習用手 段之缺失。 【發明内容】 本案之主要目的係為提出一有效的路由自動 切換方式，設計出一具波長選擇性的元件，並研 究智慧型光纖分波多工網路之保護網路，以提高 智慧型光纖分波多工網路的可靠度。此波長選擇 性的元件是一積體化之可調式光塞取多工器，利 用結合布拉格光栅及多模干涉區所組成之光塞取 多工器元件，在布拉格光柵兩側摻雜硼和磷離 子，再利用電壓調變布拉格光柵中雜質的濃度變 化，利用雜質的變化來改變折射率，藉此從波導 中取出特定信號，以達到可控制特定波長信號的 路由路徑。 14 200426419 本案之另一目的係為提供一可調式光塞取多 工器，該可調式光塞取多工器可提升輸出入埠之 數目至N個，利用模組化排列組合方式可串接獲 得Nx N璋之光波長交換開關，而該光波長交換開 關可具有多段電極，藉由加上不同電壓，即可同 時擷取不同的波長信號。 本案之另一目的係為提供一種絕緣層上矽晶 積體化之可調式光塞取多工器，其包含 一多 模干涉區；至少一光柵，形成於該多模干涉區之上 至少二電極，形成於該多模干涉區之兩側；至少一 輸入埠，形成於該多模干涉區之一側，用以接收 複數個波長信號；至少一取出琿，形成於該多模干 涉區之一側，用以擷取該等波長信號之一部分； 至少一上傳璋，形成於該多模干涉區之另一側， 用以上傳至少一任意波長信號；以及至少一輸出 埠，形成於該多模干涉區之另一側，用以輸出該 等波長信號未被擷取之部分及該任意波長信號； 藉由該等電極注入載子來控制光波導於該光柵中 之變化，進而達成控制不同波長信號之行進方向。 根據上述構想，該光栅係為布拉格光栅。、 根據上述構想，可利用該光栅之折射率變 化，使得光波遇到不同折射率之光柵，會產生調 整不同波長之反應效果。 根據上述構想，在該光柵之週期結構的改變 方法上，可利用相等光栅週期的結構排列方式使 得該光柵在結構上產生變化，進而達成控制波長 響應的效果。 根據上述構想，在該光柵之週期結構的改變 15 200426419 k 方法上，可利用不等光柵週期結構的排列方式使 得該光栅在結構上產生變化，進而達成控制波長 之效果。 根據上述構想’在該光棚'之週期結構的改變 方法上，可利用光栅高度變化使得該光柵在波長 響應上產生變化，進而達成不同波長信號之上傳 或擷取。 根據上述構想，可利用該多模干涉區之橫截 面積改變，使得載子受不同電壓控制之後，在不 同的多模干涉尺寸下，產生對應擷取波長之變化。 根據上述構想，可調變該多模干涉區之長度 與寬度，以調整干涉之波長響應，藉此調整初始 中心波長位置。 根據上述構想，可利用該電極結構及尺寸的 改變，使得載子電流注入效率不同之電極結構， 進而控制其波長塞取的速度。 根據上述構想，可利用鍍上電極·材料的不同 而得到不同的載子注入效率，並藉以產生折射率 的變化來控制對應擷取波長之功率變化，以達成 設計不同的中心波長響應。 、 根據上述構想，可利用瞬時輸入電壓的不同 而得到瞬時不同的折射率變化，並藉由瞬時折射 率的變化來控制對應擷取波長之功率變化，以達 成瞬時波長之交換。 根據上述構想，可利用操作不同的瞬時電壓 來控制該可調式光塞取多工器之波長信號的擷 取。 根據上述構想，係可將該等電極分段，並加 16 200426419 上不同電壓，以同時擷取不同的波長信號。 根據上述構想，可提升輸出入埠之數目至N 個，利用模組化排列組合方式可串接獲得Nx N埠 之光波長交換開關，而該光波長交換開關可具有 多段電極，藉由加上不同電壓，即可同時擷取不 同的波長信號。 根據上述構想，可結合複數個2 X 2絕緣層上 矽晶積體化之可調式光塞取多工器來製作N X N B e n e s光、開關。 根據上述構想，可結合多層式次矩陣排列2 X 2絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取多工器 來製作N X N M D B開關。 本案之又一目的係為提供一種絕緣層上矽晶 積體化之可調式光塞取多工器，其包含 一多 模干涉區；至少一光柵，形成於.該多模干涉區之上 以及至少二電極，形成於該多模干涉區之兩側； 藉由該等電極注入載子來控制光波導·於該光柵中 之變化，進而達成控制不同波長信號之行進方向。 根據上述構想，該可調式光塞取多工器更包 含至少一輸入埠，形成於該多模干涉區之一側、， 用以接收複數個波長信號。 根據上述構想，該可調式光塞取多工器更包 含至少一取出埠，形成於該多模干涉區之一側， 用以擷取該等波長信號之一部分。 根據上述構想，該可調式光塞取多工器，其 更包含至少一上傳埠，形成於該多模干涉區之另 一側，用以上傳至少一任意波長信號。 根據上述構想，該可調式光塞取多工器，其 17 200426419 更包含至少一輸出埠，形成於該多模干涉區 一側，用以輸出該等波長信號未被擷取之部 該任意波長信號。 根據上述構想，該光栅係為布拉格光柵 根據上述構想，·可利用該光栅之折射率 化，使得光波遇到不同折射率之光栅，會產 整不同波長之反應效果。 根據上述構想，在該光柵之週期結構的 方法上，、可利用相等光栅週期的結構排列方 得該光柵在結構上產生變化，進而達成控制 響應的效果。 根據上述構想，在該光柵之週期結構的 方法上，可利用不等光柵週期結構的排列方 得該光柵在結構上產生變化，進而達成控制 之效果。 根據上述構想，在該光柵之週期結構的 方法上，可利用光柵高度變化使得該·光栅在 響應上產生變化，進而達成不同波長信號之 或擷取。 根據上述構想，可利用該多模干涉區之 面積改變，使得載子受不同電壓控制之後， 同的多模干涉尺寸下，產生對應擷取波長之今 根據上述構想，可調變該多模干涉區之 與寬度，以調整干涉之波長響應，藉此調整 中心波長位置。 根據上述構想，可利用該電極結構及尺 改變’使得載子電流注入效率不同之電極結 進而控制其波長塞取的速度。 之另 分及 變 生調 改變 式使 波長 改變 式使 波長 改變 波長 上傳 橫截 在不 色化。 長度 初始. 寸的 構， 18 200426419 而 的 5又 而 率 成 來 取 上 個 之 多 同 矽 Be X 來 積 驟 同率成 同射達 壓 不射達 不折以 電擷 的折以 的時， 時的 料生， 壓瞬化 瞬號 材產化 電由變 的信 極以變 入藉率同長 電藉率 輸並功 不波 上並功 時，之 作之 鍍，之 瞬化長 操器 用率長。用變波 用工 利效波應利率取 利多 可入取響可射擷 可取 ，注掘長，折應。，塞 想子應波想的對換想光 構載對心構同制交構式 述的制中述不控之述調 上同控的上時來長上可 據不來同據瞬化波據該 根到化不根到變時根制 得變計 得的瞬 控 根據上述構想，係可將該等電極分段，並加 不同電壓，，以同時擷取不同的波長信號。 根據上述構想，可提升輸出入埠之數目至N ，利用模組化排列組合方式可串接獲得Nx N埠 光波長交換開關’而該光波長交換開關可具有 段電極，藉由加上不同電壓，即可·同時擷取不 的波長信號。 根據上述構想，可結合複數個2 X 2絕緣層上 晶積體化之可調式光塞取多工器來製作N X N、 nes光開關。 根據上述構想，可結合多層式次矩陣排列2 2絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取多工器 製作ΝχΝ MDB開關。 本案之再一目的係為提供一種絕緣層上矽晶 體化之可調式光塞取多工器之製造方法，其步 包含（a)提供一基板；（b)於該基板上依序形成 絕緣層及一傳導層；（c )對該傳導層進行#刻以 19 200426419 導及 波區 入型 出N 輸一 個成 數形 複別 及分 區側 涉兩 干之 模區 多涉 一干 出模 義多 定該 於型 期形 週上 一區 出型 義P 定該 以及 刻區 蝕型 行N 違亥 、i 口 區於 涉f) 干： 模 多 該構 對結 e)栅 ;(光 區性 及 以 。導 間 刻 注 注 同 塞成 術 層 傳 之 姓 法 法 不變光達 技 。匕碎 層 子 植 植 入作式以 刻 板」晶 導 離 佈 佈 注率調， 钱 基 多 傳 性 子 子 法射可化 束 矽'一一 該 應 離 離 值折該變 子 一 為 與 反 以 以 佈之制的 電 為 纟 為、係 層 以 係。係。子設控長 以 係彳層 緣 係 區成區成離預來波 係 層 /--N \ly 板卩導 絕 C 型完型完由子化心。e 緣 基，傳 該 _ N而P而藉載變中 r> 該纟該 於 > 該層該層可得的之設b 該歩 •歩 ，，， ， ， ，導，導，使率取之， 想想想 想。想 想傳想傳想，射擷長想 構構構 構層構 構該構該構佈折應波構 述述述 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且該可調式光塞取多工器具有四個腳位，一個輸 入琿，一個輸出埠，一個取出埠、及一上傳埠。 基本的操作原理為兩不同波長信號λ !、λ 2由該 輸入埠輸入，透過電壓控制訊號，可任意由該取 出埠中擷取兩波長λ 1、λ 2之一，並·可再該上傳 埠中上傳另一訊號，最後兩信號λ i、λ 2可由該 輸出谭輸出。如要處理更多信號，可經由串聯不 同週期之可調式光塞取多工器來達成。 、 由第一圖中可知，該布拉格光柵1的總長度 (Ng)和該等電極 3 的長度（Lt)同為 7800/zm， n-type電極（Wn)與 p-type電極（WP)的寬度同為 600//m，該多模干涉區 2(Wt)和四腳位（Win)的寬 度各為 12# m、4// m。操作電壓控制為（VP = 0V， Vn=0V)^ (Vp=0. 6V, Vn= - 0.6V)兩種模式，當操作 電壓控制為（Vp=〇 V，Vn = 0V)，可擷取λ i信號，而 當操作電壓控制為（VP = 0· 6V， Vn= -0· 6V)，則可 200426419 擷取λ 2 信號。 請參閱第二圖，其係本案一較佳實施例之可 調式光塞取多工器之輸入琿與取出埠之剖面圖。 由第二圖中可明顯看出，該可調式光塞取多工器 係 由一絕 緣層上 矽 晶 (Silicon-On- Insulator，SOI)結構所組成，最下 層為一矽基板7，其次為一二氧化矽層 6及最上 層之一多晶矽傳導層 4，在該多晶矽傳導層 4下 有摻雜=雜質層 5，其依序的高度為 Hbase.、Ht、 Hp 和 Hi 為 2//m、0.4/zm、0.2//m 和 在 最上層隆起的部分的高度為0.8//m。 請參閱第三圖，其係本案一較佳實施例之可 調式光塞取多工器之剖面圖及載子分佈圖。在該 可調式光塞取多工器中，摻雜硼和磷以形成 p-type區 9和 n-type區 8，濃度高達 1018和 2xl017l/cm3，深度（hd)同為0.5// m。在該布拉格 光柵1兩側摻雜硼和磷離子，上面再鍍上一鋁金 屬薄膜，再利用電壓驅動硼和磷離子向該布拉格 光柵1中移動，如此該布拉格光柵1中就產生了 雜質的濃度變化，而本案係利用雜質的變化來孜 變折射率，藉此從波導中取出特定信號，以達到 可控制特定波長信號的路由路徑。 請參閱第四圖，其係本案一較佳實施例之可 調式光塞取多工器之時間對折射率變化示意圖。 利用程式可模擬在一定時間内的折射率變化，由 圖可知，當時間在 20xl(T9/sec時，載子已注入 完成，亦即該可調式光塞取多主器之切換速度可 控制在2 0 X 1 (Γ9 / s e c。請參閱第五圖，其係本案一 23 200426419 較佳實施例之可調式光塞取多工器之電壓對折射 率變化示意圖。由圖可知，當電壓越大時，相對 的折射率也變化的越大，在本案所使用之可調式 光塞取多工器中，電壓係控制在正負0 . 6 V，然而 此電壓係可因應實際情形而加以調整。 請參閱第六圖，其係本案一較佳實施例之可 調式光塞取多工器之加電壓與未加電壓時，取出 埠濾出不同波長之示意圖。加電壓與未加電壓 時，由於在該布拉格光栅1及該多模干涉區2之 折射率產生變化，所以可在該取出埠擷取出不同 的波長。 請參閱第七圖，其係本案一較佳實施例之可 調式光塞取多工器之構造示意圖。由圖可知，若 有四個訊號波進入該可調式光塞取多工器（即該 輸入琿），透過本案所設計之光栅1，可將任意一 個訊號從該取出埠擷取下來，並利用在電極3兩 端加上電壓，使得另一訊號可以輕易.取出。相同 的，可在該上傳埠加入一個訊號進入該可調式光 塞取多工器，並利用電壓的變化，亦可加入不同 的訊號。最後，若四個訊號進入該輸入埠時，該 取出埠取出一個訊號，而另外三個沒被取出的訊 號會直直的通過該可調式光塞取多工器，接著再 加上從該上傳埠取進來的訊號，一起從該輸出埠 輸出。此時，所要強調的是，若改變不同的電壓， 則可將不同的訊號任意的取出或加入。 為驗證本案之可調式光塞取多工_之可行 性，特以BreamPROP模擬分析法來證實本案之積 體化的可調式光塞取多工器。模擬在一定時間内 24 200426419 的折射率變化，第四圖即為折射率對時間變化之 分析結果，由第四圖可知，當時間在2 0 n s時，載 子已注入完成，亦即該可調式光塞取多工器之切 換速度可控制在2 0 n s。第五圖為電壓對折射率變 化示意圖，由第五圖可知，當電壓越大時，相對 的折射率也變化的越大。在本案之可調式光塞取 多工器中，操縱的電壓係控制於± 〇 . 6 V，然而此 電壓係可因應實際情形而加以調整。 而第六圖則證明了加電壓與未加電壓於該可 調式光塞取多工器時，由於在該布拉格光柵1及 該多模干涉區2的折射率產生變化，所以可在該 取出埠擷取出不同的波長。利用控制電壓施加於 第七圖之可調式光塞取多工器上，我們可以得 知，當四個波長信號同時進入本案之可調式光塞 取多工器之輸入埠時，若不加電壓，則此時訊號 2會在取出埠被擷取出來，其餘三個波長信號會 直直的通過，並且與從該上傳埠上傳·的波長信號 一起同時從該輸出埠輸出。而當改變電極3上所 加的電壓時，亦可將不同的波長信號擷取出來， 本案之可調式光塞取多工器經檢驗具有可調波長 塞取的功能。 由前述可知，本案可利用操作不同的瞬時電 壓來控制該可調式光塞取多工器之波長信號的擷 取，當操作電壓控制為V!值時，可擷取λ i波長 信號；而當操作電壓控制為V 2時，則可擷取；I 2波 長信號。以此類推，可延伸至操作電壓為Vn時， 可擷取λ N 波長信號下來，亦可將電極分段，並 加上不同電壓，即可同時擷取不同的波長信號， 25 200426419 如第八圖所示。 請參閱第九圖（a ) ( b ) ( c ) ( d )，其係以本案較 佳實施例方法所完成之光塞取多工器之步驟示意 圖，其步驟如下： 步驟一：在S 0 I晶片最上面沉積該多晶石夕傳 導層4，使元件絕緣層上矽晶上層石夕晶層加厚為 光波導層。 步驟二：上光阻，並讓光阻旋轉至均勻分布， 曝光顯影出該多模干涉區2及輸出入波導形狀。 步驟三：以反應性離子#刻（R e a c t i v e I ο η E t c h，R I E )技術，蝕刻製作絕緣層上矽晶之多模干 涉區2及輸入輸出淳波導。 步驟四：在絕緣層上矽晶多模干涉區2之左 側鋪上一層光阻1 2，再以離子佈值法注入五價離 子的載子進入元件，而於右側形成n-type區域 1 3，如第九圖（a )所示。 步驟五：利用光罩1 4對準的技術.來進行顯影 的動作並且定義p-well圖案，再以離子佈值法注 入三價離子於絕緣層上矽晶片最上層矽晶，以製 作p-type區域10，如第九圖（b)所示。 、 步驟六：利用電子束蝕刻技術製作一個週期 性的光栅結構1於該多模干涉區2，如第九圖（c ) 所示。 步驟七：在該多模干涉區2的兩側鍍上一層 薄膜金屬，以形成電極3，如第九圖（d)所示。 .依上述步驟，即可製造出本案之可調式光塞 取多工器，而其剖面圖及載子分佈圖如第三圖所 示〇 26 200426419 根據本案之構想，該可調式光塞取多工器可 提升輸出入埠之數目至N個，利用模組化排列組 合方式可串接獲得N X N珲之光波長交換開關，而 該光波長交換開關可具有多段電極，藉由加上不 同電壓（V i、V 2、V 3.....V N )，即可同時擷取不同 的波長信號（λ i、λ 2、λ 3..... λ Ν )，如第十圖所 示。而該可調式光塞取多工器亦可結合複數個 2 X 2絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取多工器 來製作NXN Benes光開關，如第十一圖所示。且 該可調式光塞取多工器更可結合多層式次矩陣排 列2 X 2絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取多工 器來製作 NxN MDB(Modified D i 1 a t e d B e n e s)開 關，如第十二圖所示。 綜上所述，本案之可調式光塞取多工器著重 於提出一有效的路由自動切換方式，設計出一具 波長選擇性的元件，並研究智慧型光纖分波多工 網路之保護網路，以提高智慧型光纖·分波多工網 路的可靠度。此波長選擇性的元件是一積體化之 可調式光塞取多工器，利用結合布拉格光柵及多 模干涉區所組成之光塞取多工器元件，在布拉格 光栅兩側摻雜硼和磷離子，再利用電壓調變布拉 格光柵中雜質的濃度變化，利用雜質的變化來改 變折射率，藉此從波導中取出特定信號，以達到 可控制特定波長信號的路由路徑。本案之可調式 光塞取多工器可應用於高密度分波多工之保護網 路糸統中’以充分利用有限的波長貧源。由於本 案可減省矽晶圓體積，以節省材料成本，又可與 現行的半導體製程相容，並具有寬頻效果，有效 27 200426419 改善習知技術之缺失，是故具有產業價值，進而 達成發展本案之目的。 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸 般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之上視圖。 第二圖：、其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之輸入琿與取出璋之剖面圖。 第三圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之剖面圖及載子分佈圖。 第四圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之時間對折射率變化示意圖。 第五圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之電壓對折射率變化示意圖。 第六圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之加電壓與未加電壓時，取出琿濾出不同 波長之示意圖。 第七圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之構造示意圖。 第八圖：其係本案一較佳實施例之可調式光塞取 多工器之電極分段加壓示意圖。 第九圖（a ) ( b ) ( c ) ( d ):其係以本案較佳實施例方. 法所完成之光塞取多工器之步驟示意圖。 第十圖：其係應用本案技術而完成之ΝχΝ琿可調式 光塞取多工裔之構造不意圖。 第十一圖：其係應用本案技術而完成之NxNBanes光 28 200426419 開關之構造示意圖。 第十二圖：其係應用本案技術而完成之NxN MDB開 關之構造不意圖。 元件符號說明 1 :布拉格光栅 2 :多模干涉區 3 :電極 Wt :多模干涉區之寬度

:輸入埠、取出埠、輸出埠、及上傳埠之寬度 Ng :布拉、格光柵總長度Lt :電極之長度 vp:控制P型電極之電壓 vn:控制N型電極之電壓 訊號1 λ2:訊號2 入3:訊號3 λ4:訊號4 4 :多晶矽傳導層 5 :雜質層 6 :二氧化矽絕緣層 7 :矽基板 hr:隆起部的高度 H1:多晶矽傳導層的高度

Hp:雜質層的高度 Ht:二氧化矽絕緣層的高度

Hbase:碎基板的南度 8 :摻雜磷離子的雜質層（N型）

9 :摻雜硼離子的雜質層（P型） 、 hT:多晶矽層的總高度（包含隆起部） hd:離子摻雜的深度 1 0 :摻雜三價離子的雜質層（P型） 1 2 :光阻 1 3 :摻雜五價離子的雜質層（N型） 14:光罩 29

Claims (1)

1. 200426419 拾、申請專利範圍： 1 . 一種絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取 器，其包含： 一多模干涉區； 至少一光柵，形成於該多模干涉區之上 至少二電極，形成於該多模干涉區之兩 至少一輸入埠，形成於該多模干涉區之 側，用以接收複數個波長信號； 至少一取出埠，形成於該多模干涉區之 側，用以擷取該等波長信號之一部分； 至少一上傳埠，形成於該多模干涉區之 側，用以上傳至少一任意.波長信號；以及 至少一輸出埠，形成於該多模干涉區之 側，用以輸出該等波長信號未被擷取之部分 任意波長信號； 藉由該等電極注入載子來控制光波導於 柵中之變化，進而達成控制不同波長信號之 方向。 2 .如申請專利範圍第1項所述之可調·式光塞 工器，其中該光栅係為布拉格光柵。 3 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，可利用該光柵之折射率變化，使得光 到不同折射率之光柵，會產生調整不同波長 應效果。 4.如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，在該光栅之週期結構的改變方法上， 用相等光柵週期的結構排列方式使得該光栅 構上產生變化，進而達成控制波長響應的政 5 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，在該光柵之週期結構的改變方法上， 用不等光拇週期結構的排列方式使得該光桃 構上產生變化，進而達成控制波長之效果。 多工 侧； 另一 另一 及該 該光 行進 取多 取多 波遇 之反 取多 可利 在結 果。 取多 可利 在結 30 200426419 6 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，在該光柵之週期結構的改變方法上， 用光柵高度變化使得該光柵在波長響應上產 化，進而達成不同波長信號之上傳或擷取。 7.如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，可利用該多模干涉區之橫截面積改變 得載子受不同電壓控制之後，在不同的多模 尺寸下，產生對應擷取波長之變化。 8 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，可調變該多模干涉區之長度與寬度， 整干涉之波長響應，藉此調整初始中心波長d 9 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞 工器，可利用該電極結構及尺寸的改變，使 子電流注入效率不同之電極結構，進而控制 長塞取的速度。 1 0 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光J 多工器，可利用鍍上電極材料的不同·而得到 的載子注入效率，並藉以產生折射率的變化 制對應擷取波長之功率變化，以達成設計不 中心波長響應。 1 1 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光i 多工器，可利用瞬時輸入電壓的不同而得到 不同的折射率變化，並藉由瞬時折射率的變 控制對應擷取波長之功率變化，以達成瞬時 之交換。 1 2 ..如申請專利範圍第1項所述之可調式光Ί 多工器，可利用操作不同的瞬時電壓來控制 調式光塞取多工器之波長信號的擷取。 取多 可利 生變 取多 ，使 干涉 取多 以調 t置。 取多 得載 其波 I取 不同 來控 同的 I取 瞬時 化、來 波長 I取 該可

   31 200426419 1 3 .如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞取 多工器，係可將該等電極分段，並加上不同電壓， . 以同時擷取不同的波長信號。 1 4.如申請專利範圍第1項所述之可調式光塞取 多工器，可提升輸出入埠之數目至N個，利用模 組化排列組合方式可串接獲得N X N埠之光波長交 換開關，而該光波長交換開關可具有多段電極， 藉由加上不同電壓，即可同時擷取不同的波長信 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之可調式光塞取 _ 多工器，可結合複數個2 X 2絕緣層上矽晶積體化 之可調式光塞取多工器來製作N X N B e n e s光開關。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項所述之可調式光塞取 多工器，可結合多層式次矩陣排列2x 2絕緣層上 矽晶積體化之可調式光塞取多工器來製作N X N MDB開關。 ^ 1 7 . —種絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取多 工器，其包含： 一多模干涉區； 至少一光柵，形成於該多模干涉區之上；以及 · 至少二電極，形成於該多模干涉區之兩側； 藉由該等電極注入載子來控制光波導於該光 柵中之變化，進而達成控制不同波長信號之行.進 方向。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，其更包含至少一輸入埠，形成於該多模 干涉區之一側，用以接收複數個波長信號。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 32 945 200426419 多工器，其更包含至少一取出埠，形成於該多模 干涉區之一侧，用以擷取該等波長信號之一部分。 ， 2 0 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，其更包含至少一上傳埠，形成於該多模 干涉區之另一側，用以上傳至少一任意波長信號。 2 1 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，其更包含至少一輸出埠，形成於該多模 干涉區之另一側，用以輸出該等波長信號未被擷 取之部分及該任意波長信號。 2 2.如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 響 多工器，其中該光柵係為布拉格光柵。 2 3 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，可利用該光柵之折射率變化，使得光波 遇到不同折射率之光柵，會產生調整不同波長之 反應效果。 2 4 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，在該光柵之週期結構的改變.方法上，可 利用相等光拇週期的結構排列方式使得該光拇在 結構上產生變化，進而達成控制波長響應的效果。 2 5 ·如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 馨 多工器，在該光柵之週期結構的改變方法上，可 利用不等光柵週期結構的排列方式使得該光柵在 結構上產生變化，進而達成控制波長之效果。 2 6 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，在該光柵之週期結構的改變方法上，可 利用光柵高度變化使得該光柵在波長響應上產生 變化，進而達成不同波長信號之上傳或擷取。 2 7.如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 33 946 200426419 多工器，可利用該多模干涉區之橫截面積改變， 使得載子受不同電壓控制之後，在不同的多模干 ， 涉尺寸下，產生對應擷取波長之變化。 2 8 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，可調變該多模干涉區之長度與寬度，以 調整干涉之波長響應，藉此調整初始中心波長位 置。 2 9 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，.可利用該電極結構及尺寸的改變，使得 載子電流注入效率不同之電極結構，進而控制其 ® 波長塞取的速度。 3 0 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，可利用鍍上電極材料的不同而得到不同 的載子注入效率，並藉以產生折射率的變化來控 制對應擷取波長之功率變化，以達成設計不同的 中心波長響應。 3 1 .如申請專利範圍第1 7項所述之可，調式光塞取 多工器，可利用瞬時輸入電壓的不同而得到瞬時 不同的折射率變化，並藉由瞬時折射率的變化來 控制對應擷取波長之功率變化，以達成瞬時波長 鲁 之交換。 3 2 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，可利用操作不同的瞬時電壓來控制該可 調式光塞取多工器之波長信號的擷取。 3 3 .如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 多工器，係可將該等電極分段，並加上不同電壓， 以同時擷取不同的波長信號。 3 4.如申請專利範圍第1 7項所述之可調式光塞取 Q47 34 200426419 多工器，可提升輸出入埠之數目至N個，利用模 組化排列組合方式可串接獲得N X N埠之光波長交 換開關，而該光波長交換開關可具有多段電極， 藉由加上不同電壓，即可同時擷取不同的波長信 號。 3 5 .如申請專利範圍第3 4項所述之可調式光塞取 多工器，可結合複數個2 X 2絕緣層上矽晶積體化 之可調式光塞取多工器來製作NxNBenes光開關。 3 6 .如申請專利範圍第3 5項所述之可調式光塞取 多工器，可結合多層式次矩陣排列2x 2絕緣層上 矽晶積體化之可調式光塞取多工器來製作N X N MDB開關。 3 7 . —種絕緣層上矽晶積體化之可調式光塞取多 工器之製造方法，其步驟包含： (a )提供一基板； (b )於該基板上依序形成一絕緣層及一 傳導層； * (c )對該傳導層進行蝕刻以定義出一多模干 涉區及複數個輸出入波導； (d)於該多模干涉區之兩側分別形成一 N型、 區及一 P型區； (e )對該多模干涉區進行蝕刻以定義出一週 期性光柵結構；以及 (f)於該N型區及該P型區上形成二電極。 3 8 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中該基板係為一石夕基板。 3 9 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中該絕緣層係為一二氧化碎層。 35 200426419 4 0 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中該傳導層係為一多晶矽傳導層。 4 1 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中於該絕緣層與該傳導層之間更摻雜一雜質層。 4 2 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中步驟（c )係以反應性離子餘刻技術來進行。 4 3 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中該N型區係以離子佈植法注入五價離子於該傳 導層而完.成。 4 4 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中該P型區係以離子佈植法注入三價離子於該傳 導層而完成。 4 5 .如申請專利範圍第3 7項、第4 3項、及第4 4 項所述之製造方法，可藉由離子佈值法注入不同 載子濃度之分佈，使得載子預設之折射率作變 化，並藉由此折射率的變化來控制該可調式光塞 取多工器之對應擷取之中心波長的變，化，以達成 控制不同中心波長之設計。 4 6 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中步驟（e )係以電子束钱刻技術來進行。 、 4 7 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，其 中步驟（f )係於該N型區及該P型區上鍍上一層薄 膜金屬，以形成該等電極。 4 8 .如申請專利範圍第3 7項所述之製造方法，可 利用其他半導體材料與該傳導層之結合，使得載 子受到電流控制而得到不同的折射率變化，並藉 由折射率的變化來控制該可調式光塞取多工器之 對應擷取波長之功率變化，以達成波長之交換。 36 200426419 多 取 塞 光 式 調 可 之 化 體 積 晶 矽 上 層 緣 絕 二&一一 種 法 方 造 製 之 器 工 含 包 驟 步 其 成 形 序 •，依 板上 基板 矽基 一矽 供該 提於 化 氧 出 義 定 以 刻 钱Γ; Γ導 行波 層 Γ出 導 傳輸 ^個 導 數 晶 傳 複 多 f玄及 =口 晶卜區對， 多}涉 一(C干 及 模 層 多 該β該 於R^冑 )P ) d Θ CV 1 /(V 及 區 成 形 別 分 側 兩 之 區 涉 干 模 多 型 區 構 結 柵 光 性 期 出 義 定 以 刻 蝕 行 進 區 涉 干及 模以 多； 金 膜 薄 層 一 上 鍍 上 區 型 P 該 及 區 型 N 該 於 極 電二 成 形 以 屬 其。其， 0^^ ， 法質法 方雜方 造一造 製雜製 之摻之 述更.述 所間所 項之項 9 層 9 4 4 導 第 第 傳 圍 圍rr _與J 層 專 專 絕 中 中 D該D •"於 50中51 行 進 來 術 技 刻 0 子 9 離4 性第 應圍 反範 以利 係專 C)請 .中 驟α ，如 步· 中2 4, 5 法 方 造 製 之 述 所 項 其 傳、 該 於 子 β 價 五 入 注 法 植 佈 子 0 以 係。 區成 型完 Ν而 該層 中導 第 圍 範 利 專 請 申 如亥 .口 3中 5 4, Ρ 以 係 區 型 其傳 ，該 法於 方子 造離 製價 之三 述入 所注 項法 9 植 4佈 子 Μ. 3-同 5 不 入 注 法 值 5佈 第子 β. 項由 49藉 可 第 圍，法 々巳 I - J方 。F造 專 成，製 完 之 中 而3述 如 層.所 導54項 第 及 項 塞成 變光達 作式以 率調， 射可化 折該變 之制的 設控長 預來波 子化心 載變中 得的之 使率取 ，射擷 佈折應 分此對 之由之 度藉器 濃並工 子，多 載化取 37 200426419 控制不同中心波長之設計。 5 5 .如申請專利範圍第4 9項所述之製造方法，其 中步驟（e )係以電子束蝕刻技術來進行。 5 6 .如申請專利範圍第4 9項所述之製造方法，其 中步驟（f )係於該N型區及該P型區上鍍上一層薄 膜金屬，以形成該等電極。 5 7 .如申請專利範圍第4 9項所述之製造方法，可 利用其他半導體材料與該傳導層之結合，使得載 子受到電流控制而得到不同的折射率變化，並藉 由折射率的變化來控制該可調式光塞取多工器之 對應擷取波長之功率變化，以達成波長之交換。 38