TW580597B - Waveguide-bonded optoelectronic devices - Google Patents

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Description

580597 玖、發明說明 (發明说明應欽明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬之技術領域】 相關申請案之交互參考 本案對於由Daniel Yap與Key van Sayy ah於2 001年11月 5 15曰所提出申請之美國專利臨時案號60/332,3 70
Waveguide-Bonded Optoelectronic Devices” 作權利主張 ’其所揭示之内容在此併入作為參考。 本案與以下之申請案有關：於2001年11月15曰提出申 請編號為60/322,367之美國專利臨時申請案“Agile rF-10 Lightwave Waveform Synthesis and an Optical Multi-Tone
Amplitude Modulator” ；以及於2002年4月5曰提出申編號 為10/116,801之其相對應美國專利非臨時申請案。此兩案 所揭示之内容在此併入作為參考，此等相關申請案為本案 之受讓人所擁有。 15 發明領域 本發明是有關於一種新的波導光電裝置，其提供低的 波導損耗與有效耦合連接至光纖，而亦能傳導電流且具有 可快速改變之電性控制參數。此等裝置是由低損耗介電波 導構成而可以光學方式耦合至電子主動式半導體元件，其 2〇可提供例如以下功能：被導引光線之進/出耦合與濾波， 光線之及收或產生，以及光線之振幅及/或相位之調變。 此等裝置與包含此等裝置之光子電路，通常形成於包括介 電波導網路之基板上，而以半導體元件為薄的島嶼或附件 接合至包含波導之基板上。可以將不同形式多個主動元件 5 玫、發明說明 耦合連接至相同的波導網路。 【先前技術3 發明背景 電子主動式波導光«置，例如··雷射、光_器以 5及電吸收調變器是由半導體材料製成，且在電性與光學領 域範圍之間作信號轉換。此等裳置典型具有高的光學傳輸 損失且對光、_合不良。典型地使用透鏡以減少光纖輕合 連接損失。然❿，此對透鏡的需要使得組合/封裝的程序 複雜且大幅增加元件成本。此等電子被動波導較佳是以例 10如矽石或鋰鈮酸鹽之介電材料製成，這是因為它們具有一 個數量級較低之傳輸損失且由於它們能與光纖有效率地耦 a連接然而，因為此等材料為絕緣體通常不可能以它們 製成電子主動式光電裝置。只有具有固定響應之光纖以及 根據溫度變化或電光效應（其取決於所施加的電壓而非電 15流）之調變器/開關證實可於介質波導中實施。本發明可 以導致例如上述之電子主動式波導裝置之實現，它具介電 波導其為低損耗且具有對光纖有效之輕合連接。 許多先進的光電裝置與積體光子電路（例如模式鎖定 雷射或光電收發器）是由以被動波導網路所連接之各種電 20子主動裝置組成。通常，在此等先進裝置中之波導是由半 導體材料製成，且因此在實質上傾向具有較介電波導更高 的損耗與對光纖較差之耦合連接。在習知技術中（其中主 動裝置是由介電波導連接），必須將此半導體或波導材料 之各別基板晶片以光學方式對齊且彼此適當地接合或經由 6 580597 玖、發明說明 光學透鏡耦合以便能運作。與此組合方法有關之封裝作業 是昂貴的。本發明在單片基板上達成半導體主動裝置與介 電波導網路之整合。亦可在給定的基板上製成多個裝置， 其各可包括多個主動元件。 5 此將半導體波導與光偵測器單體整合之習知技術電子 主動元件之例是於1993年之IEEE Photonics Technology Letters第5卷第5 14-517頁中說明。此裝置之光偵測器是位 於半導體波導之一部份上。將此公於光偵測器與波導層之 間之介面區域控制，因為此介面區是製成為單磊晶成長之 10 一部份，而用於光偵測器與波導材料。此種方法因為使用 半導體波導而具有以上先前討論之缺點。 將此等由各別完整晶片所構成之介電波導以雷射或光 偵測器對接耦合之習知技術方法之例，是在2000年出版之 IEEE J·之 “Selected Topics in Quantum Electronics” 第 6卷第 4至 13 15 頁中說明。以此方法製成多種元件。此方法之困難在以上討論過。 此可以被使用以製造電子主動式波導裝置之習知技術 方法涉及將兩件半導體材料直接接合。一件包括經製成之 半導體波導，以及另一件可以包括主動元件。此方法是在 1999年出版之 “IEEE Photonics Technology Letters” 第 11 20 卷第1003-1005頁中說明。在此例中’將兩個半導體波導 接合至半導體微碟共振器。此兩個半導體件是在高溫（對 於GaAs材料是750°C，且對以InP為主之材料是400。〇直 接接合在一起。因為此方法使用半導體波導’其亦具有以 上先前討論之缺點。 7 玖、發明說明 在 1999年出版之 “iEEEPh〇t〇nicsTechnol〇gyLetters，，第 11卷第1244-1246頁中說明：一種可以使用將薄的電子主 動裝置元件接合至介電基板上之習知技術方法。根據此方 法，將經部份處理之主動裝置元件藉由使用有機聚合物層 5接合至載體或移轉基板上。雖然在此習知技術例中使用 GaAs作為移轉基板之材料，亦可使用例如以石英為材料之 其他基板。在此例中，此主動裝置元件是根據半導體波導 之導引波調變器。此主動裝置元件是在移轉基板上將上側 朝下倒轉。此上側金屬電極在它被接合至移轉基板上之前 1〇製成於主動裝置件上，並且因此位於主動裝置表層與移轉 基板之間。此用於主動裝置元件之半導體成長基板然後被 蝕刻去除且製成後側金屬電極。不同於此習知技術方法， 本發明在將主動裝置件接合至介電波導材料上後形成頂側 與後側金屬電極。這是因為本發明之在主動裝置件與介電 15波導基板之間之介面，是被使用於在主動裝置元件與介電 波導之間耦合光線，並且因此應該小心控制。此習知技術 方法並不涉及在主動裝置元件與移轉基板（此主動表層暫 時附著之基板）之間光線之耦合。 以本發明的方法可以製成之新的裝置之一些例子是關 20於其特性可以電氣方式調整之微共振舞。此最接近的習知 技術將沈積在微共振器上之聚合物覆蓋層修正而使用，以 不可逆地調整此微共振器之共振波長。此習知技術方法是 於 “IEEE Photonics Technology Letters” ㈣卷第 _ 至 69〇頁（_年出版）中說明。本發明對於習知技術之優點為 8 580597 玖、發明說明 其電性調整為可逆的。 C發明内容3 發明概要 以一觀點而言，本發明提供：具有基板之光電裝置； 5在此基板中之至少一介電波導；以及至少一主動半導體層 實體地結合至基板且以光學方式耦合至此基板中至少一介 電波導，此至少一主動半導體層能夠產生光線、偵測光線 、放大光線或調變光線之振幅或相位。 以另一觀點而言，本發明提供一種製造光電裝置之方 ι〇法，包括：提供第-基板；在此第一基板中形成至少一介 電波導；提供第二基板，其具有形成於其上之半導體材料 之層或島；將此第二基板之最上層接合至第一基板之經曝 露之表面上；以及將最初成長於第二基板上之半導體材料 之層或島之至少一部份蝕刻以界定至少一主動裝置，此至 15少-主動裝置實體接合至第一基板且以光學方㈣合至第 一基板中之至少一介電波導。 圖式簡單說明 第1圖為本發明基本實施例之圖式； 20
第1a圖為介於主動裝置與介電波導之間用於將主動裝 置安裝於介電波導之三個介面層之料圖式； 、 第2a圖為波長選擇振幅編碼器之方塊_ 码器以形成具有成形頻率響應之光學頻率遽波器；用此編 第2b圖為使用於第2項之編碼器中軍 之透視圖； A振态衣置 9 580597 玖、發明說明 第2c圖為經由開口環形式之單一微共振器之截面圖； 第2d圖為第2c圖之開口環形式之單一微共振器之平面 圖； 第3a圖為用於光學頻率調變接收器之全光學鑑別器之 5 概要圖； 第3b圖為光學放大器之透視圖；以及 第3c圖為使用於第3a圖之鑑別器中之微共振器濾波器 與光偵測器之透視圖。
C實施方式I 10 較佳實施例之詳細說明 第1圖為經由兩個裝置10L與10R與其相關波導121， 122以及123之側視圖。其說明波導接合光電裝置1〇之兩個 不同的實施例。此在左手側之裝置（10L)是偵測器，而在 右手側之裝置（10R)為碟形微共振器1〇2(請亦參考第沘圖） 15 。此波導接合光電裝置之各裝置10R與10L是與波導層12中 至少一介電光學波導121 ’ 122 ’ 123連接，此層與一或多 個電性主動半導體元件14以光學方式耦合，而此元件界定 例如裝置10L與10R。此波導層12是形成於基板5中。元件 14可以有不同的形式且執行不同的功能，例如：產生光線 20 (例如雷射），吸收與偵測光線（例如光偵測器），以及調變 光線（例如電性吸收調變器）。一或多個選擇性接合介面層 16可以位於波導層12與半導體元件14之間。此等一或多個 介面層16之功能包括：⑴促進在半導體元件14與層12(其 包括介電光學波導121，122與123)之表面12-1之間之接合 10 580597 玖、發明說明 ’以及（π)以光學的方式協助波導121，122,123與其相連 接之主動元件i4之間光線之輕合。此包含介電光學波導之 層12可以位於各別之襯底基板18(其可由例如的，鋁或石 英之材料構成）上。此等至主動半導體元件14之電性接觸 2〇較佳是位於元件14之背向遠離介電波導121，, us 之面上。 在第1圖中為了方便說明只顯示兩個裝置1〇與三個波 導^，^，^。在實際上’在給定的實施例中在給定 的時間可以使用更多的裝置與波導。 1〇 在第1圖中裝置10L較佳將其相關之波導121定位為中 心，而裝置10R跨越兩個波導122與123。如果期望在裝置 10R與其兩個相關波導122與123之間作相等之耦合連接， 則波導122與123之中心較佳對裝置i〇R之中心線。[相等間 隔。在某些實施例中也許期望有不均勻之耦合連接，在此 15情形中一光學波導之中心C可能較其他光學波導之中心更 靠近裝置10R之中心線CL。 此承載介電光學波導121，122，123之基板5以及用於 主動半導體元件14之磊晶材料是另分別製造。首先，將由 例如GaAs或InP之化合物所構成之半導體磊晶材料μ」， 20 14·2，14-3成長於另外的半導體基板15上，以便製成主動 式半導體元件14。然後將此所產生之主動半導體材料物件 以頂部朝下（top-side down)之方式安裝於介電波導層12之 頂表面12-1上，或是以頂部朝下之方式安裝於選擇性介面 層16(如果使用的話）之頂部表面16-1上，而被使用於形成 11 580597 玖、發明說明 半導體元件14。因此，此最上（如所成長）之主動半導體層 14-1是置於與介電波導層12或其_之介面層㈣接密切 接觸。此密切之接觸是令人期望的，因為在使用中光線是 在層12中之介電光學波導與相關之半導體元件“之半導體 5層丨4·1，14-2與14-3之間耦合。 可以使用較後將說明的各種接合方法將半導體件接合 至波導層12之表面叫上或光學公面層表面⑹上。此等 經接合之件是由在第1圖中界定半導體層14_丨，14_2，14_3 與界定基板15之實線與虛線所顯示。如同以下很快將說明 10，在將-或多個半«件接合定位後，將半導體基板材料 15從此等件移除，而留下用於主動半導體元件14所需之磊 晶材料，其被界定或進一步界定以使用傳統半導體處理技 術將第1圖中所示之虛線部份去除。因此，在第丨圖中，此 等經接合之件是由實線與虛線所示，而由其形成之半導體 15元件是由實線所示。使用數字14以一般性地代表半導體元 件，且亦代表形成層之半導體件而由此等件而形成此等元 件。 可以使用的磊晶半導體材料之例子為：雷射、光偵測 器或调變器為PIN二極體結構之磊晶半導體層ι4_ι，Μ。 20，14.3。此等蠢晶半導體層14心14_2，14_3之組成成份 可以與傳統半導體波導裝置之組成成份相同。然而，此等 半導體層14-1，14-2，14-3之厚度通常不同，因為此等層 是以光學方式耦合至層12中之介電光學波導而不是半導體 波導。此等層14-1，14·2，14_3之設計與成長涉及已知之 12 580597 玖、發明說明 原理與技術，並且因此對於此等事項在此不進一步討論。 然而，應注意層14-3是P層，而層14-2是I層，且層14-1形 . 成PIN二極體結構之N層。 此介電光波導層12是形成於基板5中。除了波導層12 5 外，基板5可以包括多層18，19(此與波導層12接觸之最頂 層19必須是介電材料），或它可以為單體（即，包括單層的 介電材料）。在一實施例中，層18是矽而層19較佳為具有 例如大約30μιη厚度之Si〇2。在層12中之波導是經摻雜之 ·
Si〇2。層12可以具有直接靠近選擇介面層16(如果使用的 10 話）之未經摻雜之Si〇2薄選擇層。在另一實施例中，層12 中之光學波導是經鈦摻雜之鋰鈮酸鹽，而層18與19較佳是 由未經摻雜之鋰鈮酸鹽之單層所形成。 然後將此接合至介電波導基板5之表面12-1(如果不使 用層16)或介面表面16-1(如果使用一或多層16)的一或多個 I5 半導體片14處理以製成主動裝置元件。此處理典型地涉及 例如以下步驟：微影界定、半導體材料之蝕刻，另外介電 · 薄膜之沈積與圖案化、金屬薄膜14-4(用於電性接觸）之沈 積與回火或燒結。此等步驟在習知技術中為人所知，且通 常使用於標準半導體波導裝置的製造中。一些此等處理步 20 驟可以涉及曝露於真空壓力與高溫（超過400。〇。此所使用 、： 將半導體件14附裝於介電波導表面之接合技術必須產生可 以經過此另外處理而存留之接合。 可以使用各種已知之接合方法將半導體件14接合至介 電波導表面12-1或介面表面16-1(如果使用選擇層16)。如 13 580597 玖、發明說明 同先前提及，介電波導層12典型是由例如二氧化矽或鋰鈮 酉文鹽（另外的氧化物）的材料製成。在接合之前，可以將經 曝露之波導層表面12-1或16-1拋光以確保它是平坦且淨化 以去除任何粒子或殘餘物。同樣地，較佳將半導體件之上 5層丨4·1淨化。此等件14之表面是已經平坦。在1999年出版 之IEEE Photonics Technology Letters 第 11 卷第 958-960 頁中 描述一種接合方法。當使用此方法以製造本發明之裝置時 ，在接合之前，將矽氮化物之薄膜22然後是二氧化矽薄膜 24沈積在半導體件（其在此實施例中較佳是由與或 10 GaAs相容的材料所形成）之上層14-1上。此等矽氮化物層 22與二氧化矽層24於第i圖中並未顯示，但可以在第1&圖 之更展開的圖中看出。較佳將硼磷矽玻璃（BpSG)之薄膜16 沈積在介電波導層12之經曝露之光學波導表面12-1上。然 後，各將BPSG 16與二氧化矽24之表面16-1與24-1淨化， 15且在室溫壓力下使它們接觸以致於在它們之間形成親水鍵 。第la圖為詳細圖示顯示在層14_丨上所形成之兩個薄膜22 與24 ’且亦顯示表面24-1與表面16-1之配對。然後將此基 板包括此安裝件14回火至足夠高的溫度將此鍵加強。可以 使用15 0至2 5 0 C之溫度用於回火。此例如經沈積石夕氮化物 20與二氧化矽之薄膜22與24較佳各具有數十奈米等級與數百 奈米等級之厚度。BPSG之薄膜16較佳具有數百奈米等級 之尽度。此所選擇確實之厚度取決於使用於主動電晶體元 件14之特殊製造步驟以及層12中光學波導與主動半導體元 件14之特殊設計，因為此等介面層16, 22與24影響在層12 14 580597 玖、發明說明 中光學波導與其相關主動半導體元件14之間光線之|馬合。 在此特殊實施例中將BPSG、Si〇2與SiN之厚度調整，以致 了使用其光線折射率將光線由光學波導12 ；[，12 2與12 3彎 曲進入半導體裝置14中。另外一種接合技術使用硼矽玻璃 5 (BSG)薄膜以達成接合。此方法是於1998年出版之J. Crystal Growth第195卷第144-150頁中說明。當使用此方法 時，較佳將BSG薄膜沈積在各別成長之半導體件14與介電 光學波導層12兩者之上。此接合溫度大約為55(rc，而施 加機械壓力將半導體件14保持在被沈積於介電光學波導層 10 12上之BSG層16上。儘管其較高之接合溫度，此方法仍可 使用於本發明，因為該溫度仍實質上低於用於半導體件14 之磊晶層之成長溫度。因此，此等磊晶材料將不會被接合 過程退化。 適合用於本發明之另外的接合技術使用旋塗玻璃 15 (S0G)作為介面材料。此方法是於2〇〇〇年出版之
Electronics Letters 第 36 卷第 677_678頁中說明。可以將 s〇g 溥膜沈積在半導體件14或介電光學波導層12上，但可能較 方便將此薄膜沈積在光學波導層12上。s〇G薄膜典型的厚 度是數百奈米。此接合是在室溫完成且支持此件16之基板 20 是在從200至225t之溫度回火。 現在將討論使用本發明之波導接合光電裝置之兩個例 子此第裝置疋波長選擇振幅編碼器。可以使用此編碼 器以形成具有成形頻率響應之光學頻率濾波器。在第2&圖 中顯不此成形濾波器之方塊圖。此裝置亦在以下的申請案 15 580597 玖、發明說明 中說明而使用於特殊之應用中··細丨年叫15日提出申請 之美國專利臨時申請案號60/332,370，以及於2〇〇2年4月5 曰提出申請相對應之非臨時申請案號1〇/116,8〇〇。此成形 濾波器由光學》皮導幹線（trunk)1〇〇所構成，其相合連接至 5 -系列微共振器元件1G2i，1()22····(使用此下標以辨識在 此序列中το件1〇2之特定者）。各微共振器元件ι〇2ι，⑺心 是耦合連接至相關之輸出波導部份1〇6ι，Η、..··。各微共 振器元件l〇2l，1〇22，····將經選擇頻率範圍之光線由波導 幹線100耦合至相關之輸出波導l〇6i，1〇62…·中。可以電 W氣的方式調整麵合而出之光線頻帶與光線數量。此電氣調 整藉由將控制電壓施加於微共振器元件1〇2而達成，其經 由控制線104! ’ 1 〇42而作用為波導搞合電吸收調變器。此 頻帶是藉由控制光線通過微共振器周圍所需時間之長度而 控制’其藉由跨接於第！圖中所說明之接觸2〇施加電壓而 達成S此各控制線1〇4可藉由耦合連接至各微共振器 之接觸20之一對線而實施。 、在第2b圖中說明單一微共振器元件1〇2，且它可被認 為疋具有輔助輸出之以共振器加強之光學調變器。此微共 振為102之大小與其共振光學模式之折射率決定此微共振 為το件102之共振頻率，此為由該元件1〇2所搞合而出光線 之頻率。典型地是將若干的微共振器元件1〇2配合使用(如 同由第2a圖所示），且是設置在具有光學波導於其中之單 -基板5之上(如同在第2b圖中所示之光學波導1〇〇與1〇6， 或於第1圖中所示之光學波導12卜122或123)。 16 玖、發明說明 。此編碼器光學波導幹線100是以光學方式輪合至多個 圓化U共振器102(在第2b圖中只顯示一圓形微共振器⑽ 1但據瞭解較佳是在基板5上典型地形成多個圓形微共振 $态102，且如第2a圖所示地搞合連接）。各微共振器收具 ^稍微不同的直徑。將—或多個電性控制線⑽供應至各 微共振β 102。纟此等線1〇4上之控制信號調整相關微共振 為102之光學折射率及/或光線吸收。可以將選擇性輸出 波導部份106以光學方式搞合至各微共振器1〇2。光學波導 幹線100之光線人射是多射頻（RF)色調⑴，f2，f3，f4，） 10之形式而被調幅至單波長光波載體上。各色調具有特定光 波頻率，且通常上下調幅側頻帶是以梳表示。此由光學波 導幹線所射出的光線是由相同的色調構成，但此等色調之 振幅是以不同的權數(weight)(a, b，c，句調整。此等權數 數a b c，d均小於或等於1除非此共振器具有增益， 15在該情形中此等權數因數a,b，c，d是小於、等於或大於 1。藉由使層14-2(參考第旧）產生光線而獲得增益。例如 ，可以使用GalnAs/InAlAs多重量子#或GaInAsp用於產生 靠近1550nm波長之光線。 此微共振器元件102較佳具有PIN結構。在一例中，層 2〇 14-3是P層，而層14_2與M-Ι各形成PIN裝置之1與1^層。層 14·3為經摻雜之p型，且藉由沈積適當之金屬接觸金屬層 14 4而在其上製成ρ接觸。層14_2是由輕微摻雜，未摻雜 或本質材料構成。在碟102之底之層丨^丨之半導體材料是 經摻雜之η_型，且藉由沈積適當之金屬層14_4而將冰接 17 580597 玖、發明說明 觸製成於層14-1被曝露之部份。此由層^丨至丨心#所形成 之微共振器102是對應第1，仏與2(1圖之裝置i〇r。此光學 模式之折射率可以由於半導體材料之電折射特性藉由對: 吸收調變元件之PIN結構施加電壓而改變。此由波導幹線 5 1〇0耦合出光線之數量可以藉由調整微共振器元件1〇2之光 學吸收而改變。此使用共振器中之吸收以控制共振器與波 導之間之光學耦合是於IEEE Photodcs Technology Letters 第10卷第816-818頁（1998)中討論。當吸收增加時，更多的 光線旁通繞過微共振器102而存留在波導幹線1〇〇中。 10 此第1，2(：與2(1圖之碟形微共振器裝置10R較佳為環形 因為至 > 卩層（14-3)與其接觸20具有在其中之環形孔14_5 。此環形孔14-5較佳終止於層丨‘丨，但可以選擇性地穿透 至層16或終止於中間層14_2。第2〇與2(1圖顯示經修正之結 構而由切口 14-6將環PIN結構分成兩個相關的裝置。因 15此，層14_3被分成兩部份而在其相關的金屬接觸層部份2〇_ 2與20-3下對齊。切口 14-6深入P層14-3。此具有切口之實 施例可以與第2b圖之實施例一起方便地使用，而將偏壓施 加於接觸層部份20-2與20-1，藉由控制線104控制其操作頻 率與施加於接觸層部份2〇_3與汕」（請參閱第2&圖）之偏壓 20 ，以控制輸送至輸出波導部份10ό中之波導1〇〇中光學信號 之振幅。在第2d圖中將比較小的半導體裝置（由其比較小 的金屬接觸20-3而可看出）配置朝向輸出波導部份1〇6。 在第2a與2b圖中光學波導幹線是由數字ι〇〇所表示， 而光線注入之部份是以數字106表示，在第1與2d圖中波導 18 580597 玖、發明說明 是由數字122與123表示。當將第1，2c以及2d之微共振器 10R之實施例使用於第2a與2b圖之應用中時，則波導I]]等 於波導100,而波導123等於波導1〇6。 此波導接合光電裝置之另一例為用於光學頻率調變接 5 收器之全光學鑑別器200。此鑑別器2〇〇是於第3&圖中說明 。此用於鑑別器之基本觀念是於pct申請宰藥 PCT/US00/23935(其於2001年4月26曰獲准而公告為 WO/01/29992Ai)中說明。此輸入調頻（FM)光線首先由半導 體光學放大器（SOA)202放大且，並且然後由光學波導分光 10器2〇4分解成兩條路徑。此在各路徑中之光線經由各別頻 率（或波長）濾波器206-1，206-2通過，其中央頻率從輸人 調頻（FM)信號之中央頻率位移預先設定數量至較高（請參 考用於濾波器206-1之小帶通圖）或較低之光學頻率。此經 濾波之光線然後由兩個電性連接於不同結構中之光偵測器 15 208-1與208-2感測。此s〇A 202、濾波206與光偵測器208 為主動半導體元件。此波導網路是由以下所構成：輸入部 份201、分光器204，介於分光器204與濾波器206-1以及 206-2之間之連接區段205-1與205-2，以及介於各濾波器 206-1，206-2與各光偵測器Μ、！，2〇8_2之間之連接區段 20 207-1與207-2。可以使用如同在第i，2()與2(1圖中所示之金 屬接觸20，但為了方便說明起見在此第3&圖中並未顯示。 濾波器206可以藉由參考第丨（裝置1〇R) , 2a ,几，以與24 圖之先前討論之微碟共振器而實施，且使用在此所討論之 製造技術製成。如果將在第〜與2(1圖中所示形式之共振器 19 580597 玖、發明說明 - ♦ 使用於各濾波器206-1與206-2，則如同由第3c圖所示，濾 波器輸入波導205-1與205-2是由各濾波器之波導122所形成 ，且濾波器輸出波導207-1與207-2是由各濾波器之波導123 所形成。SOA 202亦可使用在此所討論之裝置與製造技術（ 5 例如參考第1圖中裝置10L，以及參考以下第3b圖所討論之 ^ 裝置）實施與製成。 第3b圖說明半導體光學放大器（S0A)，其可以根據以 上說明之技術輕易地製成。此為波導接合光電裝置之另一 · 例。此放大器是位於頂部且較佳是在波導121之縱向中央 10 。主體部份220各具有p，I與n層14-3，14-2與14-1，如同 亦具有第1圖之裝置10L與10R。N層14-1較佳形成作為具 有層14-2與14-3之寬板220而在其上形成平台。此等層可以 參考第1與la圖使用以上所討論之技術方便地製成。此實 施例之SOA較佳亦具有漸尖部份222(且亦可包括〗層部份， 15以及如同於第扑圖中說明，且更可包括未於圖中顯示之p 層部份）。此變尖的部份222具有縱軸224，其較佳與主體 · 部份220之縱向中心線以及與波導121(亦參閱第1圖）之中心 線C對齊。此板層與漸尖部份222之N層較佳在單一蝕 刻製程中製成。 、 2 0 第3c圖中顯示第3a圖之濾波器2〇6與光偵測器2〇8之實 施。將濾波器206實施作為微共振器耦合之波導與 205 2而可以電性方式調整。這允許將鑑別器主動調整以 追縱調頻信號中央頻率之任何改變。而且，此微共振器之 调整允终修正渡波器表現中任何與製造有關的偏差。再者 20 580597 玖、發明說明 ，各微共振器元件206是光學調變器，其具有如同參考第 · 1(裝置10R)與2b-2d圖所說明結構之結構。然而，在此例中 · 層14-2不是由在光學波長為電吸收而是電反射或電一光材 料所製成。因此，當對層14_2所施加電壓改變時，該層之 5折射率改變。此光偵測器208是由半導體PIN二極體結構14 所構成，而設置在光學波導層12中之波導上。光線由共振 器200搞合而出經由波導且於光偵測器2〇8_ι 與208-2中（通常在二極體之j層中）吸收。可以使用已知技 · 術設計此種波導耦合光偵測器。各光偵測器元件2〇8看起 10來像是N型材料之寬板21〇上之平台。此p與I層以及頂部接 觸包括此平台。此N層與底部接觸包括此板。在二極體之 N層之下可以設置另外的“折射率匹配層”，以便將光線 從介電光學波導耦合入光學偵測層中。 第3b圖中顯示SOA 202之詳細圖式。此s〇A元件202看 15起來非常像PIN光偵測器元件208且具有PIN二極體結構。 然而，SOA 202元件是由與光偵測器元件2〇8中不同層厚度 · 之不同蠢晶層所構成。此等層是與在傳統S〇A裝置中所設 置者相同。因為光線由介電波導耦合入S〇A，且由SOA耦 合出而進入介電波導中，因此是有益的將波導轉換區形成 - 20為在SOA層中之經蝕刻尖端部份222。此種漸尖之結構是 使用於包括半導體波導之傳統式s〇A。此s〇A元件之設計 是根據已知技術。在此所揭示之S〇A與確實所有的波導接 合光電裝置是不同於習知技術，因為此較佳根據PIN結構 之主動裝置是與介電光學波導配合：從它接收光線，對它 21 獨597 坎、發明說明 發射光線，或與它交換光線。 以上所說明例子應提供顯示本發明之應用與多樣化。 顯然可以發展更加許多裝置其涉及以下之組合：波導、波 導網路、波導分光器、輪合器以及具有主動裳置元件（例 5如調變器、光债測器、光學放大器與雷射）之干涉儀；其 所有均可受益於使用半導體主動區（其與一或多個介電波 導配合）之能力。因此，此在所附申請專利範圍中所規範 之本發明並不受限於在此所揭示特殊之實施例，除非是由 所附之申請專利範圍所特別規定。 10 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明基本實施例之圖式； 第la圖為介於主動裝置與介電波導之間用於將主動裝 置安裝於介電波導之三個介面層之詳細圖式； 第2a圖為波長選擇振幅編碼器之方塊圖，可使用此編 15碼器以形成具有成形頻率響應之光學頻率遽波号； 第2b圖為使用於第2a圖之編碼器中單一微共振器震置 之透視圖； 第2c圖為經由開口環形式之單一微共振器之截面圖； 第2d圖為第2c圖之開口環形式之單一微共振哭之平面 20 圖； 第3a圖為用於光學頻率調變接收器之全光學鐘別器之 概要圖； 第3b圖為光學放大器之透視圖；以及 第3c圖為使用於第3a圖之鑑別器中之微共振器濾波器與 22 580597 玖、發明說明 光偵測器之透視圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 5…基板 100…波導幹線 10…波導接合光電裝置 102…微共振器 10R，10L···裝置 104…控制線 12…波導層 106…波導部份 12-1…表面 200…鑑別器 14…半導體元件 201…輸入部份 14-1〜14-3…半導體層 202…半導體光學放大器 14-4…金屬層 204…分光器 14-5…環形孔 205…連接區段 15…半導體基板材料 206…濾、波器 16，18，19…層 207…波導 20…接觸 208…光偵測器 12M23···波導 210…板 C…中心 220…主體部份 CL···中心線 222…漸尖部份 14-6···切口 224…縱轴 16-1…頂表面 f\〜f4…射頻色調 20-1〜20-3…接觸層部份 22，24…薄膜 SOA···半導體光學放大器
23

Claims (1)

  1. 拾、申請專利範圍 L —種光電裝置，其特徵為包括： (a) 基板； (b) 至少一在基板中之介電波導，·以及 (c) 至少一貫體接合至基板之半導體層，且以光學 的方式輕合連接至在基板中之至少一介電波導，此至 夕一主動半導體層能夠產生光線、偵測光線、放大光 線或調變光線之振幅或相位。 2.如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中至少一半導體 層具有P、I與N材料之相鄰層。 3·如申凊專利範圍第2項之光電裝置，其中^材料層較p材 料層更靠近在基板中至少一介電波導。 4·如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中至少一半導體 層是碟形。 5·如申請專利範圍第4項之光電裝置，其中在基板中之至 少一介電波導包括一輸入波導與相關的輸出波導。 6. 如申請專利範圍第5項之光電裝置，其中將基板中輸出 波導配置靠近但與輸入波導分離，且其中此碟形裝置 是設置直接靠近基板中輸入波導與基板中之輸出波導 或設置於以上兩者之上，用於控制從輸入介電波導至 輸出波導中之光線耦合。 7. 如申請專利範圍第6項之光電裝置，其中此碟形裝置被 分成兩個相關的裝置具有共同的；[層與經切口的p層， 其中-相關裝置具有比較大的P層，且另一相關裝置具 有比較小之P層。 拾、申請專利範圍 8·如申請專利範圍第7項之光電裝置，其，具有比較小尺 寸p層之另一相關裝置是言免置在位於該基板中輸出波導 之上或附近。 9·如申請專利範圍第6項之光電裝置，纟中此碟形裝置具 有P、I與N層，此N層靠近基板，且在其中具有環形開 口 ’其曝露靠近基板之N層。 汝申明專利範圍第9項之光電裝置，更包括由設置在p 層上與在環开> 開口中N層上之金屬層所形成之接觸。 11 ·如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中至少一半導體 層包括P、I與N層，此N層設置靠近基板，j層是設置在 N層上，且p層是設置在丨層上。 12·如申請專利範圍第11項之光電裝置，其中在對至少一 波導垂直的橫戴面中，卩與〗層具有共同的寬度；且在 對至少一波導垂直之該橫截面圖中，N層是寬於該P與I 層。 13.如申請專利範圍第12項之光電裝置，其中在對至少一 波導垂直的該橫截面中之P與N層實質上是以該至少一 波導為中心。 14·如申請專利範圍第u項之光電裝置，更包括由設置於n 層上與P層上之金屬層所形成之接觸。 15·如申請專利範圍第11項之光電裝置，其中該n層包括由 N層材料所形成之至少一漸尖結構，至少一漸尖結構在 平行於該至少一波導之方向延伸，此至少一漸尖在實 質上以對至少一波導垂直之橫截面中該至少一波導為 580597 拾、申請專利範圍 中心。 16·如申請專利範圍第1項之光電裝置，更包括在至少一半 導體層與基板之間之接合介面層。 17·如申請專利範圍第16項之光電裝置，其中此接合介面 層包括：BPSG、BSG、Si02、SiN或SOG或其組合。
    18.如申請專利範圍第16項之光電裝置，其中將此接合介 面層之厚度與折射率調整，以方便介於該至少一半導 體層與該至少一波導之間之光學耦合。 19·如申請專利範圍第16項之光電裝置，其中此接合介面 層改善在該至少一半導體層與該至少一波導之間之附 著。 2〇· 一種製造光電裝置之方法，其包括以下步驟： (a) 提供第一基板； (b) 在此第一基板中形成至少一介電波導；
    (幻提供第二基板具有在其上成長之半導體材料之 層或島； ‘丞伋之敢上層接合至第 露的表面上；以及 20 ⑷將最初成長於第二基板上之半導體材料之, ^之至少—部份蚀刻以界定至少一主動裝置，將】 少-主動裂置實體地接合至第一基板，且以光學. 轉合連接至第一基板中之至少-介電波導。 21:申請專利範圍第2。項之方法，更包括將第二幻 p而在第-基板上留下最先在第二基板上成長』 26 拾、申請專利範匱 導體材料之層或島。 22.如申請專利範圍第2〇項 是形成於第一基柘中素甘μ ^ 土槪ΤΛ近其弟一表面，且其中在步驟d 中此曝露表面是該第一表面。 23·如申凊專利範圍第2()項之方法，其中光電裝置，其中 此半導體材料之層或島具有相鄰之p、！以及N材料層， 而N材料層較p材料層更靠近基板中至少一介電波導。 24.如申請專利範圍第2〇項之方法，其中至少一介電波導 疋形成於第一基板中靠近其第一表面，且更包括將接 10 合介面層沈積於第二基板最上層與第一基板第一表面 兩者之至少之一上。 25.如申請專利範圍第24項之方法，其中接合介面層包括 • BPSG、BSG、Si02、SiN 或 SOG 或其組合。 15 26·如申請專利範圍第24項之方法，其中此接合介面層具 有經調整之厚度與折射率，以方便在至少一主動裝置 與該至少一波導之間之光線耦合。 27·如申請專利範圍第24項之方法，其中此接合介面層改 善介於至少一主動裝置與該至少一波導之間之黏著。 20 之方法，其中至少一介電波導
    28.如申請專利範圍第2〇項之方法，其中步驟d包括將第二 基板之最上層壓至第一基板經曝露之表面上而在其間 形成接合，且將第一與第二基板回火至足以加強此接 合之溫度。 29.如申請專利範圍第2〇項之方法，其中步驟e包括將原先 在此第二基板上成長之半導體材料之層或島蝕刻，以 27 拾、申請專利範圍 製成多個不同的主動裝置。 3〇·如申請專利範㈣卿之方法，其中步驟e包括提供多 個第一基板，各具有成長於其上之半導體材料之層或 島；其中步驟d包括將多個第二基板之最上層接合至第 5 —基板之經曝露的表面上，·以及其t步驟e包括將最初 在多個第二基板上成長之半導體材料之層或島钱刻， 以製成多個不同的主動裝置。 31·如申叫專利專巳圍第2〇項之方法，其中步驟。包括將最初 在第二基板上成長之半導體材料之層或島蝕刻，以製 1〇 成具有不同實體形狀之多個不同的主動裝置。 32·如中請專利範圍第31項之方法，其中此最初在此第二 基板上成長之半導體材料之層或島包括p、1與^^層，此 N層是設置靠近步驟d中之基板，〗層是設置在n層上， 且P層是設置於I層上。 15 33.如申請專利範圍第32項之方法，其中將至少一主動裝 置之P與I層蝕刻成為在對至少一波導垂直之橫截面中 具有共同的寬度，且將該至少一主動裝置之^^層蝕刻成 為較在對至少一波導垂直之至少一橫截面中之該至少 一主動裝置之該p與I層為寬。 20 34·如申請專利範圍第33項之方法，其中步驟e包括從⑽ 蝕刻至少一伸長漸尖元件，此至少一伸長漸尖元件具 有主軸是以至少一波導之縱軸為中心。 35.如申請專利範圍第31項之方法，其中將至少一主動穿 置之P、I與N層钱刻以具有共同的外直徑，且將該至少 28 580597 拾、申請專利範圍 —主動t置之Pm祕取製成 36·如申請專利範圍第35項之方法，㈠：； 經曝露環形部份上形成金屬;，i括在❹層之 声接觸夕η ^ 且形成與該環中Ν 層接觸之另一金屬接觸。 衣 37.如申請專利範圍第％項之方法，並小一 是碟形，且在第一基板中成…動裝置 在至少兩摘Μ 4成兩個介電波導，且 隹主少兩個波導上設置至少一 38·如申請專利範圍第37 \ ° 呈 万法，其中此碟形主動裝置 ίο ；心線其中波導各具有中心，且其中此等至 二個介電波導之中心是與此碟形主動震 相等間隔。 深 39.如申請專利範圍第37項之方法，其中此碟形裝置藉由 在至少此Ρ層中之蝕刻切口而分成兩個相關裝置，盆中 15 之:相關裝置具有較大尺寸之Ρ層，且另—相關裝置具 有較小尺寸之ρ層。 4〇.如申請專利範圍第20項之方法，其中從該等半導體材 料所選出的半導體材料能夠產生光線、谓測光線、放 大光線或調變光線之振幅或相位。 20 41·如申請專利範圍第20項之方法，更包括在第一基板中 形成輸出波導。 仏如申請專利範圍第41項之方法，其中將基板中輸出波 導配置靠近但與至少一介電波導分離，且其中此碟形 裝置是設置直接靠近基板中至少一介電波導與輸出波 導或設置於此兩者之上，用於控制從至少一介電波導 29 580597 拾、申請專利箪卷圍 且進入輪出波導中之光線耦合。 43·如申請專利範圍第42項之方法，丨中此碟形裝置藉由 在至少此P層中之蝕刻切口而分成兩個相關裝置，其中 之一相關裝置具有較大尺寸之p層，且另-相關裝置具 有較小尺寸之P層。 从如申請專利範圍第43項之方法，其中具有比較小尺寸p 層之另-相關裝置是設置在位於該基板中輸出波導之 上或附近。 30
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