TWI252940B - Optical circuit fabrication method and device - Google Patents

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TWI252940B
TWI252940B TW092101809A TW92101809A TWI252940B TW I252940 B TWI252940 B TW I252940B TW 092101809 A TW092101809 A TW 092101809A TW 92101809 A TW92101809 A TW 92101809A TW I252940 B TWI252940 B TW I252940B
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Description

U5W^ · 玖、發明說ϊ (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明） (一） 發明所屬之技術領域 一般而言本發明係有關一種積體式光學裝置，且更特別 的是有關一種改良的光子式光回路（P L C )裝置。 (二） 先前技術 光子式回路模組形成了由很多光學通信感知器及測試裝 置構成的積體零件。在這種光子式光回路裝置中係依剛性 方式將數個光學元件保持在定位上，並因需求使用通常爲 相當長度之光纖的波導依光學方式連接各元件。各光學元 件及互連用的光纖波導保持在適用基板的定位上。 矽光學工作臺（Si OBs)便是一種用於光子式光回路之裝 配技術的實例。如同其名稱所提示的，S i OB s指的是一種 由矽或類似半導體材料形成的光學工作臺。利用微製造方 法於矽材料內鈾刻出凹溝及狹縫以支持各種光學元件。微 製造方法的高準確度允許吾人使各光學元件及光纖於各凹 溝及狹縫內相互呈精確地對準。這爲各元件提供了所謂的 「被動式對準」並減低了對主動地確保光學回路中各種元 件呈相互對準的需求。吾人也能夠使用諸如透鏡等之類的 自由空間式光學元件使光在各種光學元件之間受到引導。 同時已知的是（例如參見美國專利第 4 9 0 2 0 8 6號文件以 及歐洲專利第〇 8 5 6 7 5 5號文件）吾人能夠沈積各種材料層 以形成可與該S i OB s合倂在一起的波導。通常，係將一諸 -6 - 如砍土之類的基底層形成於矽基板上。然後將一具有高折 射率的已攙雜矽土層亦即核心層沈積在低折射率的基底層 頂部。將該核心層製作成圖案以形成適當的波導。同時選 - 擇性地將一低折射率的上邊包層沈積於已製作成圖案的核 心層上。換句話說，係將各波導直接形成於該矽基板上而 不是製造成分開的波導式光纖。 已知（包含那些以SiOBs爲基礎之）光子式光回路裝置的 缺點是必須以極高的準確度使每一個光學元件與相關的波 φ 導呈對準以確保良好的光學連接。除了確保各光纖與光學 元件具有準確的實體對準之外，同時必需使來自每一個矽 土波導端點的不必要反射率最小化。這必需使各波導的折 射率與光學元件的折射率吻合或是使用凝膠或抗反射塗膜 。同時也需要透鏡以利光在各元件之間的自由空間耦合作 用。這些要求增加了複雜度且因此增加了該光子式光回路 的製造成本。 (三）發明內容 · 本發明的目的是至少減輕某些如上所述的缺點。 根據本發明的第一槪念，一種光子式光回路裝置係包括 一半導體基板以及兩個或更多個光學元件，其中係將一個 或更多個空心光學波導形成於該半導體基板內，以便使該 兩個或更多個光學元件依光學方式聯結在一起。 本發明超越習知光子式光回路裝置的優點是，移除了對 提供光纖使各元件之間形成互連，或是沈積各材料層以形 成貫心波導的要求。較之習知設計，本發明所提供的光子 -7 -
式光回路裝置係易於製造，且因此降低了其製造成本。 使各元件與中空光學波導聯結的另一優點是，已增加其 回路的可操縱光學功率而超越了以實心（通常爲矽土）波導 使各光學元件互連的習知光子式光回路裝置。 形成中空波導以便在各光學元件與該PLC之間引導光。 光學元件指的是任何能夠產生、偵測或作用在光學信號上 的裝置，例如分光器/合光器、校準儀結構、透鏡、波板 、調制器、雷射、光子偵測器或是激發式光學元件。光學 元件一詞也可能包含諸如表面光柵剖面等之類形成於該中 空波導內或是由該中空波導形成的光學結構。如下所述該 空心波導可能係一種平面或是二維式的引導構件。光學元 件也可能是一種光纖電纜，例如指的可能是一種用來使光 耦合到該PLC上或是從該PLC上耦出的光纜電纜。 吾人可利用微製造技術對半導體基板進行高準確度的蝕 刻。該基板可能有利地包括一多重層晶圓，例如鍺化矽、 矽在絕緣體上或矽在玻璃上。熟悉習知設計的人認可的是 微製造技術通常會涉及一用以定義出圖案的光照步驟，緊 跟著鈾刻步驟以便將該圖案轉移到該基板材料上或內的一 層或更多層之內。該光照步驟可能包括光刻技術或是X光 或電子束蝕刻技術。該蝕刻步驟可能係利用離子束碾磨法 、化學蝕刻法、乾電漿蝕刻法、或是深乾式（也稱作深矽） 蝕刻法而執行的。這種型式的微製造技術也是可與諸如濺 蝕法、CVD法及電鍍法之類各種層膜沈積技術匹配的。 有利地，該半導體基板係包括一個或更多個對準狹縫’ - 8 -
而每一個對準狹縫都適合依對準方式接收一光學元件。各 對準狹縫係形成爲具有用以接受各光學元件所需要的形狀 且因此會比空心波導更深（/淺）及/或更寬（/窄）。
因此可以充分的準確度製造出各對準狹縫以便與它們所 接納的光學元件對準。將一光學元件放置於依固有方式與 光學元件對準的對準狹縫內，則不再需要元件的對準或調 整步驟。可使用電子回路之類製程中用到的這種習知拾取 及放置技術以便將各光學元件放置到各對準狹縫內。 替代地，可爲拾取及放置技術提供必要的對準作業。例 如，可在將元件放置到適當狹縫內時使之準確地對準並加 以固定（例如黏貼）以保持其對準狀態。
各對準狹縫及（特別是）各光學元件都是在相當尺寸容忍 度下製造的。一光學元件與相關的空心光學波導之間的耦 合效率會隨著該光學光件相對於該空心波導之對準角度誤 差的增大而減小。不過，減小該空心波導的截面尺度將會 增加可接受的角度對準容忍度，雖然其代價是稍微增加了 該光學波導肇因於已減小之核心尺度所產生的耗損以及已 增大（更嚴格）的橫向對準容忍度。因此，在光學元件之對 準容忍度上的知識（例如從該光學元件之製程容忍度得到 的知識）將會允許吾人選擇該空心波導的尺度以確保可獲 致高親合效率。 也可形成各對準狹縫以便將一實心光纖箝夾於定位而允 許吾人在PLC上施行光學的輸入/輸出。也可提供階梯式 光纖對準狹縫以便同時使緩衝層及包層得到支持。使空心 -9- 光纖之核心與PLC上之空心波導對準的作業（例如藉由將 光纖箝夾於一對準狹縫內）是特別有利的，因爲空氣核心 對空氣核心的連接不會出現任何不必要的反射作用。 爲了在光纖核心與PLC的空心波導之間提供有效的耦合 作用，應該使該空心波導的截面適用於光纖核心的截面。 在實心光纖的例子裡，進入包層的漏泄意指該光纖所承載 模式的寬度實際上會大於其核心直徑，例如標準的1 0微 米實心光纖會產生核心直徑爲1 4微米左右的模式。假如 其模式的寬度不同於空心波導的寬度，則可以使用透鏡（ 例如球形透鏡或遞級折射率（GR I N )桿狀透鏡）以擴充或減 小其光學場域以便使光能夠在核心尺寸不同的光纖耦入/ 耦出該PLC的空心波導。可在實心光纖的端點上塗覆有抗 反射膜或是使用折射率吻合的凝膠。 方便地，可由該半導體基板的材料形成該兩個或更多個 光學元件中的一個或更多個光學元件，亦即可形成單件式 元件。 可替代地，可依上述方式將構成該PLC的某些或所有光 學元件中經由各空心波導形成於該半導體基板內的光學元 件附著於該半導體基板上，換包話說可形成一混合裝置。 至少該兩個或更多個光學元件之一可能有利地包括一種 微電機（MEMS)裝置。該MEMS裝置可能是一種混合或單件 式的裝置。令該MEM S裝置包含各微加工元件亦即由微系 統技術、微自動控制技術及微工程技術製成的元件。例如 ’ MEMS式光學元件係包含：對準元件、下彈式菲涅耳透 _、回轉儀、移動式面鏡、胃調式法布雷—佩羅特腔、連 式式光學兀件、（光學）開關、可變光學衰減器及濾光片等 〇 方便地’吾人係以半導體基板形成該光子式回路裝置的 基底部分且另外設置一頂蓋部分以便形成該空心光學波導 〇 替代地’可將一個或更多個光學元件附著於該頂蓋部分 i: °可單獨將各光學元件裝設於該頂蓋部分或是基底部分 上’或是同時將各光學元件裝設於該頂蓋部分及基底部分 兩者上。 可由半導體基板形成該頂蓋部分，且可有利地將一個或 更多個光學元件形成於其上。替代地，可由玻璃形成該頂 蓋部分。較佳的是，該頂蓋應該具有與基板相同的熱膨脹 性質，例如該頂蓋係由與基板相同的半導體材料形成的。 在元件裝設有頂蓋的例子裡，蝕刻其基底部分以形成中 空的波導結構，並爲各光學元件設置凹陷以便從其上成長 出頂蓋部分或是使頂蓋部分附著其上。將頂蓋部分裝設於 其基底部分上會允許吾人將各光學元件帶進與基底部分之 光學波導呈對準處，熟悉習知設計的人應該知道可提供諸 如精確對準晶圓或晶片對應部分的對準工具之類各種技術 以確保該頂蓋部分與基底部分呈準確對準。替代地’可將 某些或所有光學元件直接裝設在形成於該基底部分內的對 準狹縫內。這使吾人能夠在不需要準確對準該頂蓋部分和 基底部分下將該頂蓋部分裝設於其基底部分上。 -11 - 正 _d補充: 方便地，該頂蓋部分係承載有反射性塗層。該反射性塗 層可能會覆蓋住整個頂蓋部分或是依需要只覆蓋住其上的 選擇部位。有利地，該反射性塗層可能包括之材料層的折 射率係低於落在操作波長能帶內之波導核心的折射率，例 如金、銀或銅的材料層。替代地，可提供一層或更多層的 介電材料或是一碳化矽層。
熟悉習知設計的人應該知道如何能夠使該頂蓋部分和基 底部分接合在一起。例如，可使用一種諸如導電性或非導 電性環氧樹脂層之類的中間層。替代地在以金屬層當作折 射率層的例子裡，可形成一種金屬—半導體的易熔性鍵結 。可使用玻璃製料技術將該頂蓋接合到該半導體基底部分 上’或者假如該頂蓋部分係由玻璃形成的則可以使用陽極 技術。
有利地，該半導體基板係包括矽。此矽可依不同形式， 例如依晶圓形式（例如砂、政在絕緣體上或砂在玻璃上）或 是矽基板上的磊晶層（例如鍺化矽或砷化鎵）。有利的是， 使用矽在絕緣體上。 方便地，用以形成一個或更多個空心光學波導之第一內 部表面的光學性質係不同於該空心光學波導之第二內部表 面的光學性質。如同以下參照第6圖的詳細說明，這可使 將要形成的中空波導能更有效率地引導具有某種偏極性的 光。 有利地’至少該一個或多個空心光學波導中的某些內部 表面會載有反射性塗層。 -12- ,, 補无 該反射性塗層可能有利地包括之材料層的折射率係低於 落在操作波長能帶內之波導核心的折射率。 折射率低於該中空波導核心的材料層會在該PLC波導內 提供光的全內反射（τ I R )，因此減低其光學耗損。 吾人應該注意的是當製造出空心光學波導結構時，其中 空核心很可能塡充有空氣。此中因此假定核心的折射率是 空氣在大氣壓力及溫度下的折射率（亦即n =丨）。不過，吾 人不應該將此看成是本發明架構的極限。該中空核心可能 含有任意的流體（例如液體或是諸如氮氣之類的惰性氣體） 或是呈真空的。中空核心一詞僅意指一種不存在有任何固 體材料的核心。同時，此中係拿全內反射（Τ I R ) —詞包含 已衰減的全內反射。 方便地，該空心光學波導內部表面上所承載的反射性材 料指的是諸如金、銀或銅之類的金屬。金屬將會在跨越受 金屬之物理性質所管制的波長範圍內呈現出適當的低折射 率，諸如由倫敦之Academic Press於1998年印行E.D. Palik所著的「光學常數手冊（The Handbook of Optical Cons t ants)」之類的標準教科書中提供了有關各種材料之 波長依賴性折射率的正確資料。特別是，金在5 00奈米到 2.2微米左右的波長範圍（這涵蓋了落在從1 400奈米到 1 6 0 0奈米之重要無線電通信能帶之內的波長）內呈現出低 於空氣的折射率。銅在跨越5 6 0奈米到2200奈米的波長 範圍內呈現出小於1的折射率，而銀則在跨越3 2 0奈米到 2 4 8 0奈米的波長範圍內呈現出類似的折射率性質。 125^购％修正 丨、補充 可利用熟悉習知設計的人所熟知的各種技術沈積一金屬 層。這類技術包含濺蝕法、蒸鍍法、化學氣相沈積法（CVD丨 、及（電極或無極）電鍍法。其中CVD和電鍍技術允許吾人 在沒有顯著的方向依賴性厚度變化下沈積各金屬層。利用 旋轉樣品及/或濺鈾源的濺蝕法也能夠提供均句的覆蓋率 。電鍍技術是特別有利的，因爲它們容許進行批次（亦即 多基板的平行）處理作業。 熟悉習知設計的人應該知道可在沈積金屬層之前於該中 空波導上沈積各黏劑層及/或阻擋擴散層。例如，可設置 一鉻或鈦層當作沈積金之前的黏劑層。也可以在施行金之 沈積前的黏劑層上沈積諸如白金之類的擴散阻擋層。替代 地’可結合該黏劑層及擴散層（諸如氮化鈦、鈦鎢合金或 絕緣層之類）一起使用。 方便地，可藉由一種全-介電材料或是金屬-介電材料 形式的堆疊在各中空波導的內部表面（包含任何頂蓋部分） 上設置反射性塗層。熟悉習知設計的人應該知道各介電層 白勺光學厚度會提供用以定出該塗層之反射性質的干涉效應 。介電材料可藉由CVD或濺蝕法進行沈積。替代地，可藉 由和已沈積金屬層的化學反應形成介電層。例如，可令一 銀層與鹵素進行化學反應以形成一鹵化銀的薄表面層。 換句話說’可藉由一種全-介電材料或是金屬-介電材 料形式的堆疊設置該反射性塗層。熟悉習知設計的人應該 知道各介電層的光學厚度會給出所需要的干涉效應且因此 定出該塗層之反射性質。該塗層的反射性質也可能在某種 -14- 程度上取決於內形成有空心波導的材料性質。因此’底下 的半導體基板也可能形成一基底層且成爲任何這種多重層 介電堆疊的一部分。 此外，該空心光學波導內部表面上所承載的材料層指的 是習知的碳化矽。 如上所述，可選擇由低折射率材料構成的額外層以便在 任何需要波長上提供有效的作業。碳化矽在1 〇 . 6微米的 折射率爲0 . 0 6，使得這種材料特別適合用於在此等波長 下操作的裝置內。 有利地，至少該一個或更多個空心光學波導之一係具有 實質上呈矩形（此中將包含方形）的截面。方形或是幾乎呈 方形截面的空心波導會提供一種其耗損實質上與偏極性無 關的波導，且較佳的是用在當光的偏極化狀態是未知或可 變時。 較佳的是，該矩形的空心光學波導具有平行於第一波導 壁的第一截面尺度以及正交於該第一截面尺度的第二截面 尺度，其中該第一截面尺度會比第二截面尺度至少大了 5% 、1 0%、1 5%、25%或50%。如同以下參照第7d圖的說明， 較佳的是將這種波導用於具有未知偏極性的線性偏極光。 有利地，用以定義出該至少一個具有矩形內部截面之空 心光學波導的各表面都具有相等的折射率。這能夠減少該 波導內和偏極性有關的耗損。 較佳的是，用以形成該具有矩形內部截面之空心光學波 導的相對表面會具有相等的有效折射率，而用以形成該具 -15- _補无 有矩形內部截面之空心光學波導的相鄰表面會具有不同的 有效折射率。如同以下參照第7 a到7 c圖的說明，修飾一 對相對波導壁的折射率使吾人能夠在引導具有已知線性偏 極性的光時減低其透射率耗損.。 有利地，該具有矩形內部截面之空心光學波導上的一對 相對表面係承載有高折射率塗層。這會在s -偏極光依下 述方式受到反射時提供較佳的高折射率。
也可以攙雜該基板的半導體材料以修正其光學性質而減 少該空心波導的耗損。 方便地，至少該一個或更多個空心光學波導之一會支援 基礎模式的傳播。同時，至少該一個或更多個空心光學波 導之一會有利地支援多模傳播作業。較佳的是，該多模區 域的長度會依以下將參照第1 1 a、b、C圖詳細說明的方式 發生重新造影作業。
熟悉習知設計的人應該知道該空心波導的形狀和尺度將 會影響相關的光學引導性質。例如，可使用已截角的中空 波導以提供光束擴展或壓縮的功能。可在高解析度下利用 微製造技術製造空心波導允許吾人依需求將其引導性質修 飾爲最佳化的PLC作業。不過，熟悉習知設計的人應該知 道該空心波導的形狀可能因爲所用微製造方法的型式而有 某種程度的限制。例如，可快速地於[1 00 ]矽內溼飩刻出 一 v -形凹槽而很容易地於[1 1 0 ]矽內設置各矩形波導。不 過，深度反應離子蝕刻（DR I E )法可在製造上提供最大的容 易度。 - 16-
l25f^S 有利地，該裝置是爲以落在波長範圍爲從Ο . 1微米到2 Ο 微米、從0 · 8微米到1 . 6微米或是更佳的是從1 · 4微米到 1 · 6微米之輻射施行的作業而提供的。因此，該金、銀及 銅塗覆層的光學性質使這些金屬特別適合用在於無線電通 信波長能帶（亦即用在中心落在1 . 5 5微米的波長能帶）內 操作的PLC裝置內。有利地，可於3微米到5微米或8微 米到1 2微米的熱紅外線能帶內操作該裝置。 方便地，該半導體基板係包括至少一個對準狹縫，其配 置方式是用以收納一光纖電纜且用以依光學方式使該光纖 電纜與該一個或更多個由該半導體基板構成的空心光學波 導之一耦合在一起。 此外，可有利地於該對準狹縫的鄰近處內設置一模式匹 配裝置，以允許該光纖電纜的各模式與具有不同核心直徑 之空心光學波導上的類似模式之間形成耦合。例如，在光 纖具有基礎模式的例子裡該模式匹配裝置會使該光纖的基 礎模式與空心光學波導的基礎模式耦合在一起。在多模傳 播的例子裡，該光纖的模式光譜會與空心光學波導的模式 光譜吻合。該模式匹配裝置可能有利地包括一遞級折射率 桿狀透鏡或球形透鏡。 替代地，可配置對準狹縫以收納一含透鏡的光纖。 較佳的是，配置對準狹縫以收納一空心光纖。該光纖可 能是多模或單模的光纖。 有利地，至少該兩個或更多個光學元件之一係包括呈彎 折以引導直接從該半導體基板平面出射之光的面鏡表面。 - 17 - 125^1¾¾ 補无 該面鏡表面可能係一單件式（例如如第1 5圖所示的折角半 導體表面）或是混合式配置。換句話說，該PLC並未受限 於在基板表面的平面內引導光。可將光引出基板表面。例 如，可根據本發明製造一種堆疊式或三維式PLC。 方便地，該PLC可進一步包括至少一個微波元件及/或 一空心微波波導。換句話說，可設置一種光學/微波混合 回路。 根據本發明的第二槪念，一種用於光子式光回路的基底 部分係包括其內形成有一個或更多個中空通道的半導體基 板，其中該基底部分的配置方式是可在與適當的頂蓋部分 結合時形成至少一個空心光學波導。 方便地，係將至少一個狹縫形成於該基底部分的半導體 基板內以便依對準方式收納一光學元件。 根據本發明的第三槪念，一種用於光子式光回路的基底 部分係包括其內形成有一個或多個中空波導通道以及至少 一個狹縫以便依對準方式收納一光學元件的半導體基板。 根據本發明的第四槪念，一種用於光子式光回路的方法 係包括採用根據本發明第二或第三槪念的基底部分並將一 頂蓋黏貼其上的步驟。 根據本發明的第五槪念，一種用於光子式光回路的方法 係包括以微製造法於半導體基板內形成一個或更多個適合 用以扮演空心波導角色的中空通道。 方便地，執行於半導體基板內製造狹縫的額外步驟以便 使其內各光學元件呈適當的波動式對準。該狹縫係藉由利 - 1 8 -
I25|3^H 用微製造技術或是諸如雷射加工法之類 製造的。 有利地，該方法係包括在各中空通道 以折射率低於該波導核心在操作波長能 料層的額外步驟。 根據本發明的第六槪念，一種用以形 方法係包括：（a )採用其內形成有一個 通道以及至少一個狹縫以便依對準方式 半導體基板的步驟；以及（b )將一光學 狹縫內的步驟，因此將一光學元件引進 步驟也會扮演著用以使該光學元件對準 根據本發明的第七槪念，設置一適合 成圖案的母模，其中該母模係包括適合 體材料，以便於可形變材料內形成至少 以及至少一個對準狹縫，其中該至少一 方式是使之可依對準方式收納一光學元 替代地，可於半導體材料內形成一種 模的母模。然後使用該子模以便於可形 要的圖案以定義出一種PLC。也能夠以 具以便於彈性層內形成所需要的圖案。 根據本發明的第八槪念，一種用以形 方法係包括·（ a )使用根據本發明第七 可形變材料內形成一永久圖案的步驟； 個光學兀件引進該可形變材料內所形成 的精密工程技術而 的內部表面上塗覆 帶內之折射率的材 成光子式光回路的 或更多個中空波導 收納一光學元件的 元件引進該少一個 該少一個狹縫內的 的角色。 在可形變材料內形 製作成圖案的半導 一個中空波導通道 個對準狹縫的配置 件。 允許於其內製作子 變材料內形成所需 母模或子模當作模 成光子式光回路的 槪念的母模以便於 以及（b )將至少一 之至少一個對準狹 - 19 -
縫內的步驟。 如上所述的一種光子式光回路裝置係包括一半導體基板 ’其中係於該半導體基板內形成有一個或更多個空心光學 波導。 現在吾人將僅藉由實例並參照各附圖對本發明說明如下 (四）實施方式 參照第1 a、b圖，其中顯示的是一種典型的習知砂光學 工作臺裝置。 第la圖顯示的是一種含有一微製造式中空通道4及一 對焊料連接器6的砂光學工作臺2。該矽光學工作臺2係 建造成可支持一雷射8及一矽土光纖電纜1〇。 第1 b圖顯示的是裝設於該矽光學工作臺2上的矽土光 纖電纜10及雷射二極體8。該中空通道4係在足夠高的 精確度下形成的，使得來自雷射8的光學輸出會與該矽土 光纖電纜1 0的端點精確地對準。各焊料連接器6會提供 電氣連接結構並使雷射8附著於基板上。 爲了使來自每一個矽土波導端點的不必要反射作用最小 化而設置一抗反射塗層（未標示）。替代地，可使用呈折射 率吻合的矽土波導（例如使用呈折射率吻合的凝膠）並將之 直接連接到一個光學元件上。對抗反射塗層及折射率吻合 狀態的需求會增加整體裝置的成本，且會使製程變得更複 雜且更耗時。 雖則爲求簡化而於第1 圖中顯示了一單一光纖電纜 - 20-
125 3_19 (亦即砂土光纖電纜1 Ο )及一光學元件（亦即雷射8 )，然而 熟悉習知設計的人應該知道可利用相同的原理製造出複雜 的多元件光子式回路。可將很多光學元件定位在該矽光學 工作臺上，且能夠利用各種長度的矽土光纖電纜在各元件 之間建立光學聯結。各光學元件可能包含例如光學調制器 、分光器、合光器及偵測器等。 參照第2圖，其中顯示的是一種用以當作部分矽光學工 作臺的習知積體式光學波導。 將一低折射率矽土層20沈積於矽光學工作臺基板22上 。將一高折射率已攙雜矽土層形成於該矽土層2 0上，並 藉由將部分的高折射率已攙雜矽土層蝕刻掉而形成一高折 射率波導核心24。以由低折射率矽土構成的頂蓋層26覆 蓋住該高折射率波導核心24。 該高折射率波導核心2 4係扮演著光學波導的角色，且 較之該外包層其核心的高折射率會藉由全內反射而提供光 引導作用。這提供了一種與該矽光學工作臺合倂而不只是 與之保持連接的光學波導。因此實心的積體式光學波導是 一種將光纖裝設於一矽光學工作臺之凹槽內的已知替代實 例。不過，使用積體式光學波導並未減小對使各波導之折 射率吻合各光學元件之折射率或是提供抗反射塗層的需求 。在矽基板上沈積額外材料層也會增加光子式回路製程的 複雜度。 參照第3 a、b圖，其中顯示的是一種用以形成本發明裝 置上之一部分的空心波導型光子式回路（PLC) 40 ;第3a圖 - 2 1 - 125
係用以顯示該PLC的透視圖，而第3b圖係沿著第3 a圖中 標示爲「A」的虛線擷取用以顯示該PLC的截面圖示。 該空心波導型PLC 40係包括：一矽基底42 ;以及一矽 頂蓋44。雷射8係附著於該矽基底42上且於其內呈對準 。使由雷射8放射出的光耦入到由矽基底4 2和矽頂蓋4 4 構成的單模空心波導46上。換句話說，係將各空心波導 直接形成於用以製造出該PLC基底和頂蓋的矽內。爲求簡 化圖中並未顯示該雷射8上的電氣連接結構，因爲熟悉習 知設計的人應該知道可依各種方式製作出各種電氣連接結 構，例如利用基底42內的二極體絕緣作用追縱其施行方 式。 從第3 a、b圖可以看出該單模式空心波導46具有矩形 截面。使用具有實質上相等之深度及寬度的矩形波導（此 中矩形一詞將包含方形）會減低其偏極性相關的耗損這可 在很多無線電通信應用上提供有利的因子。 雖則圖中顯示的是矩形波導’然而吾人可依需求塑造其 波導截面。例如’可利用適當的鈾刻技術於該矽基底內形 成呈圓形或拋物線形截面或是v -形的波導。也可於該矽 頂蓋4 4內形成中空的波導結構。不過’這需要令基底和 頂蓋同時接受圖案製作且同時意指該頂蓋和基底必須是精 確地對準。可選擇該空心波導的尺度以便依需求支援基礎 模或是多模傳播作業’其細節則說明如下。 在參照第3 a、b圖加以說明的實例中，係以矽形成該PLC 因爲可藉由熟悉習知設計的人所熟知型式的微製造技術進 - 22- 行齡刻而達到非常高的準確度。不過，熟悉習知設計的人 應該知道可使用任意一種微製造式半導體材料以形成本發 明的PLC 。 雷射8指的是一種接合在矽基底4 2上的分開元件，換 句話說指的是一種混合式配置。熟悉習知設計的人也應該 知道可將雷射8接合在一頂蓋上或是在砍本身內製造出各 光學元件。雖則吾人只參照第3圖說明了雷射8，然而可 將很多光學元件定位或形成於該矽基底或頂蓋上及/或於 其上爲各光學元件進行對準。也可以使用形成於該頂蓋內 的各對準狹縫以便依對準方式收納各光學元件。因此這種 技術允許吾人製造出複雜的多元件式PLC。各光學元件可 能包含例如光學調制器、分光器、合光器、偵測器、光柵 、面鏡及GR I N (遞級拆射率）透鏡等。以下將要更詳細地 說明可形成於本發明之PLC內某些型式的光學元件實例。 爲了使穿透該空心波導46的光學透射率變得最大，係 於該空心波導46的內部表面上設置一金層。可例如利用 諸如濺蝕法或電鍍法之類的適用金屬沈積技術快速地達成 將一金屬沈積到該矽基底及頂蓋之上的目的。可在矽上留 下未用以形成部分中空光學波導的區域使之露出於該頂蓋 部分及/或基底部分上，且可經由一金-矽易熔性鍵結使 該頂蓋和基底接合在一起。也可以使用負載有銀的環氧樹 脂、焊料或聚合物黏著劑以接合該頂蓋和基底。該頂蓋可 能依需要只覆蓋了部分的基底。 可依熟悉習知設計的人所熟知的各種方式將該頂蓋接合
到頂蓋上。 金層4 8的存在會在該空心裝置內爲波長落在無線電通 信能帶之內的光（亦即波長爲1 . 5 5微米左右）提供AT I R作 用。在這類無線電波長上，金具有所需要之n< 1的折射率 性質。
雖則說明的是金層 4 8，然而熟悉習知設計的人應該知 道可將其折射率在波導之操作波長上低於空氣（或是槽內 所含的任何物質）的材料沈積於用以定義出該空心波導的 表面上。吾人可在諸如由倫敦之Academic Press於1998 年印行E.D. Palik所著的「光學常數手冊（TheHandbookof Optical Constants)」之類的各種出版品中找到不同材料 的折射率。金屬通常會跨越給定的波長範圍擁有低於空氣 的折射率，該特定波長範圍係取決於金屬的物理性質。
吾人應該注意的是雖則該金層4 8會提供AT I R作用，然 而爲提供 AT IR作用塗覆由低折射率材料構成的額外層並 非基礎作業。矽在波長爲0 . 5微米到3 0 0微米之間時具有 3 · 4左右的折射率，因此由未塗覆之矽構成的空心波導（ 亦即塡充有空氣）將無法於落在此等波長範圍內的光提供 AT IR作用。不過，未塗覆之矽仍然可藉由菲涅耳反射作 用提供光引導作業。利用菲涅耳反射作用進行光引導的空 心波導將會引進比提供T I R的波導更多的光學耗損，但是 在某些狀況下此等已增加位準的光學耗損是可接受的。 假如設置有反射性塗層，可對除了半導體之外的材料進 行微製造而形成該基板。例如，可藉由包含熱浮印法或是 -24- 125細!截 補无 射出成型法製造出塑膠波導裝置。該等技術涉及了母模形 成作業。可利用深式乾蝕刻法將該母模形成於諸如矽之類 的半導體材料內。替代地，可利用L I GA或UVL I GA技術藉 由對各層施行電極沈積作業而形成該母模。一旦形成了該 母模’可藉由壓印法（亦即擠壓法）或是熱壓印法將該空心 波導形成於塑膠基板內。也可以製造出一種適合形成可用 來將該空心波導形成於塑膠基板內之子模的母模。如是可 形成各中空塑膠波導並塗覆以反射性塗層。也可以由塑膠 或聚合物形成承載有反射性塗層的塑膠空心波導。例如， 可利用在一 「旋轉塗鍍式」聚合物塗層（例如可購自
Microchem公司型號爲SU8的產品）上施行光照法程序而 形成各空心波導。 雖則已參照第3a、b圖說明了一種簡單的PLC，然而熟 悉習知設計的人應該知道本發明可等效地應用在複雜的 PLC上。例如，可將複數個光學元件裝設於該PLC上並經 由自該PLC基板形成的空心波導加以聯結。這種PLC可形 成光學信號處理法及/或光學信號分路及分析系統的基礎 。一·些這類PLC的實例給定如下。 參照第4 a圖，係以平面圖示顯示出形成於矽基板6 2內 的空心波導結構6 0 a , 6 0 b，和6 0 c。設置各折角表面（例如 表面64)以引導光使之穿透90°角。 爲了使反射率上的相位微擾最小化，理想地各折角表面 6 4會需要一個已修飾成其平坦度比λ / 1 0更好或是更佳的 是其平坦度比λ / 2 0更好的表面。假如使用的波長爲1.5 -25- 125 微米，則會因此需要一個已修飾成其平坦度比丨5〇奈米更 好的表面。吾人能夠利用通常可提供3 〇到5 〇奈米之解析 度的微製造技術迅速地獲致此一位準的準確度。 因此該折角表面64會提供允許該中空波導上各區段相 互間以任意角度定向的面鏡。吾人不能透過這種銳角彎折 一光纖電纜。假如將要利用已知的S i OB技術製造出類似 的回路’則必需爲光纖上的兩個區段設置分開（呈良好對 準）的面鏡以便使光耦合於各光纖區段之間。如是，本發 明可提供比習知S i OB裝置更複雜且更輕巧的回路設計。 雖則第4 a圖中顯示的是一種單件式面鏡，然而熟悉習 知設計的人應該知道也能夠以一種混合配置提供相同的光 學功能。例如，可製造各對準狹縫以便依對準方式收納各 已拋光面鏡。該混合配置是很有用的，因爲這允許吾人使 用設計成具有最小偏極性依賴度的高品質光學面鏡，例如 這類面鏡可能承載有與偏極性無關的多重層塗覆。 已參照第 4 a圖加以說明的波導結構全部都是呈實質筆 直的且係藉由適當放置的面鏡而連接在一起的。不過，該 中空波導結構也可能是呈彎曲的。例如參照第4b圖’其 中顯示的是一種形成於矽基板6 2內的彎曲波導6 6。熟悉 習知設計的人應該知道可取決於其引導厚度得到最大的曲 率。 參照第5 a圖，其中顯示的是穿透具有如第4 a圖所示型 式之空心波導結構6 0的截面。該空心波導結構6 0係形成 於矽基板6 2內，同時裝置一可依上述方式附著於該基板 -26- 125
6 2上以提供所需要之空心波導的矽頂蓋部分6 8。 如第5 b圖所示，可在用以形成該中空核心6 9之每一個 器壁的內部表面上塗覆以一層例如銅、金或銀的材料層7 0 ，以經由T I R作用強化1 · 5 5微米輻射的反射率。 假如引導的是具有已知偏極性的線性偏極光，可提供一 種其中不同的內部表面具有不同的光學性質的空心波導以 便進一步減小各空心波導的相關光學耗損。 第6圖顯示的是將光從空氣中以8 6。的角度入射到表 肇 面上的菲涅耳反射係數表爲該表面對s -偏極光（R s )和p -偏極光（Rp )而言之折射率（η )及吸收率（k )之函數的曲線圖 。可以從第6圖看出，該菲涅耳反射係數係強烈地取決於 該偏極光。因此，假如將要由一矩形空心波導加以引導之 光的偏極化狀態是已知的，則可將一對用以形成該波導的 相對表面建造成具有低折射率以便使用於p _偏極光的反 射率，而可配置第二對相對表面以便使之具有高得多的折 射率而使s -偏極光的反射率變成最大。 β 可使用已參照第7 a〜d圖加以說明的數種技術以形成其 中不同的內部表面具有不同光學性質的波導。 第7 a圖顯示的是一種於SO I晶圓80內利用矽在絕緣體 上（SOI)技術進行製造而形成的中空波導。該晶圓8〇係包 括的絕緣層8 2係由承載於基板8 4上之二氧化砂材料構成 的且含有落在其上的矽層8 6。向下蝕刻矽層8 6達絕緣層 8 2以形成所需要的通道8 8。同時設置一由二氧化矽材料 形成的頂蓋部分9 0。 - 27- · d.，t ίΙ*¥*β"Ι>**1Ι™*"ί>ΙΙ>> I25^^9m 如是形成的空心波導係含有由矽構成的第一表面9 2和 第二表面9 4以及由二氧化矽構成的第三表面9 6和第四表 面9 8。矽的折射率爲3 · 5左右而二氧化矽的折射率則爲1 . 5 左右。因此，當沿著波導朝y -方向傳播的光係沿z -方向 受到偏極化時可減小波導內的光學耗損，亦即存在有發生 在第一表面92和第二表面94上反射率Rs以及來自第三 表面96和第四表面98的反射率Rp。 參照第7b圖’其中顯示的是一種形成於矽基板102內 且含有頂蓋部分1 0 3的空心波導1 〇 〇。上壁1 〇 4 (亦即由頂 蓋部分103定義出的器壁）和下壁1〇6係塗覆有第一材料 而側壁1 0 8和1 1 0則塗覆有第二材料。選擇該第一和第二 材料使之分別具有低和高折射率，以便使沿著波導朝y _ 方向傳播而沿z -方向受到偏極化之光學耗損最小化。 雖則第7 b圖中顯不的是將塗層塗覆於波導的全部四個 器壁上，然而吾人應該鑑賞的是可依需要只在單一器壁或 是一封相封的器壁上進彳了塗覆。換句話說，可使一個或更 多個器壁保持是未塗覆的且因此具有用來形成該基板之半 導體材料的光學性質。 此外’可將實體結構形成於矽內以便依需要強化具有給 疋偏極性之光的反射率。第7 c圖顯示的是如何將一空心 波導形成於包括有校準側壁結構1 2 2的矽基板內。此例中 ’該校準側壁結構將會強化其反射率。雖則圖中顯示的是 的彳父準結構係於其中空部分內塡充有空氣，然而也能夠由 另一種材料（亦即液體或氣體）取代空氣以強化其反射率。 -28- 125!卿\修正 .· 'a &補充 也可藉由控制波導核心的形狀進一步減小各空心波導的 相關光學耗損。例如，其波導核心愈寬則其相關光學耗損 愈低。第7d圖顯示的是一種形成於矽層130內且含有矽 頂蓋部分1 3 4之矩形截面的波導1 3 2。該波導1 3 2之中空 核心的寬度「a」係小於其深度「b」。如是沿z -方向受 到偏極化且沿著波導1 3 2傳播的光會比假如係透過深度爲 厂a」之波導進行傳播時經驗到更低的耗損。 吾人應該進一步注意到的是可將各結構形成於光只會沿 φ 著某一平面受到引導的PLC內，例如其配置方式是使之沿 著一垂直軸進行自由空間的傳播但是在水平軸上進行波導 作業。此例中，各波導指的是平面波導亦即它們只會沿著 某一平面受到引導。可在需要沿著某一維度擴張射束處使 用平面波導而藉由沿著第二維度進行引導以限制其射束寬 度。假如只需要在水平平面內進行引導則不需要頂蓋部分 。也能夠在該波導的頂蓋與地板之間而不是沿著橫軸方向 進行光的引導得到相反的狀況。 # 參照弟8a、b、c圖，其中顯不的是如何將各分光器及 偏光濾光片形成於一中空波導式PLC內。 第8 a圖顯示的是藉由將各中空波導結構形成於矽基板 1 6 0所製成的分光器。該分光器係包括：一輸入空心波導 162，一弟~^輸出空心波導164;以及一第二輸出空心波 導1 6 6。使透過該輸入空心波導} 6 2進行傳播的光從一矽 薄壁1 6 8局邰地反射到該第一輸出空心波導1 6 4內且局部 地透射並耦合於該第二輸出空心波導1 6 6上。 -29-
該輸入空心波導1 6 2與第一輸出空心波導1 6 4之間的角 度（0 )定出了光在矽薄壁1 6 8 -上的入射角。如第8 c圖所 示’矽的反射率性質係取決於入射角以及入射光的偏極化 狀態。如是可藉由製造具有某一角度（0 )的裝置選擇從該 feu入空心波導1 6 2親入到該第一輸出空心波導1 6 4和第二 輸出空心波導1 6 6內之功率的相對比例。
此外如第8b圖所示，可藉由將角度0配置成等於 Brewster角製成一種偏光式分光器。此例中，一個等於 74 的Θ角會造成可經由該第一輸出空心波導164從該裝 置分出沿z -方向受到偏極化的光，而經由該第二輸出空 心波導1 6 6從該裝置分出沿X -方向受到偏極化的光。 可在具有已參照第8a和8b圖加以說明之型式的裝置內 形成一校準濾光片以取代矽薄壁1 6 8。這提供了一種對不 同波長的光而言具有不同反射性質的光學元件，且因此可 將該裝置當作一種分光式濾光片加以操作。
雖則已說明了一種單件式分光器以及Brews ter板，然 而熟悉習知設計的人應該知道可利用一種混合配置施行類 似的光學功能。可將各對準狹縫形成於基板內以收納必要 的光學元件。 參照第9 a、b圖，吾人可以看出何以也能夠形成矽材料 構成的基板以提供聚光功能。 第9 a圖顯示的是一種已於其內形成有矽透鏡結構1 9 2 及空心波導1 9 4的矽基板1 9 0。該矽透鏡結構將會扮演著 透鏡的角色使沿著該空心波導1 9 4受到引導的光聚焦到點 -30-
1 9 8上。例如，可以使用這種透鏡使光聚焦到一偵測器元 件上。 如第9b圖所示，也可將一塑形矽反射器200形成於矽 基板內以便依光學方式聯結各空心波導。該反射器200會 執行透過某一角度（此例中爲9 0 ° )使光從第一空心波導 204分到第二空心波導206同時對光線208進行聚焦的功 能。再次以各種不同的方法將這種元件用在PLC內，且這 非常容易施行因爲不需要抗反射塗層。 雖則具有此中說明之型式的PLC可能包括一完整的光學 回路，然而也必需經由光纖使光耦入或耦出一 PLC。 第10圖顯示的是一種形成於矽基板220內且其配置方 式是用以接收來自第一輸入光纖222之光的PLC。輸入光 纖22 2具有一中空核心且係利用一輸入球形透鏡226使來 自其中空核心的光耦入到輸入空心波導2 2 4上。沿著該輸 入空心波導224傳播的光係被引到一校準結構228上。該 校準結構2 2 8會取決於其光譜特徵分光方式進行濾光使之 進到第一輸出空心波導2 3 0或第二輸出空心波導2 3 2內。 使透過該第一輸出空心波導2 3 0而傳播的光經由球形透鏡 236耦合於第一輸出光纖234上，並使透過該第二輸出空 心波導23 2而傳播的光經由球形透240耦合於第二輸出光 纖2 3 8上。再次可使用一種混合式校準濾光片以取代如圖 所示的單件式結構。 雖則第1 0圖顯示的是球形透鏡，然而可替代地使用諸 如GR I N桿狀透鏡之類的其他透鏡。也可依需要將該校準 -31 - 結構2 2 8取代爲分光器或B r e w s t e i•板。該光纖可依需要 而爲早模或是多模光纖。 一種SO I技術係特別適合用來形成其上耦合有光纖的 PLC。這是因爲標準的SOI晶圓係包括一可於製造程序期 間非常準確地定義出其厚度的矽層。在S〇 I晶圓之矽層內 製造中空波導結構的製程中，只要關心的是蝕刻程序則該 矽土絕緣層會扮演著垂直「光欄」的角色。如是該SO I技 術可準確地提供次微米的通道深度。 應該將SO I蝕刻法的準確度與純矽內通道蝕刻法中相當 於其蝕刻深度之數個百分比左右的準確度作對照。在純矽 晶圓內蝕刻通道以取出光纖（剝除情況下其包層直徑爲 125.0微米）會在其鈾刻通道的深度內產生3.0到4.0微 米的不準度。因爲通常一光纖核心的直徑只有10 . 0微米 ，可證明這種量値的垂直失準在使光纖來/回耦合到其他 光學元件（例如半導體雷射）上時具有決定性。因此，以SO I 爲基礎的製程分路具有對準及波導截面準確度上的優點而 能減低其偏極性相關的耗損。 如上所述，本發明的PLC可能包括允許進行單模或多模 傳播的空心波導。在某些狀況下，這可能必需改變空心波 導的尺度’例如爲了使光有效率地耦1入或_禹出不同的光學 元件。 參照第丨丨a圖，其中顯示的是一種形成於矽基板2 6 2內 的空心波導結構2 6 0。一寬（1 2 5微米）直徑輸出波導2 6 4 係依光學方式經由一截角波導部分2 6 8聯結到一窄（62 · 5 -32 - 補充：
— ______I 微米）直徑輸入波導266上。該截角部分的長度爲1.875 毫米。 第lib圖顯示的是光傳播在輸出波導264內由輸入波導 26 6內之基礎模輸入光束造成的強度場。如第n ^圖所示 ，該輸出波導2 64內的輸出光係優勢地以基礎模進行傳播 。換句話說，該已截角波導會允許光束尺寸的擴張而確保 bS使絕大部分輸出光束的功率親入該基礎模內。 本發明的PLC也可能包括形成於基板內的空心多模干涉 (MMI)裝置。一種分光式及合光式MMI裝置的實例可參見 美國專利第U S 5 4 1 0 6 2 5號文件中的說明。對美國專利第 US5410625號文件中之基礎MMI裝置的變型及改良型式也 是吾人所熟知的。例如，美國專利第U S 5 3 7 9 3 5 4號文件中 說明了如何藉由改變其輸入引導位置得到多路分光器而提 供將輸入輻射分割成具有不同強度的輸出光束。美國專利 第US5675603號文件中證明可由MMI裝置形成雷射腔。也 可以使用MM I分光及合光裝置的各種組合以提供光學分路 功能，例如參見美國專利第US 542 8 6 98號文件。在所有上 述例子中，可將該MM I裝置製造成矽或任何其他適當半導 體材料內的空心波導並形成該PLC上的積體部位。 該 MMI裝置可由形成於基板內其上耦合有輸入及輸出 單模光纖電纜的多模區域製造成。依這種方式可獲致分光 /合光作用，其中各分離光束都是輸入光的影像。 一種適合包含於本發明之PLC內具有特定型式的 MMI 裝置指的是如第1 2 a、b、c圖所示同時待審之大英專利申 -33- 一 補无 請案第GB2 00 2 / 004 5 6 0號文件中所說的波長多工解訊器。 該多工解訊器3 00係形成於矽SOI基板3 02內且係包括 :〜輸入基礎模波導3 0 4 ; —中央多模區域3 0 6 ;以及四 個輸出波導3 0 8 a- 3 0 8b(合稱爲3 08 )。各波導之尺度及位 置的選擇方式（如同大英專利申請案第GB2 0 0 2 / 0 0 4 5 60號 文件中的說明）是使之能夠分離從輸入基礎模波導3 04進 入多模區域3 06的四個波長分量並依分開方式使之經由各 輸出波導3 0 δ而輸出。 同時也能夠形成各PLC裝置使吾人可依鄰近方式使光耦 合於各相鄰波導上。參照第1 3圖，係將第一空心波導3 4 0 、第二空心波導3 42和第三空心波導3 44形成於矽基板 346內且顯示其中含有一頂蓋部分347。矽壁348和350 的厚度「c」是足夠薄以便能夠將光·傳送到各相鄰波導上 。可以使用這種型式的鄰近耦合元件當作分光器，例如在 不需要將分光元件塞入光徑下接出很小百分比的傳播光束 〇 參照第1 4 a、b、c圖，該PLC可能同時包括有空心及實 心（例如「脊脈狀」）的矽波導。這使吾人能夠同時以空心 及實心技術實現各光學功能。 第14a圖顯示的是形成於s〇I基板上空心波導400與實 心波導4 0 2之間的布利斯特（B r e w s t e r )界面。第丨4 b圖顯 示的是空心波導4 0 0沿著B - B線段的截面圖示，而第1 4 c 圖顯示的是實心波導4 0 2沿著A - A線段的截面圖示。空心 波導4 0 0係終結於實心波導4 〇 2的折角界面4 0 4上。波導 125戸_ a 修正補充 40 0和402的配置方式是使其界面呈布利斯特角。這會在 空心波導與實心波導之間提供有效率的耦合作用。 參照第1 5圖，其中顯示了一空心波導4 5 0及一折角表 面4 5 2。該表面4 5 2係與基板平面夾了大槪4 5 °的角度以 致能從基板平面耦出光線4 5 4。可使用如第1 5圖所示的 配置令光線耦入或耦出落在不同於基板平面之垂直平面內 的其他回路或裝置上。依這種方式可製造出一種三維堆疊
式PLC (例如三維式光學開關）。 一種依單件方式製造這種面鏡的方法係在偏移了大約8 到 9 °之角度的[1 〇〇 ]矽材料上進行精密的離軸切割。熟 悉習知設計的人所熟知存在有無數種用以製造這種折角表 面的替代方法。也可以使用混合式面鏡配置。 參照第1 6圖，其中顯示的是一種適合結合於本發明PLC 內之空心光學波導上之波導長度相關光學透射率特徵的實 驗資料。
曲線5 0 0顯示的是一種空心波導之光學透射率的預測値 而點5 0 2 a - 5 0 2 c顯示的是其量測値，此空心波導光係形成 於矽基板內且含有寬度及深度都是5 0微米的方形內部核 心。曲線5 0 4顯示的是一種類似波導之光學性質的預測値 而點5 0 6 a - 5 0 6 c顯示的是其量測値，其中已在每一個內部 袠面上塗覆有銅塗層。 曲線5 0 8顯示的是一種空心波導之光學透射率的預測値 而點5 1 0 a - 5 1 0 c顯示的是其量測値，此空心波導光係形成 於矽基板內且含有寬度及深度都是1 2 5微米的方形內部核 -35- Ι25，Θ· 心。曲線5 1 2顯示的是一種類似波導之光學性質的預測値 ，其中已在每一個內部表面上塗覆有銅塗層。在如第16 圖所示的所有例子裡使用的都是波長1 . 5 5微米的輻射。 如是可以看出增加波導的尺度可減少其光學耗損而包含 反射性塗層（此例中爲銅層）則可更進一步減少其光學耗損 。不過，這也減小了所允許的角度對準容忍度。 參照第1 7 a、b圖，其中顯示的是各元件的角度對準效 應。 第17a圖顯示的是一種其內形成有第一中空波導602、 第二中空波導604和第三中空波導606的矽基板600。分 光元件608係位於對準狹縫610內。吾人可以看出該分光 元件6 0 8具有由該元件及狹縫製程容忍度定出的角度失準 量（3Θ)。 第1 7 b圖係用以顯示將耦入空心波導上各種模式內之功 率耦合效率表爲角度失準量0Θ)之函數的曲線圖。曲線 6 2 0顯示的是耦入其基礎模式的功率，而曲線6 2 2顯示的 是耦入其更高階模式的光學功率。 參照第1 8 a、b圖，其中顯示的是其橫向對準效應。 第1 8 a圖顯示的第一空心波導6 5 0係從第二空心波導 652橫向位移了 3ί 。第18b圖顯示的是表爲橫向位移函 數的功率耦合效率，其中曲線6 5 4顯示的是耦入其基礎模 式的功率，而曲線6 5 6顯示的是耦入其更局階模式的光學 功率。 可以從上述說明看出，假如適當地選擇各波導尺度及其 - 36 - 125 / 對準容忍度，則能夠透過由藉空心波導互連之各 的積體系統獲致基礎模式傳播作用。這對由用以 /耦出各單模光纖之元件構成的系統而言顯得特 因爲基礎波導模式上的功率量額顯示的是有多少 /耦出該單模光纖。確保各波導內的高效率的基 播作用可確保與單模光纖的基礎模式具有良好的 以及整體的抵塞入耗損。 換句話說，必需在波導寬度與角度及橫向的對 之間存在有替換作用以確保能夠達成有效率的基 播作用。可藉由使波導截面足夠大獲致較低的衰 因爲衰減係數是和波導寬度倒數有關的。使波導 更寬也會減緩其橫向的對準容忍度，但是可以看 其角度的對準容忍度。 參照第19圖，其中顯不的是一種用以確保可 狹縫內之各元件準確對準的技術。 矽基板7 0 0含有一形成於其內以支持光學元件 縫。藉由已知的微製造技術將數個彈簧夾（也稱 具）704形成於矽內。這些彈簧夾704會在位移 向作用力。依這種方式’可依對準方式使光學元 支持於狹縫內。
雖則第1 9圖顯示的是圍繞光學元件的彈簧夾 人也能夠擠壓該光學元件以抵住諸如狹縫側壁之 表面。熟悉習知設計的人應該鑑賞的是藉由移除 由氧化物構成之犧牲層所製成的彈簧或其他MEM 元件構件 使光耦入 別重要， 光會耦入 礎模式傳 耦合作用 準容忍度 礎模式傳 減係數， 寬度變得 出縮減了 使放置於 7 0 2的狹 作微型絞 時提供橫 件穩固地 ，然而吾 類的參考 矽晶圓內 器件會造 -37-
12529炉月i 成相當量額的咬邊現象。這種咬邊現象假如是和對準狹縫 有關的就不會有任何效應，且在其模式分布通常呈圓形或 橢圓形的矩形中空波導內會使傳播出現少許差異。
可使用本發明的PLC實現無數種不同的光學回路。少數 适類貫例包含干涉儀（例如麥克森或馬哈-任德）、光譜儀 、雷達及MEM裝置的讀取回路（諸如感知器或螺線管之類） 。也能用以實現無線電通信回路（路由器、多工器及多工 解訊器等）。雖則以上說明了各光學元件，然而沒有任何 理由說明何以該PLC不能替代或額外地包括各微波元件及 空心波導以引導微波輻射。因此可於單一回路內達成光學 -微波的整合。 (五）圖式簡說明
第1 a、b圖表示的是一種包括複數個光學元件的習知 Si 0B;其中第la圖係表示含有一微製造式中空通道及一 對焊料連接器的矽光學工作臺；第1 b圖係表示裝設於該 矽光學工作臺上的矽土光纖電纜及雷射二極體。 第2圖係表示一某些習知S i 0B內用到的積體式實心波 導。 第3a、b圖表示的是一種根據本發明之PLC上的一部分 ;其中第3 a圖係用以表示該PLC的透視圖；第3 b圖係沿 著第3 a圖中標示爲「A」的虛線擷取用以表示該PLC的截 面圖。 第4 a、b圖表示的是數個根據本發明的空心波導；其中 第 4 a圖係以平面圖示表示出形成於矽基板內的空心波導 125:明9日 修正 ，. 補充 結構；第4 b圖係表示一形成於矽基板內的彎曲波導。 第5 a、b圖係用以表示各種空心波導的截面圖示；其中 第5 a圖係表示穿透具有如第4 a圖所示型式之空心波導結 構的截面；第5 b圖係表示可在用以形成該中空核心之每 一'個益壁的內部表面上塗覆一層材料層。 弟6 Η係表不的是塗覆有銅的表面上如s—偏極光及p-偏極光的菲淫耳（F r e s n e 1 )反射率係數。 第7a、b、c及d圖表示的是另外四個空心波導。 φ 弟8a圖係表不一空心分光器。 弟8b圖係表不一卜司特（Brewster)板。 第8c圖係表示矽上表爲s·偏極光及p_偏極光之入射角 函數的反射率。 第9 a圖係表示一製造於砂基板內的單件式透鏡，第9 b 圖係表示一聚焦用面鏡。
第1 0圖係表示一用以將光耦入及耦出光纖電纜的PLC 第1 1 a、b、c圖顯示的是一種形成於矽基板內的一種截 角式波導；其中第1 1 a圖係表示一形成於砂基板內的空心 波導結構；第1 1 b圖係表示光傳播在輸出波導內由輸入波 導內之基礎模輸入光束造成的強度場；第1 1 c圖係表示該 輸出波導內的輸出光係優勢地以基礎模進行傳播。 第1 2 a、b、c圖顯示的是一種形成於矽基板內的空心波 長倍減器；其中第1 2 a圖係表示一形成於矽基板內的空心 波長多工解訊器；第12b圖係表示第12a圖之多工解訊器 -39- -^™_—」 的瓌狀區域放大圖；第1 2 c圖係表示沿著線A - A的第1 2 a 圖之截面圖。 第1 3圖係表不一空心鄰近去耦器。 第1 4 a、b、c圖顯示的是一種同時含有空心及實心波導 的PLC ;其中第14a圖係表示形成於SOI基板上空心波導 與實心波導之間的布利斯特界面；第1 4b圖係表示空心波 導沿著B - B線段的截面圖示；第1 4 c圖係表示實心波導沿 著A - A線段的截面圖示。 第1 5圖係表示一含有呈彎折以使光從基板平面耦出之 鏡面表面的PLC。 第16圖係表示根據本發明之PLC內所用空心波導上的 該光學耗損。 第1 7 a、b圖顯示的是一種角度失準效應；其中第1 7 a 圖係表示其內形成有第一中空波導、第二中空波導和第三 中空波導的矽基板；第1 7 b圖係表示將耦入空心波導上各 種模式內之功率耦合效率表爲角度失準量之函數的曲線圖 〇 第1 8 a、b圖顯示的是一種橫向失準效應；其中第1 8 a 圖係表示第一空心波導從第二空心波導橫向位移；第1 8b 圖係表示表爲橫向位移函數的功率耦合效率。 第19圖係表示一用以依對準方式將元件支持於對準狹 縫內的裝置。 元件符號說明 -40- 2 石夕光 4 微製 6 焊料 8 雷射 10 矽土 20 低折 22 矽光 24 局折 26 頂蓋 40 空心 42 矽基 44 矽頂 46 單模 48 金層 6 0 a - c 空心 62 石夕基 64 折角 66 彎曲 68 矽頂 69 中空 70 材料 80 矽在 82 絕緣 84 基板 學工作臺 造式中空通道 連接器 二極體 光纖電纜 射率砍土層 學工作臺基板 射率波導核心 層 波導型光子式光回路 底 蓋 空心波導 波導結構 板 表面 波導 蓋部分 核心 層 絕緣體上晶圓 層
-41- 125?
8 6 砂層 88 通道 90 92 94 96 98 100 102 103 104 106 108,110 122 130 132 134 160 162 164 166 168 190
頂蓋部分 第一表面 第二表面 弟二表面 第四表面 中空波導 矽基板 頂蓋部分 頂蓋部分的上壁 頂蓋部分的下壁 頂蓋部分的側壁 校準側壁結構 矽層
矩形截面波導 矽頂蓋部分 矽基板 輸入空心波導 第一輸出空心波導 第二輸出空心波導 矽薄壁 矽基板 矽透鏡結構 192 1252 戰 t 194 空心波導 196 光線 198 聚焦點 200 塑形矽反射器 202 矽基板 204 第一空心波導 206 第二空心波導 208 光線 220 矽基板 222 第一輸入光纖 224 輸入空心波導 226 輸入球形透鏡 228 校準結構 230 第一輸出空心波導 232 第二輸出空心波導 234 第一輸出光纖 236 球形透鏡 238 第二輸出光纖 240 球形透鏡 260 空心波導結構 262 矽基板 264 寬直徑輸出波導 266 窄直徑輸入波導 268 截角波導部分 I25^l 300 多工解訊器 302 矽-矽在絕緣體 304 輸入基礎模波導 306 中央多模區域 3 0 8 a - d 輸出波導 340 第一空心波導 342 第二空心波導 344 第三空心波導 346 矽基板 347 頂蓋部分 348，350 石夕壁 400 空心波導 402 實心波導 404 折角界面 450 空心波導 452 折角表面 454 光線 600 矽基板 602 第一中空波導 604 第二中空波導 606 第三中空波導 608 分光元件 610 對準狹縫 650 第一空心波導
-44- 1252娜月19日 補无 6 5 2 第二空心波導 7 00 矽基板 7 0 2 光學元件 7 0 4 彈賛夾
-45-

Claims (1)

1252娜月 19口修正1 I 十、申請專利範圍： 專利案 第9 2 1 0 1 80 9號「光學回路製造方法及裝置」 (2 0 0 5年1 2月修正） 1.一種光子式光回路裝置，其包括一半導體基板及兩個或 更多個光學兀件，其中將一個或更多個空心光學波導形 成於該半導體基板內’以便使該兩個或更多個光學元件 形成光學聯結。 2 ·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該半導體基板係包 參 括一個或更多個對準狹縫，而每一個對準狹縫作成依對 準方式收納一光學元件。 3.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該兩個或更多個光 學元件中的二個或更多個光學元件係由該半導體基板的 材料形成的。 4 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該半導體基板係包 括砂。 5 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該半導體基板係包 · 括矽在絕緣體上（SO I )的晶圓。 6 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該半導體基板會形 成S亥先子式光回路裝置的基底部分且會額外設置一 丁苜蓋 部分以形成該一個或更多個空心光學波導。 7 .如申請專利範圍第5項之裝置，其中係將一個或更多個 光學元件附著於該頂蓋部分上。 8 ·如申請專利範圍第6項之裝置，其中該頂蓋部分係包括 半導體材料。
9 .如申請專利範圍第8項之裝置，其中該頂蓋部分的半導 體材料是矽。 1 〇 ·如申請專利範圍第8項之裝置，其中係將該一個或更多 個光學元件形成於該頂蓋部分的半導體材料內。 1 1 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該一個或多個空心 光學波導中至少有某些內部表面係承載有反射性塗層。 1 2 ·如申請專利範圍第6項之裝置’其中該一個或多個空心 光學波導中至少有某些內部表面係承載有反射性塗層。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之裝置，其中該反射性塗層包 括一個或更多個材料層以提供一表面，其具備有效折射 率低於落在操作波長能帶內之波導核心的有效折射率。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項之裝置，其中該反射性塗層包 括一個或更多個材料層以提供一表面，其具備有效折射 率低於落在操作波長能帶內之波導核心的有效折射率。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項之裝置，其中該反射性塗層包 括至少一層由金、銀或銅中任意一種材料形成的材料層 〇 1 6 ·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該反射性塗層包 括至少一層由金、銀或銅中任意一種材料形成的材料層 〇 i 7 .如申請專利範圍第1 3項之裝置，其中該反射性塗層包 括至少一介電材料層。 i 8 •如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該反射性塗層包 括至少一介電材料層。 -2 - I252‘,V9曰繁 補无 1 9 .如申請專利範圍第1 3項之裝置，其中該反射性塗層包 括至少一矽碳化物層。 2 0 ·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該反射性塗層包 括至少一矽碳化物層。 2 1 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該一個或更多個空 心光學波導之至少一個支援基礎模式傳播。 22. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該一個或更多個空 心光學波導之至少一個支援基礎模式傳播。 23. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該一個或更多個空 心光學波導之至少一個支援多模式傳播。 24. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該一個或更多個空 心光學波導之至少一個支援多模式傳播。 2 5 ·如申請專利範圍第2 3項之裝置，其中該多模區域長度 爲可發生重新造影。 2 6 .如申請專利範圍第 2 4項之裝置，其中該多模區域長度 爲可發生重新造影。 27 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該一個或更多個空 心光學波導之至少一個係具有實質上呈矩形的內部截面 〇 28.如申請專利範圍第6項之裝置’其中該一個或更多個空 心光學波導之至少一個係具有實質上呈矩形的內部截面 29 .如申請專利範圍第27項之裝置’其中該一個或更多個 空心光學波導之至少一個係具有實質上呈方形的內部截 # 修正！ _ “補充丨 面。 30.如申請專利範圍第28項之裝置，其中該一個或更多個 空心光學波導之至少一個係具有實質上呈方形的內部截 面。 3 1 ·如申請專利範圍第2 7項之裝置，其中該矩形空心光學 波導具有一平行於第一波導壁的第一截面尺寸以及正交 於該第一截面尺寸的第二截面尺寸，其中該第一截面尺 寸會比第二截面尺寸還大了至少1 0%。 3 2 .如申請專利範圍第2 8項之裝置，其中該矩形空心光學 波導具有一平行於第一波導壁的第一截面尺寸以及正交 於該第一截面尺寸的第二截面尺寸，其中該第一截面尺 寸會比第二截面尺寸還大了至少10%。 33 ·如申請專利範圍第29項之裝置，其中該矩形空心光學 波導具有一平行於第一波導壁的第一截面尺寸以及正交 於該第一截面尺寸的第二截面尺寸，其中該第一截面尺 寸會比第二截面尺寸還大了至少10%。 34 .如申請專利範圍第27項之裝置，其中用以定義出該至 少一個矩形內部截面之空心光學波導的各表面的折射率 係實質上相等。 35 ·如申請專利範圍第27項之裝置，其中形成該矩形內部 截面之空心光學波導的各相對表面係具有實質上相等的 有效折射率，且形成該矩形內部截面之空心光學波導的 各相鄰表面係具有不同的有效折射率。 3 6 .如申請專利範圍第2 8項之裝置，其中形成該矩形內部 -4- 1252擎月19日修！ 補无 截面之空心光學波導的各相對表面係具有實質上相等的 有效折射率，且形成該矩形內部截面之空心光學波導的 各相鄰表面係具有不同的有效折射率。 3 7 ·如申請專利範圍第2 7項之裝置’其中該矩形內部截面 之空心光學波導的一對相對表面係承載有一高折射率塗 層。 3 8 .如申請專利範圍第 2 8項之裝置，其中該矩形內部截面 之空心光學波導的一對相對表面係承載有一高折射率塗 層。 3 9 ·如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 係由落在0 . 1微米到20微米波長範圍內之輻射加以操 作。 4 0 ·如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 係由落在3微米到5微米波長範圍內之輻射加以操作。
4 1 .如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 係由落在8微米到1 2微米波長範圍內之輻射加以操作 4 2 .如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其係 由落在1 . 4微米到1 . 6微米波長範圍內之輻射加以操作 4 3 .如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 該半導體基板包括至少一個對準狹縫，其配置成用以接 納一光纖電纜並使該光纖電纜與該半導體基板上的一個 或更多個空心光學波導之一形成光學耦合。 I25|w|| 4 4 .如申請專利範圍第4 3項之裝置，其中在該對準狹縫的 鄰近處額外地設置一模式匹配裝置，以允許在該光纖的 各模式與具有不同核心直徑之空心光學波導上的類似模 式之間形成耦合。 4 5 .如申請專利範圍第4 4項之裝置，其中該模式匹配裝置 是G R I N或球形透鏡中的任意一種透鏡。 4 6 .如申請專利範圍第4 3項之裝置，其中該對準狹縫的配 置成用以接納一空心光纖。 4 7 .如申請專利範圍第44項之裝置，其中該對準狹縫的配 置成用以接納一空心光纖。 4 8 ·如申請專利範圍第4 3項之裝置，其中該對準狹縫的配 置成用以接納一含透鏡的光纖（lensed optical fibre) ο 4 9 .如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 至少該二個或更多個光學元件之一包括一微電機（MEMS) 裝置。 5 0 ·如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 至少該一個或更多個光學兀件之一包括一含有呈彎折以 引導光從半導體基板平面射出的鏡面表面。 5 1 .如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 進一步包括至少一個微波元件。 5 2 ·如申請專利範圍第1至3 8項中任意一項之裝置，其中 該半導體基板額外地包括一空心微波波導。 5 3 . —種光子式光回路用基底部分，其包括一半導體基板於
其內形成有一個或更多個中空通道，其中該基底部分係 配置成當與適當的頂蓋部分結合時形成至少一個空心光 學波導。 5 4 ·如申請專利範圍第5 3項之光子式光回路用基底部分， 其中至少一個狹縫形成於該基底部分之半導體基板內用 以對準方式接納一光學元件。 55. —種光子式光回路用基底部分，其包括一半導體基板， 在該半導體基板內形成有一個或更多個中空通道以及至 少~^個狹縫用以對準方式接納一'光學兀件。 5 6 ·〜種光子式光回路之製造方法，其包括採用如申請專利 範圍第5 3到5 5項中任意一項之基底部分並於其上附著 〜頂蓋部分的步驟。 57·〜種光子式光回路之製造方法，其包括在一半導體基板 內進行微製造以形成一個或更多個適合用作空心光學波 導之中空通道的步驟。 58 ·如申請專利範圍第57項之製造方法，其中包括在該半 導體基板內製造各狹縫，用於被動對準其內各光學元件 的額外步驟。 5 9 ·如申請專利範圍第5 7或5 8項之製造方法，其中包括在 中空通道之各內部表面塗覆有折射率係低於在操作波長 哇帶內之波導核心折射率之材料層的額外步驟。 6 Q · —種光子式光回路之形成方法，其包括下列步驟： U)採用一半導體基板，於內形成有至少一個或更多個 中空光學波導以及至少一個用以接納一光學元件的 修正 Μ 12529W ^ 狹縫；以及 (b )將一光學元件引進入該至少一個狹縫’ 藉此將該光學元件弓丨進入該至少一個狹縫內的步驟 也扮演著對準該光學元1件的角色°
61·—種適合在一層可形變材料內形成圖案的母模，其中該 母模包括半導體材料，適合製作成圖案以便於可形變材 料內形成至少一個中空波導通道以及至少一個對準狹縫 ，其中該至少一個對準狹縫的配置成可以對準方式收納 一光學元件。 6 2 · —種形成光子式光回路之方法，其包括下列步驟： (a )使用如申請專利範圍第6 1項之母模，以便於可形變 材料內永久地形成一圖案； (b )將該至少一個光學元件引進入形成於該可形變材料 內的至少一個對準狹縫。 W 12獅爾 陸、(一)、本案指定代表圖爲:第_JLQ_匱 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明: 8 雷 射 二 極 體 42 矽 基 底 44 矽 頂 蓋 220 矽 基 板 222 第 —· 輸 入 光 纖 224 輸 入 空 心 波 導 226 輸 入 球 形 透 鏡 228 校 準 結 構 230 第 一 輸 出 空 心 波 導 232 第 二 輸 出 空 心 波 導 234 第 — 輸 出 光 纖 236 球 形 透 鏡 238 第 二 輸 出 光 纖 240 球 形 透 鏡 608 分 光 元 件 、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式:: -4-
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