DE69627086T2 - Wellenlängenselektive Bauteile mit SOI-Halbleiter - Google Patents

Wellenlängenselektive Bauteile mit SOI-Halbleiter Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die zum Filtern und Detektieren optischer Kommunikationssignale bei spezifischen Wellenlängen verwendet werden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In der gleichen Weise, in der verschiedene Trägerfrequenzen zur Bereitstellung vieler Radiokommunikationskanäle über die gleichen Luftwege verwendet werden, können verschiedene Lichtwellenlängen ebenfalls verschiedene Kanäle über die gleiche optische Faser führen. Unglücklicherweise gibt es in optischen Systemen kein einfaches analoges Bauelement, das analog zu dem abgestimmten elektronischen Schaltkreis zur Kanalauswahl ist. Die zur Verfügung stehenden optischen Bauelemente sind kostenaufwendig in der Herstellung, tendieren dazu, teure Materialien zu verwenden und es mangelt ihnen häufig an Leistungsfähigkeit.
  • In Wellenleiterstrukturen werden frequenzselektive Elemente üblicherweise unter Verwendung einer bestimmten Form integrierter Beugungsgitter hergestellt. Derartige Elemente sind im Allgemeinen ziemlich groß und schwierig herzustellen. Häufig werden Gitter unter Verwendung von Elektronenstrahl- oder holographischer Lithographie entlang der Länge eines Wellenleiters hergestellt. Ein einzelnes Gitter wirkt als Bandstoppfilter, das ein Band von Wellenlängen reflektiert, die zu dem Gitterabstand passen, und den Rest transmittiert (z. B. US-Patent 5 416 866 von Sahlen et al.). Ein schmales Bandpassfilter kann unter Verwendung von zwei derartigen Filtern aufgebaut werden, die um eine ganzzahlige Anzahl von Halbwellen verschoben sind. Ein derartiges Filter wirft ein relativ breites Band zurück, in dem jedes der Gitter reflektiert, und transmittiert ein schmales Band, das dem Abstand zwischen den zwei Gitterspiegeln entspricht. Da die Gitterperiode in der Größenordnung der optischen Wellenlänge in dem Material liegen muss, erfordert die Herstellung derartiger Bauelemente eine komplexe Submikrometer-Lithographie.
  • Planare Wellenleiterstrukturen wurden ebenfalls für eine Wellenlängenselektion verwendet. In diesen Bauelementen wandert das Licht entlang einer zweidimensionalen Oberfläche und spezielle Wellenlängen werden unter verschiedenen Winkeln gebeugt. Die üblichsten Ausführungsformen erfordern entweder ein lithographisches Gitter in einer Rowland-Kreis-Konfiguration ("Monolithic InP/InGaAsP/InP grating spectrometer for the 1.48–1.56 mm wavelength range", Applied Physics Letters, Bd. 58, Seiten 1949 bis 1951, 1991) oder ein phasengesteuertes Wellenleiterfeld ("Integrated optics NxN multiplexer on silicon", C. Dragone et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 3, Seiten 396 bis 399, 1991). Im Vergleich zu Einzelelementgittern können diese Bauelemente eine Anzahl von Wellenlängen gleichzeitig filtern, sie belegen jedoch eine große rechteckige Fläche und erfordern außerdem eine Präzisionslithographie.
  • Eine grundlegend andere Filterart beruht auf einer wellenlängensensitiven Kopplung zwischen zwei Wellenleitern. In einem Richtungskoppler werden zwei Wellenleiter dicht beieinander erzeugt, um eine gedämpfte Feldkopplung zwischen den zwei Leitern zu ermöglichen. Wenn die Wellenleiter ähnlich sind, dann weist jede Lichtwellenlänge in beiden Wellenleitern die gleiche Ausbreitungskonstante auf, und Licht wird von einem Wellenleiter vollständig in den nächsten eingekoppelt. Durch Brechen der Symmetrie in einem derartigen Richtungskoppler kann eine Wellenlängenselektivität erzielt werden. Mit nicht ähnlichen Wellenleitern unterscheiden sich die Ausbreitungskonstanten in den zwei Wellenleitern bei allen Wellenlängen mit Ausnahme von einer, und lediglich jene Wellenlänge wird zwischen den Leitern gekoppelt. Das wellenlängensensitive Verhalten in derartigen asymmetrischen Wellenleiterkopplern ist allgemein gut bekannt (US-Patent 3 957 341), ihre Verwendung war jedoch begrenzt, da die Bauelemente lang sind und häufig nicht die erforderliche Wellenlängenauflösung aufweisen. Wenn die Bauelementabmessung von vielen Millimetern auf einige Hundert Mikrometer reduziert werden kann, wird es möglich, Bauelemente für einen Betrieb mit mehreren Wellenlängen seriell in Kaskade anzuordnen. Es ist zu erwarten, dass die Auflösung um so höher und die Länge um so kürzer sind, je weniger ähnlich die zwei Materialien in den Wellenleitern sind, in den meisten Materialsystemen kann jedoch der Brechungsindex der Materialien für die Wellenleiter nicht um große Beträge verändert werden. Im Lithiumniobat-System können zum Beispiel Wellenleiter durch Diffusion von Titan zur Bildung von Bereichen mit hohem Index gebildet werden, und es wurde gezeigt, dass ein derartiger Koppler (US-Patent 4 146 297) eine relative Wellenlängenauflösung (δλ/λ) von 1/30 bei einer Bauelementlänge von 1,5 cm aufweist ("Tunable optical waveguide directional coupler filter", R. C. Alferness et al., Applied Physics Letters, Bd. 33, Seiten 161 bis 163, 1978). In Halbleitern ist eine größere Berechnungsindexvariation erzielbar, und eine relative Wellenlängenauflösung von 1/850 kann mit einer Länge von 5 mm erzielt werden ("InGaAsP/InP vertical directional coupler filter with optimally designed wavelength tunability", C. Wu et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 4, Seiten 457 bis 460, 1993). Der Kompromiss zwischen Wellenlängenselektivität und Bauelementlänge kann folgendermaßen ausgedrückt werden: L/λ·δλ = 5n1/(2π(n22 – n1 2)) , wobei L die Bauelementabmessung ist, λ die Wellenlänge ist, δλ die Wellenlängenauflösung ist, und n1 und n2 die Brechungsindizes des Wellenleiters mit niedrigem Index beziehungsweise des Wellenleiters mit hohem Index sind.
  • Zusätzlich zur Abmessung sind viele optische Filter kostenintensiv, da sie seltene und teure Verbindungshalbleitermaterialien erfordern. Diese Verbindungshalbleiter sind üblicherweise gitterangepasste Legierungen, typischerweise auf der Basis von Indiumphosphid oder Galliumarsenid, bei denen die Zusammensetzung des Materials während des Kristallwachstums variiert werden kann, um eine Vielzahl von Wellenleiterstrukturen herzustellen. Im Gegensatz zu den Verbindungshalbleitern ist Silicium viel kostengünstiger und kann in großen Standardwafern erhalten werden, aber aus Silicium bestehende Wellenleiter, die verschiedene Gläser verwenden, weisen nicht den erforderlichen Bereich von Brechungsindizes für asymmetrische Wellenleiterfilter auf.
  • Das US-Patent 3 957 341 beschreibt die grundlegenden Betriebscharakteristika eines asymmetrischen Richtungskopplers und wie das Bauelement als optisches Filter verwendet werden kann.
  • Das US-Patent 4 146 297 erläutert, wie der asymmetrische Richtungskoppler in dem Lithiumniobat-Materialsystem ausgeführt werden kann und wie die Hinzufügung von Elektroden eine Abstimmung bereitstellen kann.
  • Das US-Patent 5 234 535 beschreibt einen Prozess, bei dem Silicium-auf-Isolator-Substrate hergestellt werden können.
  • Das US-Patent 5 343 542 von Kash beschreibt ein Bauelement, bei dem verschiedene Lichtwellenlängen von einem Wellenleiter sequentiell gefiltert werden.
  • Das US-Patent 5 416 866 lehrt, wie Beugungsgitter in Wellenleitern hergestellt werden können, und zeigt speziell, wie zwei Gitter, die sequentiell verwendet werden, zur Erhöhung des Abstimmbereichs eines Filters verwenden werden können.
  • Asakawa S. et al.: "A Versatile Design of Selective Radiation Wavelength Filter Using Multilayer Cladding Waveguide", IEEE Photonics Technology Newsletters, Bd.7, Nr. 7, Juli 1995, Seiten 792 bis 794 offenbart ein optisches Filter mit einem asymmetrischen Wellenleiter-Richtungskoppler, der einen ersten und einen zweiten Wellenleiter mit einer ersten Deckschicht zwischen ihnen aufweist. Der erste Wellenleiter extrahiert eine ausgewählte Wellenlänge aus einer Mehrzahl von Wellenlängen in dem zweiten Wellenleiter.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Ziel dieser Erfindung besteht darin, einfache Filter und wellenlängenselektive Photodetektoren bereitzustellen, die bei geringen Kosten mit kommerziellen Siliciumsubstraten mit einer adäquaten Leistungsfähigkeit für Empfänger in Systemen mit mehreren Wellenlängen hergestellt werden können. Dieses Ziel wird durch ein Filter gemäß Anspruch 1 erreicht. Diese Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung asymmetrischer Richtungskopplerfilter in Silicium bereit, die eine hohe Auflösung bei einer geringen Bauelementabmessung besitzen können. Derartige Filter können für einen Betrieb mit mehreren Wellenlängen in Kaskade angeordnet werden und können unter Verwendung von Silicium-Germanium-Legierungen so konfiguriert werden, dass sie als Photodetektoren bei den technologisch wichtigen Kommunikationswellenlängen von 1,3 μm bis 1,55 μm wirken.
  • Die grundlegende Komponente dieser Erfindung ist ein asymmetrischer Richtungskoppler, der Silicium-auf-Isolator-Substrate (SOI) (siehe US-Patent 5 234 535) verwendet. Dieses Material ist kommerziell für die Herstellung von elektronischen integrierten Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen erhältlich und kann bei geringen Kosten in großen Substratabmessungen von verschiedenen Anbietern erhalten werden. In dem SOI-Fertigungsprozess werden zwei Standard- Siliciumwafer oxidiert und dann zusammengebondet, um ein Sandwich mit einer Zwischenschicht aus Siliciumdioxid zu bilden. Einer der Wafer wird dann dünner gemacht, um eine aktive Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Mikrometer mit einer darunterliegenden Siliciumdioxidschicht zu bilden.
  • Die Erfindung verwendet die dünne Siliciumschicht von SOI-Substraten als Kern von einem der Wellenleiter eines asymmetrischen Richtungskopplerfilters. Die Struktur wird durch Hinzufügen einer Deckschicht auf der Oberseite des Siliciums und Bilden eines weiteren Wellenleiters fertiggestellt. Eine derartige asymmetrische Wellenleiterstruktur weist Silicium als einen der Wellenleiter und ein Dielektrikum mit geringem Brechungsindex als dem anderen Wellenleiter auf. Der hohe Grad an Asymmetrie führt zu einer ausgezeichneten Wellenlängenselektivität und einer geringen Bauelementlänge. Ein derartiges Bauelement kann durch Hinzufügen elektrischer Kontakte unter Verwendung eines Standard-Siliciumprozesses und Injizieren eines elektrischen Stroms in den Silicium-Wellenleiter abstimmbar gemacht werden. Die elektrischen Ladungsträger bewirken eine Abnahme der optischen Dicke des Siliciums und variieren somit die Betriebswellenlänge. In ähnlicher Weise können, wenn das Silicium bei dem interessierenden Wellenlängenbereich leicht absorbierend ist, die Kontakte in Sperrrichtung vorgespannt werden, um photoerzeugte Ladungsträger zu sammeln, womit ein wellenlängenselektiver Photodetektor gebildet wird. Da das Bauelement sehr kurz gemacht werden kann, kann eine Anzahl derartiger Detektoren seriell in Kaskade angeordnet werden, wobei jeder Detektor eine etwas andere Dicke des Siliciums aufweist. Eine derartige Struktur ähnelt vorstehend beschriebenen, sich verjüngenden Resonatorfiltern (US-Patent 5 343 542), bei denen verschiedene Wellenlängen aus dem Wellenleiter mit niedrigem Brechungsindex an verschiedenen Punkten entlang des Bauelements extrahiert werden. Aufgrund der sehr hohen Asymmetrie unseres Bauelements, wobei n1 typischerweise 1,6 und n2 gleich 3,5 ist, ist ein derartiges Filter mehr als 1000 Mal so selektiv wie seine dielektrischen Gegenstücke und mehr als 30 Mal so selektiv wie asymmetrische Halbleiterkopplerfilter.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Nunmehr wird die Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 einen Querschnitt eines grundlegenden Vergleichsfilters unter Verwendung von Silicium-auf-Isolator-Material zeigt; und
  • 2 zeigt, wie ein derartiges Filter eine Wellenlänge aus vielen gemäß der vorliegenden Erfindung auswählen kann, wobei sowohl der Eingang als auch der Ausgang mit dem oberen Wellenleiter mit niedrigem Brechungsindex verbunden sind.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Ein grundlegendes Filter ist im Querschnitt in 1 gezeigt. Ein Standard-SOI-Wafer, der aus einem Siliciumsubstrat (100), einer vergrabenen Siliciumdioxidschicht (102) und einer aktiven Siliciumschicht (104) besteht, wird weiter oxidiert, um eine zusätzliche Siliciumdioxidschicht (106) aufzuweisen. Dann wird ein dielektrisches Material (108) mit niedrigem Brechungsindex auf der Struktur aufgebracht, um einen oberen Wellenleiter zu bilden. Eine derartige Schicht kann aus einem dotierten Glas, wie Ge: SiO2, Siliciumoxynitrid (SiON) oder einem Polymer bestehen – wobei die einzige Einschränkung darin besteht, dass das Material transparent ist und einen etwas höheren Brechungsindex als Siliciumdioxid aufweist, um als Wellenleiter zu wirken. Die Struktur ähnelt nun einem asymmetrischen Richtungskopplerfilter. Die Siliciumschicht (104) bildet den Kern eines Wellenleiters mit SiO2-Schichten (102) und (106) als den Hüllbereichen, während das Dielektrikum (108) mit niedrigem Brechungsindex als der andere Wellenleiter wirkt, wobei die Deckschicht (106) die Kopplung 40 zwischen den zwei Wellenleitern steuert. Wenn eine Anzahl von Lichtwellenlängen (110 bis 112) in den oberen Wellenleiter (108) gekoppelt wird, dann wird lediglich eine der Wellenlängen, in diesem Fall (111), in den Silicium-Wellenleiter (104) eingekoppelt.
  • Die Dicke der Schichten für spezielle Anwendungen können unter Verwendung von üblichen Wellenleiterberechnungstechniken berechnet werden (siehe zum Beispiel "vertical cavity devices as wavelength selective waveguides", B. Pezeshki et al., IEEE Journal of Lightwave Technology, Bd. 12, Seiten 1791 bis 1801, 1994). Die Dicke des unteren Silicium-Wellenleiters (104) bestimmt die Wellenlänge, die ausgewählt wird. In erster Näherung nimmt die ausgewählte Wellenlänge, wenn diese Dicke um 1% erhöht wird, ebenfalls um 1% zu. Allgemein wird der Wellenleiter (104) zum Mehrmodentyp und es wird mehr als eine Wellenlänge ausgewählt, wenn diese Schicht relativ dick ist. Die Dicke bestimmt dann auch den spektralfreien Bereich oder die Wellenlängentrennung zwischen resonanten Wellenlängen, und je dicker dieser Bereich ist, desto geringer ist die Trennung zwischen diesen Wellenlängen. Die Dicke des Kopplungsbereichs (106) bestimmt die Kopplung und die Wellenlängenauflösung des Bauelements. Wenn diese SiO2-Schicht dicker gemacht wird, wird die Kopplung reduziert und die Wellenlängenauflösung wird gemäß Gleichung 1 vergrößert. Für einen einfachen, verlustlosen Richtungskoppler muss der untere SiO2-Bereich (102) dick genug sein, um einen vernachlässigbaren Verlust an Kopplungslänge von dem unteren Silicium-Wellenleiterkern (104) zu bewirken. Die Dicke des oberen Wellenleiters ist nicht entscheidend und beeinflusst die Leistungsfähigkeit des Bauelements nicht kritisch, 5 μm sollten jedoch typischerweise eine gute externe Kopplung an eine optische Faser bereitstellen.
  • Das vorstehend beschriebene Filter wählt eine spezielle Wellenlänge (111) aus dem oberen Wellenleiter (108) in den unteren Wellenleiterkern (104) aus. Der obere Wellenleiter (108) ist wegen seines niedrigen Brechungsindex und seiner großen Dicke leicht an optische Fasern zu koppeln, und Idealerweise würde man gerne den Eingang und Ausgang des Filters an diesen oberen Wellenleiter koppeln. Sind der Eingang und der Ausgang mit dem oberen Wellenleiter (108) verbunden, wirkt das vorstehend beschriebene Filter als kanalminderndes Filter (channel dropping filter).
  • Um die entgegengesetzte Bandpasseigenschaft zu erhalten, während die gleichen Verbindungen aufrechterhalten werden, ist es notwendig, die Struktur in jene der vorliegenden Erfindung zu modifizieren, die in 2 im Querschnitt gezeigt ist. In diesem Fall wird das Bauelement so gefertigt, dass es zwei Kopplungslängen lang ist, und der obere Wellenleiter (zuvor 108) wird nunmehr in der Länge in zwei Abschnitte (200) und (202) aufgeteilt. Die Lichteingangswellenlängen (110 bis 112) gelangen in den Wellenleiter (200), und lediglich eine spezielle Wellenlänge (111) wird in den unteren Wellenleiter (104) eingekoppelt. Der Rest wird in der Aufteilungsgrenze zwischen den zwei Abschnitten (200) und (202) absorbiert. Die ausgewählte Wellenlänge wird dann von dem unteren Silicium-Wellenleiter (104) zurück in den zweiten Abschnitt des oberen Wellenleiters (202) eingekoppelt und kann dann aus dem Bauelement austreten. Eine derartige Struktur ermöglicht einen Bandpassbetrieb, während nur an die oberen Wellenleiterabschnitte (200) und (202) mit niedrigem Brechungsindex gekoppelt wird.
  • Wenngleich die Dicke und die Zusammensetzung der verschiedenen Schichten unter Verwendung von Standardtechniken berechnet werden können, verdeutlicht ein numerisches Beispiel eines bei 1,54 μm arbeitenden TE-Filters die Prinzipien dieser Erfindung. Ein üblicher SOI-Wafer von SiBond L. L. C> (Hudson Valley Research Park, 1580 Route 52, Hopewell Junction, NY 12533) besteht aus einer vergrabenen, 1 μm dicken Siliciumdioxidschicht (102) mit einer 2,5 μm dicken oberen Siliciumschicht (104). Dieser kommerzielle Wafer wird dann oxidiert, um eine zusätzliche, 1 μm dicke Siliciumdioxidschicht (106) auf der Oberseite des Wafers zu bilden. In dem Prozess werden ungefähr 0,5 μm Silicium verbraucht. Nach der Oxidation wird ein Polymer-Wellenleiter (108) auf den Schichten gebildet. Unter Verwendung von kommerziellem Polymer-Wellenleitermaterial (Ultradel 9020 – erhältlich von. Amoco Chemical, P. O. Box 3011, Naperville, IL 60566) können Einzelmoden-Rippenwellenleiter in einem Zweistufenprozess erzeugt werden. Zuerst wird eine 5 μm dicke deckende Schicht aufgebracht, dann wird eine 1 μm dicke, 10 μm breite Rippe photolithographisch erzeugt. Mit einem Brechungsindex von 1,55 ist eine derartige Struktur sowohl in transversaler als auch vertikaler Richtung effektiv vom Einmodentyp, wobei die Moden höherer Ordnung aus dem Wellenleiter austreten.
  • Wird die Ausbreitungskonstante des oberen Polymerwellenleiters (108) berechnet, erhält man 6,33 μm–1. Dies passt zu der Ausbreitungskonstante der neunten Mode in dem unteren Silicium-Wellenleiter (104) bei einer Wellenlänge von 1,54 μm. Diese Phasenanpassungswellenlänge ist ungefähr proportional zu der Dicke der Siliciumschicht (104) – d. h. wenn die Dicke um 1 % von 2 μm auf 1,98 μm reduziert wird, nimmt die phasenangepasste Wellenlänge von 1,54 μm auf 1,525 μm ab. So kann ein Filter für jede beliebige spezifische Wellenlänge durch Maßschneidern der Dicke der Silicium-Wellenleiterschicht entworfen werden. Die neunte Mode in dem unteren Silicium-Wellenleiter (104) entspricht einem Strahlwinkel von 27,4 Grad zur Normalen, und das Reflexionsvermögen des einen Mikrometer dicken oberen (106) und unteren (104) Hüllbereichs wird 99,85 % beziehungsweise 99,7%. Das finite Reflexionsvermögen der unteren Deckschicht begrenzt die Gesamtlänge des Bauelements auf weniger als 2 mm und kann bei Bedarf durch Erhöhen der Dicke der unteren Siliciumdioxidschicht vergrößert werden. Das Reflexionsvermögen der oberen Siliciumdioxidschicht steuert die Kopplungslänge, die Bauelementabmessung und die Auflösung des Filters. In diesem Fall bewirkt die Kopplung, dass sich die effektiven Brechungsindizes der geraden und ungeraden Moden um 0,002 aufsplitten, was eine Kopplungslänge von etwa 400 μm und eine Wellenlängenauflösung von 0,8 nm ergibt. So wird der hergestellte Wafer für ein kanalminderndes Filter auf eine Länge von 400 μm gespalten, und der obere Wellenleiter (108) wird an optische Fasern gekoppelt, um den Eingang und den Ausgang des Bauelements zu bilden.

Claims (1)

  1. Optisches Filter mit einem asymmetrischen Wellenleiter-Richtungskoppler, der einen ersten und einen zweiten Wellenleiter aufweist, wobei der erste Wellenleiter (104) eine Schicht aus Halbleitermaterial, die den Kern des ersten Wellenleiters bildet, mit einer Schicht aus Hüllmaterial (106) darauf beinhaltet und der zweite Wellenleiter (108) auf der Schicht aus Hüllmaterial (106) angeordnet ist und wobei der erste Wellenleiter (104) eine ausgewählte Wellenlänge (111) aus einer Mehrzahl von Wellenlängen (110, 111, 112) in dem zweiten Wellenleiter (108) extrahiert, wobei die Brechungsindizes und Dicken der zwei Wellenleiter (104, 108) so gewählt sind, dass die ausgewählte Wellenlänge (111) die gleiche Ausbreitungskonstante in den zwei Wellenleitern (104, 108) aufweist, wodurch die Extraktion der ausgewählten Wellenlänge auftritt, ohne dass ein Beugungsgitter erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial aus Silicium besteht, das Hüllmaterial (106) aus Siliciumdioxid besteht und der Brechungsindex des Materials des zweiten Wellenleiters etwas höher als jener von Siliciumdioxid ist und dass der zweite Wellenleiter durch eine Lücke in zwei Bereiche (200, 202) auf der Hüllschicht separiert ist, so dass die ausgewählte Wellenlänge (111) in einem ersten (200) der zwei Bereiche in den Silicium-Wellenleiter (104) extrahiert und in den zweiten (202) der zwei Bereiche rückgekoppelt wird.
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