(57)【要約】【課題】光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザを提供する。【解決手段】光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザに係り、該垂直共鳴レーザは、２層の低屈折率層間のグレーティング・ミラーと、グレーティング・ミラーに光学的に連結された光導波路と、低屈折率層上で活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、半導体層上の上部ミラーと、を含み、該前記グレーティング・ミラーは、２層の低屈折率層間のシリコン層に形成され、互いに平行な複数のバー形状の低屈折率物質部を具備し、該低屈折率物質部は、その幅方向に互いに大きさが異なる少なくとも２つの幅を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンより屈折率が低い２層の低屈折率層間のグレーティング・ミラーと、
第１方向で、前記グレーティング・ミラーの一側に光学的に連結された光導波路と、
前記２層の低屈折率層のうち１層の低屈折率層上に活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、
前記半導体層上の上部ミラーと、を具備し、
前記グレーティング・ミラーが、前記２層の低屈折率層間のシリコン層に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に、前記２層の低屈折率層と前記シリコン層とによって取り囲まれた互いに平行な複数のバー形状の低屈折率物質部を具備し、
前記低屈折率物質部の屈折率がシリコンより低く、前記低屈折率物質部が、前記第１方向に互いに異なる少なくとも２つの幅を有する、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項２】
シリコンより屈折率が低い２層の低屈折率層間のグレーティング・ミラーと、
第１方向で、前記グレーティング・ミラーの一側に光学的に連結された光導波路と、
前記２層の低屈折率層のうち１層の低屈折率層上に活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、
前記半導体層上の上部ミラーと、を具備し、
前記グレーティング・ミラーがアレイ状に配列された複数のシリコンバーを含む、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項３】
シリコンより屈折率が低い２層の低屈折率層間グレーティング・ミラーと、
第１方向で、前記グレーティング・ミラーの一側に光学的に連結された光導波路と、
前記２層の低屈折率層のうち１層の低屈折率層上の活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、
前記半導体層上の上部ミラーと、を具備し、
前記グレーティング・ミラーが前記２層の低屈折率層間のシリコン層に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に、前記２層の低屈折率層と前記シリコン層とによって取り囲まれ、互いに平行なバー形状の複数の低屈折率物質部を具備し、
前記第１方向で、前記複数の低屈折率物質部のピッチが同一であり、
前記低屈折率物質部の屈折率がシリコンより低く、前記複数の低屈折率物質部が、前記第１方向で互いに異なる少なくとも２つの幅を有する、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項４】
前記低屈折率物質部がエア層であることを特徴とする、請求項１または３に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項５】
前記互いに異なる少なくとも２つの幅が、第１幅と、前記第１幅より１０ｎｍ〜５０ｎｍ広い第２幅と、を含むことを特徴とする、請求項１または３に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項６】
前記第１幅を有した低屈折率物質部と、前記第２幅を有した低屈折率物質部とが交互に形成されたことを特徴とする、請求項５に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項７】
前記第２幅を有した低屈折率物質部が、少なくとも２つの前記第１幅を有した低屈折率物質部ごとに形成されたことを特徴とする、請求項５に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項８】
前記３個以上のｎ個の第１幅を有した低屈折率物質部ごとに、ｎ個未満の前記第２幅を有した低屈折率物質部が形成されたことを特徴とする、請求項５に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項９】
前記第１幅が１００ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする、請求項５に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項１０】
前記グレーティング・ミラーと前記光導波路とがＳＯＩ基板の上部シリコン層に形成されたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項１１】
前記複数の低屈折率物質部間の前記シリコン層の幅が同一であることを特徴とする、請求項１に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項１２】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層下部の前記低屈折率層及び前記グレーティング・ミラーの間には、前記グレーティング・ミラーのシリコン層と同一形状であり、シリコンより屈折率が低い第３低屈折率層がさらに形成され、
前記低屈折率物質部が、前記シリコン層、前記第３低屈折率層及び前記２層の低屈折率層によって取り囲まれたバー形状であることを特徴とする、請求項１または３に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項１３】
前記シリコンバーの長さが、前記第１方向に直交する第２方向に長いことを特徴とする、請求項２に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【請求項１４】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層下部の前記低屈折率層及び前記グレーティング・ミラーの間には、前記シリコンバー上に、前記シリコンバーと同一の形状の第３低屈折率層がさらに形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザに係り、さらに詳細には、垂直共鳴レーザのボトムミラーとして、垂直共鳴レーザからの光を水平方向に光伝達するグレーティング・ミラーを具備したハイブリッド垂直共鳴レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ伝送において、金属配線を使用した電気的連結は、高周波数領域になるほど高い伝送損失により、電力消耗が大きく、電磁干渉（ＥＭＩ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）などにより、データ送信システム具現時に、設計に困難が伴う。これに比べ、光を利用してデータを送受信する光相互接続技術は、伝送損失及び電磁波干渉が少なく、高速の高帯域幅データ送受信システムを具現することができる。
【０００３】
ハイブリッド垂直共鳴レーザは、シリコン構造体上に、ＩＩＩ−Ｖ半導体からなる垂直共鳴レーザが結合された構造を有する。
【０００４】
シリコン基盤の光集積回路は、光源、光導波路、光変調器、光フィルター、光検出器などの多くの光素子を含み、光相互接続で信号を伝達する。
【０００５】
光相互接続に利用される垂直共鳴レーザは、垂直に共振するレーザビームを、水平方向に位置した光導波路に伝達する。このとき、光カップリング効率上昇が重要である。特に、ＩＩＩ−Ｖ半導体からなる垂直共鳴レーザをシリコン基板上に集積する場合、レーザビームをシリコン光導波路に効果的に伝達する手段が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザにおいて、共振器からのレーザビームと光導波路とのカップリング効率を改善したグレーティング・ミラーを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザは、シリコンより屈折率が低い２層の低屈折率層間のグレーティング・ミラーと、第１方向で、前記グレーティング・ミラーの一側に光学的に連結された光導波路と、前記２層の低屈折率層のうち１層の低屈折率層上に活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、前記半導体層上の上部ミラーと、を具備し、前記グレーティング・ミラーは、前記２層の低屈折率層間のシリコン層に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に、前記２層の低屈折率層と前記シリコン層とによって取り囲まれた互いに平行な複数のバー形状の低屈折率物質部を具備し、前記低屈折率物質部の屈折率は、シリコンより低く、前記低屈折率物質部は、前記第１方向に、互いに異なる少なくとも２つの幅を有する。
【０００８】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層下部の前記低屈折率層及び前記グレーティング・ミラーの間には、前記グレーティング・ミラーのシリコン層と同一の形状の第３低屈折率層がさらに形成され、前記低屈折率物質部は、前記シリコン層、前記第３低屈折率層及び前記２層の低屈折率層によって取り囲まれたバー形状でもある。
【０００９】
本発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザは、シリコンより屈折率が低い２層の低屈折率層間のグレーティング・ミラーと、第１方向で、前記グレーティング・ミラーの一側に光学的に連結された光導波路と、前記２層の低屈折率層のうち１層の低屈折率層上に活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、前記半導体層上の上部ミラーと、を具備し、前記グレーティング・ミラーは、アレイ状に配列された複数のシリコンバーを含む。
【００１０】
前記低屈折率物質部は、エア層でもある。
【００１１】
前記互いに異なる少なくとも２つの幅は、第１幅と、前記第１幅より１０ｎｍ〜５０ｎｍ広い第２幅と、を含んでもよい。
【００１２】
一局面によれば、前記第１幅を有した低屈折率物質部と、前記第２幅を有した低屈折率物質部は、交互に形成されてもよい。
【００１３】
他の局面によれば、前記第２幅を有した低屈折率物質部は、少なくとも２つの前記第１幅を有した低屈折率物質部ごとに形成されてもよい。
【００１４】
さらに他の局面によれば、前記３個以上のｎ個の第１幅を有した低屈折率物質部ごとに、ｎ個未満の前記第２幅を有した低屈折率物質部が形成されてもよい。
【００１５】
前記第１幅は、１００ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００１６】
前記グレーティング・ミラーと前記光導波路とは、ＳＯＩ基板の上部シリコン層に形成されてもよい。
【００１７】
前記複数の低屈折率物質部間の前記シリコン層の幅は、同一でもある。
【００１８】
本発明の他の実施形態による集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザは、シリコンより屈折率が低い２層の低屈折率層間のグレーティング・ミラーと、第１方向で、前記グレーティング・ミラーの一側に光学的に連結された光導波路と、前記２層の低屈折率層のうち１層の低屈折率層上の活性層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、前記半導体層上の上部ミラーと、を具備し、前記グレーティング・ミラーは、前記２層の低屈折率層間のシリコン層に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に、前記２層の低屈折率層と前記シリコン層とによって取り囲まれ、互いに平行なバー形状の複数の低屈折率物質部を具備し、前記第１方向で、前記複数の低屈折率物質部のピッチは同一であり、前記低屈折率物質部は、シリコンより屈折率が低く、前記複数の低屈折率物質部は、前記第１方向で互いに異なる少なくとも２つの幅を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザは、シリコンからなるグレーティング・ミラーから二次回折されたレーザビームの光量が増加し、一側に配置されたシリコンからなる光導波路への光カップリング効率が向上する。従って、光相互接続に消費される電力が低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザの概略的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザの低屈折率物質部と光導波路とを概略的に示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラーの反射度をシミュレーションしたグラフである。
【図４】本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラーのカップリング効率をシミュレーションしたグラフである。
【図５】図２の構造を有した光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザの変形例であり、グレーティング・ミラー構造の一部を概略的に示す平面図である。
【図６】発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー構造の一部を概略的に示す平面図である。
【図７】本発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラーの反射度をシミュレーションしたグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラーのカップリング効率をシミュレーションしたグラフである。
【図９】図６の構造を有した光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザの変形例のグレーティング・ミラー構造の一部を概略的に示す平面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー構造の一部を概略的に示す平面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラーの反射度とカップリング効率とをシミュレーションしたグラフである。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザの概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚みは、明細書の明確性のために誇張されて図示されている。以下で説明する実施形態は、ただ例示的なものに過ぎず、かような実施形態から、多様な変形が可能である。以下で、「上部」や「上」と記載しているのは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものを含んでもよい。明細書を通じて、実質的に同一の構成要素には、同一の参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態による光集積回路（ＰＩＣ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）用ハイブリッド垂直共鳴レーザ１００の概略的な断面図であり、図２は、本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ１００のグレーティング・ミラー及び光導波路を概略的に示す平面図である。
【００２３】
図１及び図２を参照すれば、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ１００は、共振基層であるＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０の上部及び下部に、それぞれトップミラー１６０及びグレーティング・ミラー１２０を具備し、グレーティング・ミラー１２０の一側に、光導波路１３０が配置される。
【００２４】
シリコン層１１４をエッチングして形成したグレーティング・ミラー１２０の一側に、同一のシリコン層１１４をエッチングして形成され、光学的に連結された光導波路１３０が配置される。グレーティング・ミラー１２０は、後述するトップミラー１６０と共に、その間に生成されたレーザビームを垂直に共振させる反射層の役割を行う。
【００２５】
グレーティング・ミラー１２０及び光導波路１３０の下部には、シリコンより屈折率が低い低屈折率層１１２が配置される。低屈折率層１１２は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）層でもある。また、低屈折率層１１２は、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＮｂＯ、Ｓｉ３Ｎ４からなることも可能である。以下では、便宜上、低屈折率層１１２を第１絶縁層１１２とも称する。
【００２６】
第１絶縁層１１２の下部には、基板１１０が配置される。基板１１０は、シリコンからなってもよい。
【００２７】
本発明の実施形態では、シリコン層１１０と、その上に積層されたシリコン酸化物層１１２とシリコン層１１４とからなるＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０２を使用した。第１絶縁層１１２は、概して１，０００ｎｍ以上の厚みを有する。
【００２８】
ＳＯＩ基板１０２上には、他の光素子が本発明のハイブリッド垂直共鳴レーザ１００と共に集積されて、光集積回路（ＰＩＣ）を形成する。
【００２９】
グレーティング・ミラー１２０上には、シリコンより屈折率が低い低屈折率層１４０が形成される。低屈折率層１４０は、グレーティング・ミラー１２０を完全に覆うように形成され、光導波路１３０の一部も覆うように形成される。相対的に低い屈折率を有した低屈折率層１４０は、グレーティング・ミラー１２０の反射度を高めることができ、グレーティング・ミラー１２０と光導波路１３０との間でカップリングされて伝播される光を、光導波路１３０に沿ってさらに良好に伝播させることができる。低屈折率層１４０は、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）から形成された層でもある。低屈折率層１４０は、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＮｂＯ、Ｓｉ３Ｎ４から形成されてもよい。低屈折率層１４０は、以下では、第２絶縁層１４０とも称する。
【００３０】
第２絶縁層１４０上には、活性層１５２を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０が形成される。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０は、第２絶縁層１４０上に順次に積層されたｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５１、活性層１５２、及びｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５３を含む。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０は、ＩｎＰ、ＧａＡｓから形成されてもよい。
【００３１】
ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５３には、光通過アパーチャ１５６を形成する電流遮断層１５５が形成される。電流遮断層１５５は、プロトン注入によって形成されてもよい。また、電流遮断層１５５は、当該領域にアルミニウムを形成した後、熱酸化工程によって形成されてもよい。
【００３２】
ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５３上には、トップミラー１６０が形成される。トップミラー１６０は、通常の活性層１５２で発生した光を、下部に位置したグレーティング・ミラー１２０に向けて反射させ、光を、トップミラー１６０とグレーティング・ミラー１２０との間で共振させる。このトップミラー１６０は、所望する共振波長λで、最大の反射率を有するように設計された分布ブラッグ反射層（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）構造でもある。トップミラー１６０は、屈折率が互いに異なる２つの物質層が所望する共振波長の約１／４厚み（すなわち、λ／４）で、相互に反復して積層して形成されてもよい。例えば、ＤＢＲ構造は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層とＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ層（ここで、０≦ｘ、ｙ≦１、ｘ≠ｙ）とを、それぞれおよそλ／４の厚みで相互に反復された構造で形成されてもよい。トップミラー１６０として、ＤＢＲ構造を例示したが、本発明は、それに限定されるものではない。例えば、トップミラー１６０として、グレーティング・ミラー１２０を使用することもできる。
【００３３】
トップミラー１６０及びＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０は、電流注入が可能になるように、所定の不純物でドーピングされる。
【００３４】
トップミラー１６０上には、電流注入のための電極、例えば、ｐ型電極１７１が形成される。ｐ型電極１７１は、トップミラー１６０の上部表面を覆うように形成されてもよい。ｐ型電極１７１は、反射率が高い金属、例えば、アルミニウムなどから形成される。
【００３５】
ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５１は、活性層１５２から露出されるようにエッジが形成され、このエッジには、ｎ型電極１７２が形成される。
【００３６】
光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ１００の製造のために、グレーティング・ミラー１２０を含んだＳＯＩ基板１０２の構造を設ける。また、半導体層１５０を含んだ上部構造を製造した後、ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５１に第２絶縁層１４０を形成した第１構造を製造する。次に、ＳＯＩ基板１０２の構造上に、第１構造をボンディングすることにより、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ１００を製造することができる。
【００３７】
ｐ型電極１７１及びｎ型電極１７２を介して、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０に電流を注入すれば、活性層１５２で、電子及び正孔が再結合され、レーザ光の発振が始まる。再結合によって、活性層１５２から放出される光は、トップミラー１６０及びグレーティング・ミラー１２０の間を往復しながら、強度が増大する。光の強度が、与えられた強度になれば、光は、トップミラー１６０より反射率が低いグレーティング・ミラー１２０から、レーザ光として放出される。レーザ光のほとんどは、外部に反射されるが、一部の光は、水平に進み、光導波路１３０を介して、他の光素子（図示せず）に伝達される。
【００３８】
グレーティング・ミラー１２０は、複数の低屈折率物質部１２１，１２２を含む。低屈折率物質部１２１，１２２は、シリコンより屈折率が小さい物質から形成され、バー形状を有する。各低屈折率物質部１２１，１２２は、互いに一直線に配置される。グレーティング・ミラー１２０は、ＨＣＧ（ｈｉｇｈ  ｉｎｄｅｘ  ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｇｒａｔｉｎｇ）とも呼ばれる。すなわち、低屈折率物質部１２１，１２２及びシリコン層１２４間の屈折率差が大きいグレーティングである。低屈折率物質部１２１，１２２は、ＳＯＩ基板１０２の上部シリコン層１１４をエッチングして形成されてもよい。低屈折率物質部１２１，１２２は、エア層でもある。低屈折率物質部１２１，１２２は、エア層の代わりに、シリコンより屈折率が低い物質層、例えば、シリコン酸化物で充填されてもよい。
【００３９】
低屈折率物質部１２１，１２２の幅は、第１幅Ｗ１の低屈折率物質部１２１と、第２幅Ｗ２の低屈折率物質部１２２とを含む。低屈折率物質部１２１，１２２間のシリコン層１２４の幅Ｗは、一定である。第１幅Ｗ１より第２幅Ｗ２が、概して１０ｎｍ〜５０ｎｍ広い。この数値は、レーザビームの波長、低屈折率物質部１２１，１２２の幅などにより、適切に調節されてもよい。低屈折率物質部１２１及び低屈折率物質部１２２は、図２から分かるように、交互に形成される。第２幅Ｗ２の低屈折率物質部１２２は、レーザビームの回折量を増加させ、従って、光導波路１３０との光カップリング効率を高める。
【００４０】
図３は、本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー１２０の反射度をシミュレーションしたグラフである。図３のグレーティング・ミラー１２０は、ＴＭモード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｏｄｅ）で最適設計し、シミュレーションで使用された第１絶縁層１１２及び第２絶縁層１４０は、それぞれシリコン酸化物層であり、低屈折率物質部１２１，１２２は、エア層である。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０としては、ＩｎＰを使用した。第１絶縁層１１２、低屈折率物質部１２１，１２２、第２絶縁層１４０の高さは、それぞれ１，０００ｎｍ、３５０ｎｍ、２００ｎｍであり、低屈折率物質部１２１，１２２の第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２は、それぞれ１７０ｎｍ、１９０ｎｍである。低屈折率物質部１２１，１２２間のシリコン層１２４の幅Ｗは、３４０ｎｍ、３５０ｎｍ、３６０ｎｍに調節した。
【００４１】
図３を参照すれば、本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー１２０は、光通信で利用される１，３００ｎｍの波長で、最大９９．８％以上の高反射率を有するように設計することができる。
【００４２】
図４は、本発明の一実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー１２０のカップリング効率をシミュレーションしたグラフである。低屈折率物質部１２１，１２２間のシリコン層１２４の幅Ｗ、第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２は、それぞれ３５０ｎｍ、１７０ｎｍ、１９０ｎｍであり、他の条件は、図３と同一の条件でシミュレーションした。図４には、従来のグレーティング・ミラーのカップリング効率も共にシミュレーションした結果を示す。従来のグレーティング・ミラーは、低屈折率物質部間のシリコン層の幅を３５５ｎｍ、低屈折率物質部の幅を１８０ｎｍとし、他の数値は、図３の条件と同一である。
【００４３】
図４で、グラフＧ１，Ｇ２は、それぞれ本発明のグレーティング・ミラー１２０の一次回折による反射度と、二次回折による反射度とを示した曲線であり、グラフＧ３，Ｇ４は、それぞれ従来のグレーティング・ミラーの一次回折による反射度と、二次回折による反射度とを示した曲線である。
【００４４】
一次回折による反射度より、二次回折による反射度が光カップリングに寄与するところが大きい。図４を参照すれば、従来のグレーティング・ミラーの二次回折による反射度（Ｇ４参照）は、非常に低く、光カップリング効率が非常に低いが、本発明のグレーティング・ミラー１２０は、二次回折による反射度（Ｇ２参照）が相対的に高く、光カップリング効率が上昇しているということが分かる。第２幅Ｗ２の低屈折率物質部１２２が、レーザビームの回折量を増加させ、従って、光導波路１３０との光カップリング効率を高める。
【００４５】
従って、本発明のグレーティング・ミラー１２０を具備した垂直共鳴レーザ１００は、光導波路１３０との光カップリング効率が改善され、従って、光相互接続に必要な電力消費が低減する。
【００４６】
図５は、図２の構造を有した光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ１００の変形例であり、グレーティング・ミラー２２０構造の一部を概略的に示す平面図である。グレーティング・ミラー２２０以外の構造は、図１のレーザ１００と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００４７】
図５を参照すれば、グレーティング・ミラー２２０の複数の低屈折率物質部２２１，２２２は、一定のピッチＰ１で配列されている。複数の低屈折率物質部２２１，２２２は、第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部２２１と、第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部２２２とを含む。第２幅Ｗ２が第１幅Ｗ１より、概して１０ｎｍ〜５０ｎｍ広い。
【００４８】
第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部２２１と、第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部２２２は、交互に配置される。低屈折率物質部２２１，２２２の間には、シリコン層２２４が形成されている。低屈折率物質部２２１，２２２は、シリコンより屈折率が低い物質層、例えば、エアまたはシリコン酸化物で充填されている。以下では、低屈折率物質部２２１，２２２がエア層である例をもって説明する。
【００４９】
第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部２２１、及び第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部２２２間のシリコン層２２４の第３幅Ｗ３が、第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部２２２、及び第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部２２１間のシリコン層２２４の第４幅Ｗ４より、接した２つの低屈折率物質部２２１，２２２の幅の差（Ｗ１−Ｗ２）ほどさらに広い。この幅の差は、概して１０ｎｍ〜５０ｎｍである。従って、低屈折率物質部２２１，２２２のピッチＰ１は、同一になる。
【００５０】
グレーティング・ミラー２２０の作用は、グレーティング・ミラー１２０の作用から明らかであるので、詳細な説明は省略する。
【００５１】
図６は、本発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー３２０構造の一部を概略的に示す平面図である。図１の構成要素と実質的に同一の構成要素には、同一の参照番号を使用して、詳細な説明は省略する。
【００５２】
図６を参照すれば、グレーティング・ミラー３２０は、複数の低屈折率物質部３２１，３２２を含む。低屈折率物質部３２１，３２２は、互いに一直線に配置される。低屈折率物質部３２１，３２２は、ＳＯＩ基板の上部シリコン層１１４（図１）をエッチングして形成されてもよい。低屈折率物質部３２１，３２２は、エア層でもある。低屈折率物質部３２１，３２２は、エア層の代わりに、シリコンより屈折率が低い物質層、例えば、シリコン酸化物で充填されてもよい。低屈折率物質部３２１，３２２は、以下で、エア層３２１，３２２とも称する。
【００５３】
低屈折率物質部は、第１幅Ｗ１の低屈折率物質部３２１と、第２幅Ｗ２の低屈折率物質部３２２とを含んでもよい。第１幅Ｗ１より第２幅Ｗ２が、概して１０ｎｍ〜５０ｎｍ広くなってもよい。低屈折率物質部３２１，３２２間のシリコン層３２４の幅Ｗは、一定である。２つの第１幅Ｗ１の低屈折率物質部３２１ごとに、１つの第２幅Ｗ２の低屈折率物質部３２２が形成される。第２幅Ｗ２のエア層３２２は、レーザビームの回折量を増大させ、従って、光導波路３３０との光カップリング効率を高める。
【００５４】
図６では、２つの第１幅Ｗ１のエア層３２１ごとに、１つの第２幅Ｗ２のエア層３２２が図示されたが、本発明は、それに限定されるものではない。例えば、グレーティング・ミラー３２０は、３つ以上のｎ個の第１幅Ｗ１のエア層３２１ごとに、ｎ個未満の第２幅Ｗ２のエア層３２２が形成されたグレーティング・ミラーを含んでもよい。ここで、ｎは、整数である。
【００５５】
図７は、本発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー３２０の反射度をシミュレーションしたグラフである。グレーティング・ミラー３２０をＴＭモードで最適設計し、シミュレーションで使用された第１絶縁層１１２及び第２絶縁層１４０は、それぞれシリコン酸化物層であり、低屈折率物質部３２１，３２２は、エア層である。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０としては、ＩｎＰを使用した。第１絶縁層１１２、低屈折率物質部３２２、第２絶縁層１４０の高さは、それぞれ１，０００ｎｍ、３５０ｎｍ、２００ｎｍであり、エア層３２１，３２２の第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２は、それぞれ１７０ｎｍ、１９０ｎｍである。エア層間のシリコン層３２４の幅Ｗは、３４０ｎｍ、３５０ｎｍ、３６０ｎｍに調節した。
【００５６】
図７を参照すれば、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー３２０は、光通信で利用される１，３００ｎｍ波長で、最大９９．８％以上の高反射率を有するように設計することができる。
【００５７】
図８は、本発明の他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー３２０のカップリング効率をシミュレーションしたグラフである。低屈折率物質部間のシリコン層３２４の幅Ｗ、第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２は、それぞれ３５０ｎｍ、１７０ｎｍ、１９０ｎｍであり、他の条件は、図７と同一の条件で、シミュレーションした。図８には、従来のグレーティング・ミラーのカップリング効率も共にシミュレーションした結果を示す。従来のグレーティング・ミラーは、エア層間のシリコン層の幅を３５５ｎｍ、エア層の幅を１８０ｎｍにし、他の数値は、図７の条件と同一である。
【００５８】
図８で、グラフＧ１，Ｇ２は、それぞれ本発明のグレーティング・ミラー３２０の一次回折による反射度と、二次回折による反射度とを示した曲線であり、グラフＧ３，Ｇ４はそれぞれ従来のグレーティング・ミラーの一次回折による反射度と、二次回折による反射度とを示した曲線である。
【００５９】
一次回折による反射度より、二次回折による反射度が光カップリングに寄与するところが大きい。図８を参照すれば、従来のグレーティング・ミラーの二次回折による反射度（Ｇ４参照）は、非常に低く、光カップリング効率が非常に低いが、本発明のグレーティング・ミラー３２０は、二次回折による反射度（Ｇ２参照）が相対的に高く、光カップリング効率が上昇しているということが分かる。第２幅Ｗ２のエア層３２２が、レーザビームの回折量を増大させ、従って、光導波路３３０との光カップリング効率を高める。
【００６０】
従って、本発明のグレーティング・ミラー３２０を具備した垂直共鳴レーザは、光導波路３３０との光カップリング効率が改善され、従って、光相互接続に必要な電力消費が低減する。
【００６１】
図９は、図６の構造を有した光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザの変形例であり、グレーティング・ミラー構造４２０の一部を概略的に示す平面図である。
【００６２】
図９を参照すれば、グレーティング・ミラー４２０の複数の低屈折率物質部４２１，４２２は、一定のピッチＰ１で配列されている。複数の低屈折率物質部４２１，４２２は、第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部４２１と、第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部４２２とを含む。第２幅Ｗ２が第１幅Ｗ１より、概して１０ｎｍ〜５０ｎｍ広い。
【００６３】
２つの第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部４２１ごとに、１つの第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部４２２が配置される。低屈折率物質部４２１，４２２は、エア層、またはシリコンより屈折率が低い物質層、例えば、シリコン酸化物で充填されている。以下では、低屈折率物質部４２１，４２２がエア層である例をもって説明する。
【００６４】
図９で、第１幅Ｗ１を有した低屈折率物質部４２１の右側のシリコン層４２４の第３幅Ｗ３が、第２幅Ｗ２を有した低屈折率物質部４２２の右側のシリコン４２４の第４幅Ｗ４より、第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２の差（Ｗ１−Ｗ２）ほどさらに広い。この幅の差は、概して１０ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００６５】
グレーティング・ミラー４２０の作用は、グレーティング・ミラー３２０の作用から明らかであるので、詳細な説明は省略する。
【００６６】
図９の変形例として、３以上のｎ個の第１幅Ｗ１の低屈折率物質部４２１ごとに、ｎ個未満の第２幅Ｗ２の低屈折率物質部４２２が配置され、詳細な説明は省略する。
【００６７】
図１０は、本発明のさらに他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー５２０の構造の一部を概略的に示す平面図である。図１の構成要素と実質的に同一の構成要素には、同一の参照番号を使用して、詳細な説明は省略する。
【００６８】
図１０を参照すれば、グレーティング・ミラー５２０は、複数のシリコンバー５２２を含む。シリコンバー５２２は、互いに一直線にアレイ状に配置される。シリコンバー５２２は、ＳＯＩ基板の上部シリコン層１１４（図１）をエッチングして形成されてもよい。シリコンバー５２２の間は、エア層５２４で充填されてもよい。エア層５２４の代わりに、シリコンより屈折率が低い物質層、例えば、シリコン酸化物でシリコンバー５２２の間が充填されてもよい。シリコンバー５２２間の横幅Ｗ１は、概して２１０ｎｍでもあり、シリコンバー５２２間の縦幅Ｗ２は、概して１００ｎｍである。各シリコンバー５２２は、横幅が概して３００ｎｍでもあり、縦幅が概して１，２００ｎｍである。
【００６９】
シリコンバー５２２は、Ｘ方向及びＹ方向に、互いに一直線に配置され、その間隔も、一定に配置されてもよい。
【００７０】
図１１は、本発明のさらに他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー５２０の反射度とカップリング効率とをシミュレーションしたグラフである。グレーティング・ミラー５２０を、ＴＭモードで最適設計した。シミュレーションで使用された第１絶縁層１１２及び第２絶縁層１４０は、それぞれシリコン酸化物層であり、シリコンバー５２２を取り囲む低屈折率物質部は、エア層５２４である。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５０としては、ＩｎＰを使用した。第１絶縁層１１２、エア層５２４、第２絶縁層１４０の高さは、それぞれ１，０００ｎｍ、３５５ｎｍ、２００ｎｍである。シリコンバー５２２間の横幅Ｗ１（図１０）は、概して２１０ｎｍであり、シリコンバー５２２間の縦幅Ｗ２（図１０）は、概して１００ｎｍである。各シリコンバー５２２は、横幅が概して３００ｎｍであり、縦幅が概して１，２００ｎｍである。
【００７１】
図１１を参照すれば、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザのグレーティング・ミラー５２０は、光通信で利用される１，３００ｎｍの波長で、最大９９％以上の高反射率を有するように設計することができる。
【００７２】
また、カップリング効率は、１，３００ｎｍの波長で、概して−１０ｄＢと、カップリングのために回折される光が多いということが分かる。
【００７３】
図１２は、本発明のさらに他の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ６００の概略的な断面図である。図１の構成要素と実質的に同一の構成要素には、同一の参照番号を使用して、詳細な説明は省略する。
【００７４】
グレーティング・ミラー１２０のシリコン層１２４上に、第３絶縁層６４２が形成されてもよい。第３絶縁層６４２は、グレーティング・ミラー１２０の形状に形成されてもよい。例えば、ＳＯＩ基板１０２上に、絶縁層を形成した後、この絶縁層とシリコン層１１４とを共にエッチングし、グレーティング・ミラー１２０と第３絶縁層６４２とを形成することができる。結果物を第１構造とする。
【００７５】
第３絶縁層６４２は、シリコン酸化物から形成することができる。第３絶縁層６４２は、概して３００〜３５０ｎｍの高さに形成されてもよい。
【００７６】
第３絶縁層６４２上に、第４絶縁層６４０が形成される。第４絶縁層６４０は、概して２０〜５０ｎｍの高さに形成されてもよい。第４絶縁層６４０は、シリコン酸化物から形成されてもよい。
【００７７】
一方、半導体層１５０、及びその上の積層物を含んだ上部構造を製造した後、ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１５１上に、第４絶縁層６４０を形成し、結果物を第２構造とする。
【００７８】
グレーティング・ミラー１２０を含んだ第１構造を第２構造上にボンディングすることにより、光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ６００を製造することができる。
【００７９】
グレーティング・ミラー上の絶縁層構造６４２，６４０は、図５、図６、図９、図１０の構造にも適用され、詳細な説明は省略する。
【００８０】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザは、シリコンからなるグレーティング・ミラーから二次回折されたレーザビームの光量が増加し、一側に配置されたシリコンからなる光導波路への光カップリング効率が向上する。従って、光相互接続に消費される電力が低減する。
【００８１】
以上、添付された図面を参照して説明された本発明の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当該分野で当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということを理解することができるであろう。従って、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によってのみ決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザは、例えば、データ送信関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００，６００  光集積回路用ハイブリッド垂直共鳴レーザ
１０２  ＳＯＩ基板
１１２  第１絶縁層
１１４，１２４，２２４，３２４，４２４  シリコン層
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０  グレーティング・ミラー
１２１，１２２，２２１，２２２，３２１，３２２，４２１，４２２  低屈折率物質部
１３０，３３０  光導波路
１４０  第２絶縁層
１５０  ＩＩＩ−Ｖ族半導体層
１５１  ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層
１５２  活性層
１５３  ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層
１５５  電流遮断層
１５６  光通過アパーチャ
１６０  トップミラー
１７１  ｐ型電極
１７２  ｎ型電極
５２２  シリコンバー
５２４  エアー層
６４０  第４絶縁層
６４２  第３絶縁層
【図１】
2014078709.tif 000003
【図２】
2014078709.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014078709.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2014078709.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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