(57)【要約】ハイブリッド型エバネッセント・レーザーを電気的にポンピングする装置および方法。能動半導体材料が、光導波路と能動半導体材料との間のエバネッセント結合界面を画定する光導波路の上に配置され、それにより、光導波路によって案内されるべき光モードは光導波路および能動半導体材料両方に重なる。電流注入経路が能動半導体材料を通じて画定され、光モードに少なくとも部分的に重なる。それにより、光モードに少なくとも部分的に重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答した能動半導体材料の電気的ポンピングに応答して光が生成される。
2009542033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン内に配された光導波路と；
前記光導波路の上に配された能動半導体材料であって、前記光導波路によって案内されるべき光モードが前記光導波路および前記能動半導体材料の両方に重なるよう、前記光導波路と前記能動半導体材料との間のエバネッセント結合界面を画定する能動半導体材料と；
前記能動半導体材料を通って画定され、前記光モードに少なくとも部分的に重なる電流注入経路とを有する装置であって、前記光モードに少なくとも部分的に重なる前記電流注入経路に沿った電流注入に応答した前記能動半導体材料の電気的ポンピングに応答して光が生成される、
装置。
【請求項２】
前記能動半導体材料が電気的にポンピングされる光放出層を有する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記能動半導体材料が、前記光モードに重なる多重量子井戸（MQW）領域を有する、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記電流注入経路がさらに、前記エバネッセント結合界面を通って、かつ前記シリコンを通って画定される、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記能動半導体材料を通じた電流注入が前記光モードに重なるよう閉じ込めるのを助けるための、前記能動半導体材料の両横側に画定された電流注入閉じ込め領域をさらに有する、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記電流注入閉じ込め領域が、前記能動半導体材料のプロトン・インプラントされた領域を有する、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記電流注入閉じ込め領域が、前記能動半導体材料の両横側に配置された少なくとも半絶縁性の材料を有する、請求項５記載の装置。
【請求項８】
前記電流注入経路の両端に画定される少なくとも第一および第二の接点をさらに有する、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記第一および第二の接点が前記能動半導体材料に直接結合されている、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記第一の接点は前記能動半導体材料に直接結合され、前記第二の接点は前記シリコンに直接結合される、請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記光導波路が複数の導波路のうちの一つであり、該複数の導波路にわたって前記能動半導体材料が配置されて複数のレーザーを形成する、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記エバネッセント結合界面が、前記光導波路と前記能動半導体材料との間の接合界面を含む、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
光モードを、シリコン内に配された光導波路で案内することと；
前記光導波路および該光導波路にエバネッセント結合された能動半導体材料の両方に、前記光導波路を通じて案内される前記光モードを重ならせることと；
前記能動半導体材料を電気的にポンピングして、前記能動半導体材料を通って、および前記光モードを通って方向付けられる電流を注入することと；
注入された電流に応答して前記能動半導体材料中に光を発生させることとを含む、
方法。
【請求項１４】
前記注入された電流を前記光モードを通って方向付けするために、前記能動半導体材料中に画定された閉じ込め領域によって前記注入された電流を閉じ込めることをさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記能動半導体材料を通って方向付けられる電流を注入することが、前記注入された電流を、前記能動受動半導体材料とシリコンとの間のエバネッセント結合界面を通じて、および前記光導波路中の前記光モードを通じて前記注入された電流を方向付けすることを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記光導波路を含む光空洞内で光をレーザー発振することをさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
シリコン内に配された光導波路と；
前記光導波路の上に配された能動半導体材料であって、前記光導波路によって案内されるべき光モードが前記光導波路および前記能動半導体材料の両方に重なるよう、前記光導波路と前記能動半導体材料との間のエバネッセント結合界面を画定する能動半導体材料と；
前記能動半導体材料を通じて画定され、前記光モードに少なくとも部分的に重なる電流注入経路とを有するレーザーを有するシステムであって、前記光モードに少なくとも部分的に重なる前記電流注入経路に沿った電流注入に応答した前記能動半導体材料の電気的ポンピングに応答して光が生成され、
当該システムはさらに、
前記レーザーによって発生された光を受光するよう光学的に結合された光受信器と；
前記レーザーによって発生された光を通し、前記レーザーから前記受光器に方向付けする光ファイバーとを有する、
システム。
【請求項１８】
前記レーザーによって発生された光を変調するために光学的に結合された光変調器をさらに有する、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記能動半導体材料が、前記光モードに重なる多重量子井戸（MQW）領域を有する、請求項１７記載のシステム。
【請求項２０】
前記電流注入経路がさらに、前記エバネッセント結合界面を通じ、および前記シリコンを通じて画定される、請求項１７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〈連邦の支援を受けた研究開発の陳述〉
本発明は、米国国防省によって授与された契約第W911NF-05-1-0175のもとでの政府支援を得てなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
〈発明の分野〉
本発明は、概括的には光学に関し、より詳細には本発明は光学的な相互接続および通信に関する。
【背景技術】
【０００３】
インターネットのデータ・トラフィックの増大が音声トラフィックに追いつき、光ファイバー通信に対する必要性を押し上げるにつれ、高速かつ効率的な光学ベースの技術に対する必要性は高まりつつある。高密度波長分割多重（DWDM:  dense  wavelength-division  multiplexing）システムおよびギガビット（GB:  Gigabit）イーサネット（登録商標）システムにおける同じファイバーを通じた複数光チャネルの伝送は、光ファイバーによってもたらされるこれまでにない容量（信号帯域幅）を使う簡単な方法を提供する。前記システムにおける普通に使われる光学コンポーネントは、波長分割多重（WDM:  wavelength  division  multiplexed）送信機および受信機、回折格子のような光学的フィルター、薄膜フィルター、ファイバー・ブラッグ格子（fiber  Bragg  gratings）、アレイド導波路格子（arrayed-waveguide  gratings）、光アド／ドロップ・マルチプレクサ（optical  add/drop  multiplexers）およびレーザーを含む。
【０００４】
レーザーは、誘導放出を通じて光を放出し、赤外から紫外の範囲の周波数スペクトルをもつコヒーレントな光ビームを生成し、膨大な範囲の用途で使用されうるよく知られた装置である。たとえば、光通信またはネットワーキング・アプリケーションにおいて、半導体レーザーは、データまたは他の情報をエンコードして送信する光または光学的ビームを生成するために使用されうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光通信において使用されるさらなる装置は、広帯域DWDMネットワーキング・システムおよびギガビット（GB）イーサネット（登録商標）・システムにおけるキーとなる構成要素である光送信機を含む。現在、ほとんどの光送信機は、外部変調器と組み合わされたいくつかの固定波長レーザーまたは場合によっては直接変調されたレーザーに基づいている。レーザーから生成された光が変調された後、光は外部マルチプレクサを用いて多重化され、光ファイバー・ネットワークに送られる。光ファイバー・ネットワークにおいて、その光は増幅され、または光スイッチによって方向付けられ、あるいはその両方をされる。レーザーは典型的には固定波長を生成するので、各送信チャネルについて別個のレーザーおよび変調器が使用される。しかしながら、レーザーおよび付随する構成要素を生産するコストは非常に高く、送信されるべき光の各波長について別個の構成要素を使うことは、高価かつ非効率であることがある。
【０００６】
本発明は、限定ではなく例として、付属の図面において図解される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー・アレイを提供する方法および装置が開示される。以下の記載では、本発明の十全な理解を与えるために数多くの個別的詳細が記載されるが、当業者には、該個別的詳細が本発明を実施するために用いられる必要はないことは明白であろう。その一方、よく知られた材料または方法は、本発明を埋没させるのを避けるために、詳細には記載していない。
【０００８】
本明細書を通じて「一つの実施形態」または「ある実施形態」の言及は、実施形態との関連で記載される特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書を通じた随所に「一つの実施形態において」または「ある実施形態において」の句が現れることが、必ずしも同じ実施形態を指すのではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、一つまたは複数の実施形態において任意の好適な仕方で組み合わされてもよい。さらに、本明細書とともに与えられる図面は、当業者に対する説明のためであって、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていないことは理解されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
例解すると、図１Ａおよび１Ｂは、本発明の教示に基づく、受動的半導体材料にエバネッセントに結合された能動利得媒質材料（active  gain  medium  material）を含む電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー１０１の例を概括的に示している。描かれた例に示されるように、レーザー１０１は、半導体材料１０３の単一層からの光ビーム１１９を与える。図のように、半導体材料１０３の単一層は、たとえばシリコン・オン・絶縁体（SOI:  silicon-on-insulator）ウェーハのシリコン層のような、シリコンの受動層である。図示した例では、光ビーム１１９は、主としてレーザー１０１の利得および空洞反射スペクトル幅によって決まるレーザー・スペクトル幅をもつレーザー出力である。図のように、レーザー１０１は、半導体材料１０３の単一層内に配される光導波路１０５を含む。図示した例では、光導波路１０５はシリコン・リブ導波路（silicon  rib  waveguide）、ストリップ導波路（strip  waveguide）または本発明の教示に基づく半導体材料１０３の前記単一層内に配される他の好適な型の光導波路でありうる。
【００１０】
図１Ａの例において、光導波路１０５は、反射器１０７と１０９の間の当該光導波路１０５に沿って画定される光空洞１２７を含む。さまざまな例において、反射器１０７および１０９は、半導体材料１０３中の一つまたは複数の格子、半導体材料１０３の面上の反射性コーティングまたは本発明の教示に基づく光導波路１０５内の光空洞を画定する他の好適な諸技法を含みうる。図１Ｂに示される例のようなもう一つの例では、レーザー１０１は、半導体材料１０３中に配され、光導波路１０５と光学的に結合されて本発明の教示に基づく光導波路１０５沿いの光空洞を画定するリング光導波路１２０を含む。光空洞が反射器１０７および１０９を含む図１Ａに示した例では、リング共振器１２０は含まれない。光空洞がリング共振器１２０を含む図１Ｂに示した例では、前記の含まれていた反射器１０７および１０９は含まれない。
【００１１】
図示した例に示されるように、利得媒質材料１２３のような能動半導体材料は、光導波路１０５を横断して半導体材料１０３の前記単一層上に配され、該単一層にエバネッセント結合されている。本開示の目的のためには、能動利得媒質材料または能動半導体材料は、電流注入（current  injection）または電気的ポンピングなどに応答して光を放出する材料として解釈されうる。したがって、図示した例において、利得媒質材料１２３は、本発明の教示に基づく電気的にポンピングされる光放出層でありうる。もう一つの例では、半導体材料１０３の前記単一層内に配されて複数のレーザーを形成する二つ以上の光導波路１０５があってもよい。一例では、前記利得媒質材料１２３は、能動半導体材料であり、InP、AlGaInAs、InGaAsおよび／またはInP/InGaAsPおよび／または本発明の教示に基づく好適な厚さおよびドーピング濃度での他の好適な材料および組み合わせのようなIII-V族半導体材料を含むIII‐V族半導体バーである。特に、利得媒質材料１２３は、SOIウェーハのシリコン層内の一つまたは複数の光導波路の「上」を横断してフリップチップ接合された（flip  chip  bonded）またはウェーハ接合された（wafer  bonded）またはエピタキシャル成長されたオフセット多重量子井戸（MQW:  multiple  quantum  well）領域利得チップである。結果として、一つまたは複数のIII-V族レーザーは、光導波路１０５沿いに画定される利得媒質‐半導体材料界面をもって形成される。図のような前記一つまたは複数の光導波路１０５を横断して接合される利得媒質材料１２３を接合することには整列の問題はないので、本発明の教示に基づき、一つまたは複数のレーザー１０１は、たとえば垂直空洞表面発光レーザー（VCSEL:  Vertical-Cavity  Surface-Emitting  Laser）などのような別々の個別レーザーを取り付けて整列させる場合のコストに比べて、その一部のコストで提供および製作される。
【００１２】
図１Ａおよび１Ｂに示されている例において、電気ポンプ回路１６１は、本発明の教示に基づき、レーザー１０１の動作の間に利得媒質を電気ポンピングするために利得媒質材料１２３に結合される。一例では、電気ポンプ回路１６１は、半導体材料１０３の単一層内に直接統合されてもよい。たとえば、一例では、半導体材料１０３の単一層はシリコンであり、電気ポンプ回路１６１は該シリコン内に直接統合されてもよい。別の例では、電気ポンプ回路１６１は半導体材料１０３の単一層に対する外部回路であってもよい。
【００１３】
のちに論じるように、一例では、電気ポンプ回路１６１は図１Ａおよび１Ｂに示されるように利得媒質材料１２３に結合され、それにより注入電流が利得媒質材料１２３の能動層に注入され、それにより、利得媒質材料１２３を通じた電流注入経路が画定され、光空洞１２７中の光ビーム１１９の光モード（optical  mode）または光経路に重なるまたは少なくとも部分的に重なる。結果として、本発明の教示に基づく、光ビーム１１９の光モードに重なるまたは少なくとも部分的に重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答した利得媒質材料１２３の電気的ポンピングに応答して、光空洞１２７内に光が生成される。開示されるようなレーザー１０１では、光モード１１９は、本発明の教示に基づき、受動半導体材料１０３の光導波路１０５によって案内される間、利得媒質材料１２３の能動領域から電気的にポンピングされた利得を得る。
【００１４】
もう一つの例では、本発明の教示に基づき、図１Ａおよび１Ｂに示されるように、電気ポンプ回路１６１は半導体材料１０３の受動材料にも結合されてもよく、それにより、この電流注入経路の少なくとも一部分は、半導体材料１０３の単一層内の光導波路１０５をも通過しうる。そのような例では、電流注入経路は、本発明の教示に基づき、単一層半導体材料１０３と利得媒質材料１２３との間のエバネッセント結合のほか、光導波路１０５内の半導体材料１０３の受動材料を通過する。
【００１５】
一例では、特定の波長をもつ光が図１Ａの反射器１０７と１０９の間で反射されて行き来し、それによりその特定の波長で光空洞１２７内にレーザー発振が起こる。もう一つの例では、特定の波長をもつ光が図１Ｂのリング共振器内で共振し、それによりその特定の波長でリング共振器１２０内でレーザー発振が起こる。さまざまな例において、光空洞１２７に関しレーザー発振が起こる前記特定の波長は、本発明の教示に基づき、反射器１０７および／または１０９によって反射される光の波長またはリング共振器１２０内で共振される光の波長によって決定される。
【００１６】
図２は、本発明の教示に基づく例示的なレーザー２０１を概括的に示す横断面図である。一例では、レーザー２０１は図１Ａまたは１Ｂに示されるレーザー１０１に対応しうる。図２に示されるように、レーザー２０１は、単一の半導体層２０３と基板層２３１との間に配された埋め込まれた酸化物層２２９をもつ、単一半導体層２０３を含むSOIウェーハ内に統合されている。一例では、単一の半導体層２０３および基板層２３１は受動的シリコンでできている。図のように、光導波路２０５が単一の半導体層２０３内に配されている。これを通じて、光ビーム２１９が方向付けされる。図２に示した例では、光導波路２０５はリブ導波路、ストリップ導波路などであり、光空洞２２７が反射器２０７と２０９の間に画定されている。図２に示されるように、反射器２０７および２０９は、本発明の教示に基づく一例では、ブラッグ反射器である。
【００１７】
図１Ａまたは１Ｂの利得媒質材料１２３と同様に、利得媒質材料２２３は、図２に示されるように、光導波路２０５の「上」を横断し、これに隣接して、半導体材料２０３の単一層の単一層の「上」に接合されるまたはエピタキシャル成長される。結果として、光導波路２０５に沿った光ビームの伝搬方向と平行な、光導波路２０５に沿った利得媒質‐半導体材料界面２３３がある。一例では、利得媒質‐半導体材料界面２３３は、光導波路２０５の能動利得媒質材料２３３と半導体材料２０３との間の接合界面（bonding  interface）を含みうるエバネッセント結合界面である。たとえば、そのような接合界面は、薄いSiO2層または他の好適な接合界面材料を含みうる。一例では、利得媒質材料２２３は能動的なIII-V族利得媒質であり、光導波路２０５と利得媒質材料２２３との間の、利得媒質‐半導体材料界面２３３におけるエバネッセント光結合がある。光導波路２０５の導波路の大きさに依存して、光ビーム２１９の光モードの一部はIII-V族利得媒質材料２２３の内部にあり、光ビーム２１９の光モードの一部は光導波路２０５の内部にある。一例では、利得媒質材料２２３は光空洞２２７内で光を生成するために電気的にポンピングされる。
【００１８】
MQWのような能動材料を含む利得媒質材料２２３をもち、反射器またはミラーのような格子に基づく受動シリコン導波路をもつ例では、レーザー発振は、本発明の教示に基づいて、光空洞２２７内で得られる。図２では、光ビーム２１９が、III-V利得媒質２２３をもつ光空洞２２７内で反射器２０７と２０９の間を反射されて行き来するレーザー発振が示されている。図示した例では、本発明の教示に基づき、反射器２０９は、光ビーム２１９が図２の右側で出力されるよう、部分反射性である。一例では、レーザー２０１は広帯域レーザーであり、したがって反射器２０７および２０９は光空洞２２７についての狭帯域反射器またはブラッグ格子である必要はない。このことは、本発明に基づき、製造の複雑さを大幅に軽減する。一例では、レーザー発振は、120mAの閾値、15°Cで3.8mW最大出力パワーおよび差分量子効率（differential  quantum  efficiency）9.6%をもって実証される。一例では、レーザー２０１は、特徴温度63Kをもって、少なくとも80°Cで動作する。
【００１９】
図３は、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー３０１の一例を概括的に示す断面図である。これは本発明の教示に基づく、図１Ａ、１Ｂまたは図２との関連で図示し、上記したレーザーの一つに対応しうるものである。図のように、半導体材料３０３の単一層と半導体基板３３１との間に配された埋め込まれた酸化物層３２９をもつSOIウェーハが含まれている。もう一つの例では、層３２９は、埋め込まれた窒化物層またはシリコン酸窒化物層または本発明の教示に基づく他の好適な型の材料といった異なる材料を含んでいてもよい。図示した例では、シリコン・リブ導波路３０５は、半導体材料３０３の単一層内に配されている。
【００２０】
図３に示された例を続けると、利得媒質材料３２３は、光導波路３０５の上に接合されてエバネッセント結合３３３を画定する。利得媒質材料３２３と光導波路３０５との間のエバネッセント結合３３３に関し、光導波路３０５の寸法に依存して、光モード３１９の一部が、光導波路３０５のリブ領域の内部にあるように示されており、光モード３１９の一部が利得媒質材料３２３の内部に示されている。
【００２１】
図３に示されるように、利得媒質材料３２３の一例は、P層３２５と、能動層３２６と、半導体材料３０３の単一層のN‐シリコンに接合されたN‐III-V層３２８とを含むIII-V半導体材料である。一例では、利得媒質材料３２３はInPまたは他の好適なIII-V材料を含む。一例では、P層３２５は、図３の例に示されているように、P‐四次層（P‐quaternary  layer）３２８、Pクラッディング層３３０およびP‐分離閉じ込めヘテロ構造（P‐separated  confinement  heterostructure）（SCH）３３２を含む。一例では、能動層３２６はMQW材料を含む。図示した例では、利得媒質材料３２３は、本発明の教示に基づき、光導波路３０５のリブ領域に接合され、これに隣接する。図のように、接点３４１も利得媒質材料３２３に結合されている。
【００２２】
図３に示した例では、本発明の教示に基づき動作し、レーザー３０１を電気的にポンピングするために、光導波路３０５のシリコンを通じて電流注入が実行される、伝導性の接合設計が示されている。よって、シリコン・リブ導波路３０５は、ｎ型ドーピングを含む。図示した例では、接点３４３および３４５は光導波路３０５のスラブ領域の外側部分に結合されている。図３の図解は、電子が接点３４３および３４５を通じて半導体層３０３のN‐ドープ・シリコンを通じて、能動層３２６に注入され、ホールが接点３４１を通じてP層３２５を通じて能動層３２６に注入される一例を示している。図３に示した例では、電子はe-として図示されており、ホールはh+として図示されている。したがって、電流注入経路は、接点３４１、３４３および３４５の間で、利得媒質材料３２３の能動層３２６を通じて画定され、図３の例に示されるような光モード３１９に重なるまたは少なくとも部分的に重なる。このように、本発明の教示に基づく、光ビーム３１９の光モードに重なるまたは少なくとも部分的に重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答した利得媒質材料３２３の電気的ポンピングに応答して、光が生成される。
【００２３】
利得媒質材料３２３のIII-V領域の横方向の対称性のため、利得媒質材料ウェーハと光導波路３０５との間の、接合に先立つ整列は必要ないことを注意しておく。よって、レーザーおよび受動的導波路の両方が同じ相補的金属酸化物半導体（CMOS）適合（compatible）SOIエッチを使って画定されうるので、受動的半導体導波路セクションに自己整列される電気的にポンピングされる源のシリコン・ウェーハ上での大規模な光集積が、本発明の教示に基づいて提供される。
【００２４】
図３に示される例において、接点３４３および３４５が半導体層３０３の受動的なN-Siに結合され、それにより電流注入経路の一部がエバネッセント結合界面３３３を通じて、および受動的な半導体材料３０３を通じて画定されていることも注意しておく。別の例では、接点３４３および３４５は、利得媒質材料３２３に結合され、それにより、電流注入経路全体はエバネッセント結合界面３３３を通らず、よって利得媒質材料３２３内に残る。
【００２５】
例解すると、図４は、本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー４０１のもう一つの例を概括的に示すもう一つの断面図である。ここでは、電流注入経路全体が利得媒質材料内に残っている。図４のレーザー４０１が、本発明の教示に基づく、図１Ａ、１Ｂまたは図２との関連で図示され、上記されたレーザーの一つに対応しうるものであることを注意しておく。図のように、半導体材料４０３の単一層とSOIウェーハの半導体基板４３１との間に配された埋め込まれた酸化物層４２９をもつSOIウェーハが含まれている。図示した例では、シリコン・リブ導波路４０５は半導体材料４０３の単一層内に配される。利得媒質材料４２３は、エバネッセント結合４３３を画定する光導波路４０５の上に接合される。利得媒質材料４２３と光導波路４０５との間のエバネッセント結合４３３により、光導波路４０５の寸法に依存して、光モード４１９の一部は光導波路４０５のリブ領域の内部にあるように示されており、光モード４１９の一部は利得媒質材料４２３の内部にある。
【００２６】
図４に示した例では、利得媒質材料４２３の一例は、P層４２５と、能動層４２６と、半導体材料４０３の単一層のN‐シリコンに接合されたN‐III-V層４２８とを含むIII-V半導体材料である。一例では、利得媒質材料４２３はInPまたは他の好適なIII-V材料を含む。一例では、P層４２５は、P‐四次層（P‐quaternary  layer）４２８、Pクラッディング層４３０およびP‐SCH層４３２を含む。一例では、能動層４２６はMQW材料を含む。図示した例に示されるように、利得媒質材料４２３は、本発明の教示に基づき、光導波路４０５のリブ領域に接合され、これに隣接する。図のように、接点４４１も利得媒質材料４２３に結合されている。
【００２７】
図４に示した例では、図３のレーザー３０１と比べたとき、接点４４３および４４５は、光導波路３０５のスラブ領域の外側部分ではなく、利得媒質材料４２３のN‐III-V層４２８に直接結合されている。よって、図４に示された例が示すところでは、電子は接点４４３および４４５を通じてN‐III-V層４２８を通じて注入され、ホールは接点４４１を通じてP層４２５を通じて能動層４２６に注入される。こうして、電流注入経路は、接点４４１、４４３および４４５の間で、利得媒質材料４２３の能動層４２６を通じて画定され、図４の例に示されるような光モード４１９に重なるまたは少なくとも部分的に重なる。このように、本発明の教示に基づく、光ビーム４１９の光モードに重なるまたは少なくとも部分的に重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答した利得媒質材料４２３の電気的ポンピングに応答して、光が生成される。図４に示した接点４４３および４４５が利得媒質材料４２３のN‐III-V層４２８に直接結合されている例では、電流注入経路はエバネッセント結合界面４３３を通過せず、したがって、利得媒質材料４２３内に残ることを注意しておく。
【００２８】
図３および図４に示される例では、光導波路３０５および４０５はいずれもリブ導波路として示されていることが注目される。他の例では、本発明の教示に基づき、光導波路の他の好適な型が用いられてもよいことは理解されるものである。たとえば、もう一つの例では、ストリップ導波路が用いられてもよい。例解すると、図５は、本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー５０１のもう一つの例を概括的に示すさらに別の断面図である。図５のレーザー５０１が、本発明の教示に基づく、図１Ａ、１Ｂまたは図２に示されたレーザーの一つに対応しうるものであることを注意しておく。
【００２９】
描かれた例に示されるように、半導体材料５０３の単一層とSOIウェーハの半導体基板５３１との間に配された埋め込まれた酸化物層５２９をもつSOIウェーハが含まれている。図示した例では、シリコン・ストリップ導波路５０５は半導体材料５０３の単一層内に配される。利得媒質材料５２３は、エバネッセント結合５３３を画定するストリップ導波路５０５の上に接合される。利得媒質材料５２３と光導波路５０５との間のエバネッセント結合５３３により、光導波路５０５の寸法に依存して、光モード５１９の一部は光導波路５０５の内部にあるように示されており、光モード５１９の一部は利得媒質材料５２３の内部にある。
【００３０】
図５に示した例では、利得媒質材料５２３の一例は、P層５２５と、能動層５２６と、半導体材料５０３の単一層のN‐シリコンに接合されたN‐III-V層５２８とを含むIII-V半導体材料である。一例では、利得媒質材料５２３は、たとえば図４の利得媒質材料４２３または図３の利得媒質材料３２３の材料と同様の材料を含む。図示した例に示されるように、利得媒質材料５２３は、本発明の教示に基づき、光導波路５０５に接合され、これに隣接する。図のように、接点５４１も利得媒質材料５２３に結合されている。
【００３１】
図４に示された例示的な接点４４３および４４５と同様に、図５に示される接点５４３
および５４５は、利得媒質材料５２３のN‐III-V層５２８に直接結合されている。よって、電子は接点５４３および５４５を通じてN‐III-V層５２８を通じて注入され、ホールは接点５４１を通じてP層５２５を通じて能動層５２６に注入される。こうして、電流注入経路は、接点５４１、５４３および５４５の間で、利得媒質材料５２３の能動層５２６を通じて画定され、図５の例に示されるような光モード５１９に重なるまたは少なくとも部分的に重なる。このように、本発明の教示に基づく、光ビーム５１９の光モードに重なるまたは少なくとも部分的に重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答した利得媒質材料５２３の電気的ポンピングに応答して、光が生成される。図５に示した接点５４３および５４５が利得媒質材料５２３のN‐III-V層５２８に直接結合されている例では、電流注入経路はエバネッセント結合界面５３３を通過せず、したがって、利得媒質材料５２３内に残ることを注意しておく。
【００３２】
図６は、本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー６０１の一例を概括的に示す別の断面図である。理解できるように、レーザー６０１は図４の例示的なレーザー４０１と類似性を共有している。たとえば、図６に示される例が示すところでは、半導体材料６０３の単一層とSOIウェーハの半導体基板６３１との間に配された埋め込まれた酸化物層６２９をもつSOIウェーハが含まれている。図示した例では、シリコン・リブ導波路６０５は半導体材料６０３の単一層内に配される。利得媒質材料６２３は、エバネッセント結合６３３を画定する光導波路６０５の上に接合される。利得媒質材料６２３と光導波路６０５との間のエバネッセント結合６３３により、光導波路６０５の寸法に依存して、光モード６１９の一部は光導波路６０５のリブ領域の内部にあるように示されており、光モード６１９の一部は利得媒質材料６２３の内部にある。
【００３３】
図示した例では、利得媒質材料６２３は、P層６２５と、能動層６２６と、半導体材料６０３の単一層のN‐シリコンに接合されたN‐III-V層６２８とを含むIII-V半導体材料である。一例では、利得媒質材料６２３は、たとえば図４の利得媒質材料４２３または図３の利得媒質材料３２３の材料を含む。図示した例に示されるように、利得媒質材料６２３は、本発明の教示に基づき、光導波路６０５に接合され、これに隣接する。図のように、接点６４１も利得媒質材料６２３に結合されている。図４の接点４４３および４４５と同様に、接点５４３および６４５は、利得媒質材料４２３のN‐III-V層６２８に直接結合されている。よって、図６に示された例が示すところでは、電子は接点６４３および６４５を通じてN‐III-V層６２８を通じて注入され、ホールは接点６４１を通じてP層６２５を通じて能動層６２６に注入される。こうして、電流注入経路は、接点６４１、６４３および６４５の間で、利得媒質材料６２３の能動層６２６を通じて画定され、図６の例に示されるような光モード６１９に重なるまたは少なくとも部分的に重なる。このように、本発明の教示に基づく、光ビーム６１９の光モードに重なるまたは少なくとも部分的に重なる電流注入経路に沿った電流注入に応答した利得媒質材料６２３の電気的ポンピングに応答して、光が生成される。
【００３４】
レーザー６０１とレーザー４０１の間の一つの相違は、レーザー６０１の一例が図６に示される閉じ込め領域６３４および６３６をも含むことである。一例では、閉じ込め領域６３４および６３６は、図のように利得媒質材料６２３の向かい合う横側に画定され、接点６４１からの注入電流を、光モード６１９に重なるまたは少なくとも部分的に重なる能動層６２６の部分に垂直方向に閉じ込めるまたは集束させるのを助ける、閉じ込め領域である。閉じ込め領域６３４および６３６をもつ一例では、接点６４１からの注入電流は、横方向に広がる傾向があり、これはレーザー６０１の損失を増し、パワーを低下させる。しかしながら、本発明の教示によれば、閉じ込め領域６３４および６３６により、より多くの注入電流が垂直方向に閉じ込められ、あるいは強制されて能動層４２６を通過し、光モード６１９に重なる。図６に示された例では、本発明の教示に基づき、P層６２５は、プロトンを衝撃され（bombarded）またはインプラントされ（implanted）、P層６２５の衝撃された部分が図のような絶縁性または少なくとも半絶縁性の領域である閉じ込め領域６３４および６３６に変換される。他の例では、閉じ込め領域６３４および６３６は、エッチングおよび再成長（regrowth）または酸化または本発明の教示に基づく他の好適な技法から帰結しうる。
【００３５】
図７は、本発明の教示に基づく、注入電流を垂直方向に閉じ込めるための閉じ込め領域を含むレーザー７０１のもう一つの例を示している。一例では、レーザー７０１は、図６のレーザー６０１と多くの類似性を共有し、同様の要素は図７においてしかるべく同様の番号付けがされている。図７の例に示されるように、本発明の教示に基づき、レーザー７０１内の閉じ込め領域７３４および７３６は、図のように利得媒質材料６２３の向かい合う横側に画定され、接点６４１からの注入電流を、光モード６１９に重なるまたは少なくとも部分的に重なる能動層６２６の部分に垂直方向に（vertically）閉じ込める（confine）または集束させる（focus）のを助ける。
【００３６】
一例では、閉じ込め領域７３４および７３６は、注入電流を能動層６２６に垂直的に閉じ込めるまたは強制して下げるために、図のように、利得媒質材料６２３を横に（laterally）エッチングすることによって提供される。一例では、本発明の教示によれば、たとえばSiO2またはポリマーまたは他の好適な材料のような半絶縁性または絶縁性材料がエッチングされた領域に充填されて閉じ込め領域７３４および７３６を形成してもよい。
【００３７】
もう一つの例では、閉じ込め領域７３４は、図７に示されるような接点６４１の両側においてリンなどのような材料をインプラントし、次いで結果として得られる構造をアニールすることによって提供されてもよい。これは、量子井戸における相互拡散（interdiffusion）を引き起こし、それらの量子井戸のバンドギャップを大きくさせ、透明にさせる。次いで、水素がインプラントされて、P材料を半絶縁性材料に変換してもよく、それにより図７に示されるような本発明の教示に基づく閉じ込め領域７３４および７３６が帰結する。
【００３８】
図８は、本発明の教示に基づく、注入電流を垂直方向に閉じ込めるための閉じ込め領域６３４および６３６をやはり含むレーザー８０１のもう一つの例を示している。一例では、レーザー８０１は、図６のレーザー６０１と多くの類似性を共有し、同様の要素は図８においてしかるべく同様の番号付けがされている。図８の例に示されるように、レーザー８０１は、図６の例示的なレーザー６０１と比べたとき、接点８４１および８４３の非対称な配置を含む。特に、利得媒質材料８２３の上側の表面領域は図６の利得媒質材料６２３の上側の表面領域よりも大きい。これにより、接点８４１は実質的により大きくなることができ、より小さな抵抗をもつ、P層６２５への改良されたオーム性接触をもつことができる。よって、本発明の教示により、接点８４１と８４３の間のより低い全体的な抵抗が提供され、能動層６２６に電流を注入するときの改善されたパフォーマンスが提供される。
【００３９】
図９は、本発明の教示に基づく、注入電流を垂直方向に閉じ込めるための閉じ込め領域７３４および７３６をやはり含むレーザー９０１のさらにもう一つの例を示している。一例では、レーザー９０１は、図７のレーザー７０１と多くの類似性を共有し、同様の要素は図９においてしかるべく同様の番号付けがされている。図９の例に示されるように、レーザー９０１は、図７の例示的なレーザー７０１と比べたとき、接点９４１および９４３の非対称な配置を含む。特に、利得媒質材料９２３の上側の表面領域は図７の利得媒質材料７２３の上側の表面領域よりも大きい。これにより、接点９４１は実質的により大きくなることができ、より小さな抵抗をもつ、P層６２５への改良されたオーム性接触をもつことができる。よって、本発明の教示により、接点９４１と９４３の間のより低い全体的な抵抗が提供され、能動層６２６に電流を注入するときの改善されたパフォーマンスが提供される。
【００４０】
図１０は、本発明の教示に基づく、注入電流を垂直方向に閉じ込めるための閉じ込め領域７３４および７３６をやはり含むレーザー１００１のもう一つの例を示している。一例では、レーザー１００１は、図９のレーザー９０１と多くの類似性を共有し、同様の要素は図１０においてしかるべく同様の番号付けがされている。図１０の例に示されるように、レーザー１００１も、図９の例示的なレーザー９０１と比べたとき、接点９４１および９４３の非対称な配置を含む。しかしながら、図９のレーザー９０１において示されるように接点９４３がN-III-V層６２８に直接結合されるのではなく、レーザー１００１の接点１０４３は半導体層１００３のN-Siに直接結合される。結果として、接点９４１と１０４３の間の注入された電流の経路は、エバネッセント結合６３３および半導体層１００３のN-Siを通って流れる。本発明の教示により、閉じ込め領域７３４および７３６の組み合わせを、光導波路６０５とリブ領域の横側（lateral  sides）を画定するクラッディング領域と組み合わせることにより、注入された電流は、能動層６２６内の光モード６１９を通って流れるよう強制されまたは閉じ込められる。
【００４１】
図１１は、本発明の教示に基づく、受動半導体材料１０３にエバネッセント結合された能動利得媒質材料１２３を含む電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザー１０１のアレイをもつ、統合された半導体変調器多波長レーザー（integrated  semiconductor  modulator  multi-wavelength  laser）を含む、例示的な光学システム１１５１を示す図である。一例では、レーザー１０１のアレイ内の例示的なレーザーのそれぞれが、本発明の教示に基づくこれまでに記載された電気的にポンピングされるハイブリッド型レーザーの一つまたは複数と同様であってもよいことは理解されるものである。図示した例では、図１１に示されるような単一の半導体層１０３は、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎを含む光チップであり、それらにわたって利得媒質材料１２３の単一のバーが接合されて、それぞれ前記複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎにおいて複数の光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎを生成する広帯域レーザーのアレイを作り出している。前記複数の光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎは変調され、次いで前記複数の光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎの選択された波長がマルチプレクサ１１７で組み合わされて単一の光ビーム１２１が出力される。本発明の教示により、この単一の光ビームが単一の光ファイバー１１５３を通じて外部光受信器１１５７に伝送されうる。一例では、本発明の教示により、前記統合された半導体変調器多波長レーザーは、前記単一の光ビーム１２１に含まれる複数の波長において、前記単一の光ファイバー１１５３を通じて、1Tb/s以上の速度でデータを送信することができる。たとえば、前記統合された半導体変調器多波長レーザーに含まれる光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎが40Gb/sで動作する例では、前記統合された半導体変調器多波長レーザーの総容量は、N×40Gb/sとなる。ここで、Nは導波路ベースのレーザー源の総数である。一例では、前記複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎは、半導体材料１０３の前記単一層において約50〜100μm離間される。したがって、一例では、本発明の教示によれば、半導体材料１０３の4mmにも満たない一片をもつ前記統合された半導体変調器多波長レーザーから、バス全体の光データが送信されうる。
【００４２】
図１１はまた、本発明の教示により、光システム１１５１の例において、前記単一の半導体層１０３が、単一の光ファイバー１１５５を通じて外部の光送信機１１５９からの光ビーム１１２１を受信するようにも結合されていることをも示している。したがって、本発明音教示によれば、一つの例示される例では、前記単一の半導体層１０３は、小さな形状因子をもつ超高容量の送受信機である。図示した例では、外部の光受信器１１５７および外部の光送信機１１５９は同じチップ１１６１上に存在するように示されていることが注目される。別の例では、外部の光受信器１１５７と外部の光送信機１１５９は別個のチップ上に存在してもよいことは理解される。図示した例では、受信された光ビーム１１２１は、デマルチプレクサ１１１７によって受信され、これが受信光ビーム１１２１を複数の光ビーム１１１９Ａ、１１１９Ｂ、…、１１１９Ｎに分割する。一例では、前記複数の光ビーム１１１９Ａ、１１１９Ｂ、…、１１１９Ｎは、デマルチプレクサ１１１７により、それぞれの波長に従って分割され、次いで半導体材料１０３の前記単一層内に配されている複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５Ｎを通じて指導される。
【００４３】
図示した例に示されるように、前記複数の光ビーム１１１９Ａ、１１１９Ｂ、…、１１１９Ｎをそれぞれ検出するために、前記複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５Ｎのそれぞれに一つまたは複数の光検出器が光学的に結合されている。具体的には、一例では、前記複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５Ｎに、光検出器１１６３Ａ、１１６３Ｂ、…、１１６３Ｎのアレイが光学的に結合されている。一例では、前記光検出器１１６３Ａ、１１６３Ｂ、…、１１６３Ｎのアレイは、前記複数の光ビーム１１１９Ａ、１１１９Ｂ、…、１１１９Ｎを検出するためのSiGe光検出器などを含んでいる。
【００４４】
描かれている例に示されるように、半導体材料１１２３のもう一つの単一のバーが、前記複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５Ｎを横断して半導体材料１０３の前記単一層に接合され、前記複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５Ｎに光学的に結合された光検出器のアレイを形成していてもよい。一例では、半導体材料１１２３の前記単一のバーは、III-V半導体材料を含んでおり、前記複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５Ｎに光学的に結合されたIII-V光検出器を作り出す。本発明の教示によれば、一例では、半導体材料１１２３の前記単一のバーは、半導体材料１２３の前記単一のバーを前記複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎを横断して接合するために使われたのと同様の技法および技術を使って、半導体材料１０３の前記単一層に接合されうる。図のように前記複数の光導波路１１０５Ａ、１１０５Ｂ、…、１１０５ＮにSiGeおよびIII-Vベースの光検出器が光学的に結合されることで、前記複数の光ビーム１１１９Ａ、１１１９Ｂ、…、１１１９Ｎについて多様な波長が本発明の教示に基づいて検出されうる。
【００４５】
図５に示される例において、本発明の教示によれば、半導体材料１０３の前記単一層内に、制御／ポンプ回路１１６１も含まれ、あるいは統合されてもよい。たとえば、一例では、半導体材料１０３の前記単一層はシリコンであり、制御回路１１６１は該シリコン中に直接集積される。一例では、本発明の教示により、前記制御回路１１６１は、前記多波長レーザー・アレイ１０１内のレーザー、前記複数のパワー・モニタ、前記複数の光変調器、前記アレイの光検出器または半導体材料１０３の前記単一層内に配される他の装置もしくは構造のうちの任意の一つまたは複数を、制御、監視および／または電気的ポンピングするよう電気的に結合されうる。
【００４６】
以上の詳細な記述において、本発明の方法および装置は、個別的な例示的な実施形態を参照しつつ記載されてきた。しかしながら、より広い本発明の精神および範囲から外れることなくそれにさまざまな修正および変更がされうることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は制限するものではなく例示するものと見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】本発明の教示に基づく、反射器を含む、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示す図である。
【図１Ｂ】本発明の教示に基づく、リング共振器を含む、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示す図である。
【図２】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示す横断面図である。
【図３】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示す断面図である。
【図４】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示す別の断面図である。
【図５】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示すさらに別の断面図である。
【図６】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示すさらに別の断面図である。
【図７】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示すさらに別の断面図である。
【図８】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示すさらに別の断面図である。
【図９】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示す別の断面図である。
【図１０】本発明の教示に基づく、電気的にポンピングされるハイブリッド型半導体エバネッセント・レーザーの一例を概括的に示すさらに別の断面図である。
【図１１】本発明の教示に基づく、統合された半導体変調器および電気的にポンピングされるハイブリッド型接合型（bonded）多波長レーザーのアレイをもつ超高容量の送受信機を含む例示的なシステムを概括的に示す図である。
【図１Ａ】
2009542033.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２】
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【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】
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【図９】
2009542033.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2009542033.tif 000015
2009542033.tif 000016