(57)【要約】電気的励起レーザシステム及びその方法が開示される。システムは、シリコンのマイクロリング共振器を含む。III−Ｖ族半導体材料から形成された量子井戸は、マイクロリング共振器と光学的に結合されて光学利得を提供する。III−Ｖ族半導体材料から形成され、第１のタイプのキャリアでドーピングされた台形バッファが量子井戸に光学的に結合される。リング電極が台形バッファに結合される。台形バッファにより、リング電極がマイクロリング共振器の光学モードから実質的に分離されることが可能になる。【選択図】図４
2011520282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に励起されるハイブリッドのIII−Ｖ族およびシリコンのレーザシステムであって、
シリコンのマイクロリング共振器（405）と、
光学利得を提供するために前記シリコンのマイクロリング共振器（405）と光学的に結合される、III−Ｖ族半導体材料から形成された量子井戸（412）と、
第１のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成され、前記量子井戸（412）に光学的に結合される台形バッファ（414）と、
前記台形バッファ（414）に結合されたリング電極（410）とを含み、
前記台形バッファ（414）により、前記リング電極（410）が前記マイクロリング共振器（405）の光学モードから実質的に分離されることが可能になる、レーザシステム。
【請求項２】
前記第１のタイプのキャリアとは反対の電荷を有する第２のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成された第２のバッファ（408）を更に含み、前記第２のバッファ（408）が、前記量子井戸（412）と前記シリコンのマイクロリング共振器（405）との間に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記シリコンのマイクロリング共振器（405）、前記第２のバッファ（408）、前記量子井戸（412）、及び前記台形バッファ（414）の高さは、前記量子井戸（412）内でレーザ光の増大した増幅を提供するためにレーザ光の単一の基本ＴＥモードの最大量の電磁エネルギーが前記量子井戸（412）内に配置された状態で、前記ＴＥモードが前記共振器（405）内で伝わることを可能にするように選択されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２のバッファ（408）に結合された中央電極（416）を更に含み、前記中央電極（416）は、前記中央電極（416）と前記リング電極（410）との間にバイアス電位を印加することにより、キャリアが前記量子井戸（412）に注入されることを可能にするために前記シリコンのマイクロリング共振器（405）の内側に位置する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記台形バッファ（414）が複数の層から構成され、それぞれの層は増えていくにつれて長さを減少させてピラミッド形状のバッファを形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ピラミッド形状のバッファが、前記複数の層を形成するために複数の段をエッチングすることにより形成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記シリコンのマイクロリング共振器（405）の下に配置された下側クラッディング層（404）を更に含み、前記下側クラッディング層（404）が、前記シリコンのマイクロリング共振器（405）の屈折率より小さい屈折率を有し、且つ前記マイクロリング共振器（405）内のレーザ光の波長において実質的に光学的に透明である材料から形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
光導波路（302）を更に含み、前記光導波路（302）は、前記マイクロリング共振器（405）からのレーザ光が前記光導波路（302）にエバネセント結合することを可能にするように前記シリコンのマイクロリング共振器（405）に十分に接近して配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
選択された波長の光を活性化するために電気的に励起されるハイブリッドのIII−Ｖ族およびシリコンのレーザを形成するための方法であって、
下側クラッディング（404）の上にシリコンのマイクロリング共振器（405）を形成し、前記下側クラッディング（404）が、前記シリコンのマイクロリング共振器（405）の屈折率より小さい屈折率を有し、
第１のバッファ層（408）を前記シリコンのマイクロリング共振器（405）と結合し、前記第１のバッファ層（408）が、第１のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成され、
量子井戸（412）を前記第１のバッファ層（408）に取り付け、前記量子井戸（412）を前記シリコンのマイクロリング共振器（405）に光学的に結合し、
第２のバッファ層（414）を前記量子井戸（412）に接続し、前記第２のバッファ層（414）が、前記第１のタイプのキャリアとは反対の電荷を有する第２のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成され、前記第２のバッファ層（414）が、前記量子井戸（412）に結合された幅の広い領域、及び幅の狭い領域を有する台形の形状を有し、
前記台形の第２のバッファ層（414）の前記幅の狭い領域にリング電極（410）を結合し、
前記シリコンのマイクロリング共振器（405）の中心の近くに中央電極（416）を設け、前記選択された波長の光の増幅を行うために前記中央電極（416）と前記リング電極（410）との間でキャリアが前記量子井戸（412）に注入されることを可能にすることを含む、方法。
【請求項１０】
複数の層をエッチングすることにより前記台形の第２のバッファ（414）を形成することを更に含み、それぞれの層は増えていくにつれて長さを減少させてピラミッド形状のバッファを形成する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記量子井戸（412）内で光の増大した利得を提供するために単一の基本ＴＥモードの最大量の電磁エネルギーが前記量子井戸（412）内に配置されるように、前記単一の基本ＴＥモードを導くための狭くされた上側部分を有するように前記台形の第２のバッファ層（414）を形成することを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
レーザ光が前記シリコンのマイクロリング共振器（405）から送られることを可能にするために、前記シリコンのマイクロリング共振器（405）内の光が光導波路（302）にエバネセント結合することを可能にするように前記シリコンのマイクロリング共振器（405）に十分に接近して前記光導波路（302）を配置することを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
電気的に励起されるハイブリッドのIII−Ｖ族およびシリコンのレーザシステムであって、
シリコンのマイクロリング共振器（105）と、
光学利得を提供するために前記シリコンのマイクロリング共振器（105）と光学的に結合される、III−Ｖ族半導体材料から形成された量子井戸（112）と、
第１のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成され、前記量子井戸（112）に結合される第１のバッファ（114）と、
第２のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成され、前記量子井戸（112）と前記シリコンのマイクロリング共振器（105）との間に配置される第２のバッファ（108）と、
前記シリコンのマイクロリング共振器（105）の中心に配置され、前記第１のバッファ（114）に結合された中央電極（116）とを含み、
前記第１のバッファ（114）により、前記中央電極（116）が前記マイクロリング共振器（105）の光学モードから実質的に分離されることが可能になる、レーザシステム。
【請求項１４】
前記第２のバッファ（108）に結合され、前記マイクロリング共振器（105）から選択された距離に配置される外側電極（110）を更に含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
光導波路（302）を更に含み、前記光導波路（302）は、前記マイクロリング共振器（105）からのレーザ光が前記光導波路（302）にエバネセント結合することを可能にするように前記シリコンのマイクロリング共振器（105）に十分に接近して配置される、請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
計算能力およびデータ記憶容量が過去数十年にわたって指数関数的に増加したので、対応する格納データ量も指数関数的に増加した。かつてテキストファイル及びいくつかの低解像度の画像のドメインであったコンピュータは現在、数千の高解像の画像および数時間のビデオを格納するために使用されることが多い。テレビ受像機は高精細度ビデオを表示するためにアップグレードされている。光ディスクの新世代は高精細度ビデオを保持するように開発されてきた。当該ディスクは片面に５０ギガバイト程のデータを保持することができる。これは、高精細度のフォーマットで数時間のビデオを格納するのに十分である。増大する量の情報を格納するために、より高密度のストレージフォーマットが常に開発されている。
【０００２】
膨大な量のデジタル情報を移動および伝送（transmit：送信、転送）することは、より困難になっている。毎年、他の装置とデジタル的に通信することができるより多くの電子装置が市販されている。コンピュータ、高精細度テレビ、高精細度ラジオ、デジタル音楽プレーヤ、ポータブルコンピュータ、及び多くの他のタイプ装置を含む電子機器は、大量の情報を送受信するように設計されている。現在、多くのコンピュータは、家の全体にわたって同報通信（放送）される広帯域インターネットを受け入れている。テレビは、ケーブル及び光ファイバから多数の高精細度信号を受信している。
【０００３】
コンピュータに格納された膨大な量のデータを送信、並びにテレビ及び他の電子機器装置に同報通信するために、データはますます高速の速度で伝送される。しかしながら、伝送速度は、データの爆発的な増加に遅れずについていけてない。例えば、一般的な１５ギガバイトの高精細度の動画を光ディスクから家庭用娯楽機器システムに伝送するために、２０分間、１秒当たり１００メガビット送信される必要がある。多くのユーザにとって、動画を伝送するために２０分かかることは、厄介である可能性がある。
【０００４】
同様に、コンピュータシステム内のプロセッサ、メモリ、他のチップ、及びコンピュータ基板の間でのより高帯域の通信が必要とされている。コンピュータチップ間で大量のデジタル情報を移動させるのにかかる時間を減らすための１つの方法は、より速い速度で情報を伝送することである。しかしながら、妥当な時間で大量のデータを移動することができる伝送速度は、歴史的にコストが高くつくので家庭用電化製品で広く使用されることはできない。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の一実施形態による、ハイブリッドのIII−Ｖ族−シリコンのマイクロリング電気的励起レーザシステムの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示された構造を用いてシミュレートされた光学モードの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、光導波路とエバネセント結合されたマイクロリング電気的励起レーザシステムの上面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、台形バッファを有するマイクロリング電気的励起レーザシステムの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、図４に示された構造を用いてシミュレートされた光学モードの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による、選択された波長の光を活性化するための電気的励起レーザを形成するための方法を示す流れ図である。
【０００６】
例示的な実施形態の詳細な説明
シリコン上の光電子集積化は、光相互接続システム及び他の大規模フォトニックシステムをチップ上に構築するために使用される技術である。集積化フォトニックシステムは一般に、より低いコストで集積化が容易な電気的励起レーザ光源を使用する。しかしながら、シリコンは、その基本的な材料特性により制限され、それ故にレーザ動作に使用される、電気的に励起された光学利得を効率的に提供することができない。従って、シリコンの基盤上に配置されたIII−Ｖ族の半導体のような利得材料（gain material）のハイブリッド集積化を用いて、オンチップの電気的励起レーザを構築することができる。
【０００７】
集積された電気的励起レーザ光源の市場性が高くなるために、III−Ｖ族の利得材料をシリコン上に集積化するプロセスは、比較的低コストで実現が容易でなければならない。一実施形態において、本発明は、１ギガヘルツよりも大きい速度で直接的に変調され得る比較的小さいオンチップレーザ光源として使用され得るマイクロリング共振器を作成するためのシステム及び方法を提供する。リング変調器を用いる電気的励起レーザ光源は、チップにわたって、その後チップから離れて導波路および隣接する電子デバイスに情報を送るために使用され得る。リング変調器を用いる電気的励起レーザ光源は、それが一般にチップボンディングに必要とされるような、ボンディング工程のクリティカルな位置合わせを必要としないウェハーボンディングに依存するので、比較的安価に実現され得る。
【０００８】
図１は、ハイブリッドのIII−Ｖ族−シリコンのマイクロリング電気的励起レーザシステム１００の断面図を示す。この例において、シリコン基板１０２は、レーザシステムを支持するように示される。半導体製造プロセスに使用される他のタイプの基板は、本発明の範囲内にあると考えられる。下側クラッディング１０４がシリコン基板上に形成され得る。シリコンのマイクロリング共振器１０５が下側クラッディングの表面に構築され得る。下側クラッディングは、シリコンのマイクロリング共振器内に光を実質的に閉じ込めるために使用される。
【０００９】
下側クラッディングは、シリコンのマイクロリング共振器の屈折率より小さい屈折率を有し、共振器に注入される光の波長において実質的に透過的である材料から構築され得る。例えば、下側クラッディングは、二酸化ケイ素を用いて形成され得る。代案として、下側クラッディングは、窒化ケイ素のような材料、又は上記の要件を満たす別の材料から形成され得る。また、マイクロリング共振器の内側の領域１２０及び外側の領域１０６は、共振器の屈折率より小さい屈折率を有し、共振器に注入される光の波長において実質的に透過的である材料から形成され得る。一実施形態において、マイクロリング共振器の内側および外側の領域は、空気または真空で形成され得る。代案として、二酸化ケイ素または窒化ケイ素のような別の物質が使用され得る。
【００１０】
シリコンのマイクロリング共振器１０５は、マイクロリング共振器により伝えられる光の波長にほぼ比例する、又は当該波長よりもわずかに小さい半径を有することができる。代案として、シリコンのマイクロリング共振器の半径は、光の波長よりも大きくすることができる。例えば、光の波長は、１．５４マイクロメートルとすることができ、光を伝えるように構成されたマイクロリング共振器の半径は、約３マイクロメートルとすることができる。シリコンのマイクロリング共振器の一般的な寸法は、光の波長および他の設計考慮事項に応じて、２．５μｍ（ミクロン）から数十μｍ（ミクロン）まで変化する可能性がある。また、電気通信に一般に使用される１．３１μｍ（ミクロン）の波長のような、他の波長の光も使用され得る。シリコンのマイクロリング共振器は、深赤外線から紫外線までの範囲にわたる波長の光を伝えるように設計され得る。
【００１１】
ＰＮ接合は、マイクロリング共振器１０５と光学的に結合される量子井戸１１２を横切って構築され得る。量子井戸は、本来は三次元で移動できたキャリアを二次元に閉じ込め、それらを強制的に平面領域に占有させるポテンシャル井戸である。それらの擬似二次元特徴により、量子井戸の電子は、バルク材料よりも急峻な密度の状態を有する。量子井戸の構造は、半導体の密度の状態を変更するために使用され、従来のダブルヘテロ構造のような他のタイプの構造に比べて、レーザ閾値に到達するために必要なキャリア（電子および正孔）がより少ない改善された半導体レーザをもたらす。量子井戸は、リン化インジウム、ヒ化リン化インジウムガリウムなどのようなIII−Ｖ族の材料からなることができる。理解され得るように、開示された実施形態において、単一または複数の量子井戸を使用することができる。量子井戸１１２は、バッファ層１０８にウェハーボンディングされ得る。量子井戸をバッファ層にウェハーボンディングすることは、前述されたように、デバイスの製造においてより低い許容誤差をもたらすことができる。
【００１２】
また、２つのコンタクト１０８、１１４により形成されたＰＮ接合は、III−Ｖ族の材料からなることができ、当該材料はキャリアでドーピングされている。一実施形態において、ｎドーピングされたコンタクト１０８は、シリコンのマイクロリング共振器１０５上に直接的に配置され得る。支持体１１８を用いてｎドーピングされたコンタクトを担持することができる。量子井戸１１２は、ｎドーピングされたコンタクト上に配置され、マイクロリング共振器と共線的（collinearly）に位置合わせされて、量子井戸がマイクロリング共振器と光学的に結合されることが可能になる。ｐドーピングされたコンタクト１１４が、量子井戸の、ｎドーピングされたコンタクトと反対側に配置されてＰＮ接合を形成することができる。一実施形態において、量子井戸は、真性層とみなされ得る。次いで、ｐコンタクト、ｎコンタクト、及び量子井戸はＰＩＮ接合とみなされ得る。
【００１３】
電極１１６及び１１０は、図１に示されたように配置されて、ＰＮ接合に順方向バイアスをかけて、量子井戸１１２内にキャリアを提供することができる。一実施形態において、電極は、金属材料から形成され得る。代案として、実質的に導電性の非金属材料または複合材料を用いて、電流を量子井戸に注入することができる。中央電極１１６は、Ｐコンタクト１１４に結合され、量子井戸およびマイクロリング共振器１０５と同軸に配置され得る。中央電極の外側端部とマイクロリング共振器の内側端部との間の距離１１７は、約０．３μｍ〜１．０μｍとすることができる。外側電極１１０は、マイクロリング共振器の外側に配置され得る。外側電極は、０．５μｍ〜１．０μｍの距離１１３だけ量子井戸から離れることができる。ｎコンタクト１０８、量子井戸１１２、及びｐコンタクトの合わせた厚み１１５は、約０．２μｍ（ミクロン）〜０．４μｍ（ミクロン）とすることができる。電極を用いて、ＰＮ接合に順方向バイアスをかけて、量子井戸へ電流を注入することができる。明らかなように、ｎドーピングされたコンタクト及びｐドーピングされたコンタクトは入れ換えられることができ、同じ結果を得るために、バイアスが反転され得る。
【００１４】
従来の電気的励起ダイオードレーザにおいて、半導体材料に接触する電極は、高い光学的損失を有する。従って、電極は通常、共振器の光学モードから分離される。これは、電極が光共振器の中心から数マイクロメートル離れて配置される必要があることを意味する。図１に示された電気的励起レーザシステム１００において、量子井戸１１２の利得媒体は、シリコンベースのマイクロリング共振器１０５の上面にボンディングされる。
【００１５】
上側電極からのモード分離は一般に、量子井戸と中央電極との間に比較的厚いバッファ層を使用する。このバッファ層はシリコンの屈折率に近い屈折率を有する。この厚いバッファ層の存在は、マイクロリング共振器内に光を閉じ込めるための能力を大幅に制限する可能性があり、その理由は、光学モードが、マイクロリング共振器のきつく曲がった経路に沿って進む代わりに、このバッファ層に広がるからである。この問題を克服するための従来の試みは、２ｍｍを超える周辺部を有するリング共振器を構築することを含む。このサイズのリング共振器は、マイクロチップに集積化するには極めて大きい。更に、大きなリング共振器は一般に、オンチップ通信およびオフチップ通信に必要とされる十分に高速で変調されることができない。
【００１６】
図１に示された構造によって、中央電極１１６が、水平方向に電極を移動させることにより量子井戸１１２から分離されることが可能になる。コンタクト電極の１つ（図１のｐ電極１１６）は、シリコンリングの内側に配置される。他の電極は、前述されたように、リングの外側に配置される。電極の双方は、光学モードが導波されるシリコンリング１０５から約０．３μｍ〜１．０μｍの距離に配置される。これにより、III−Ｖ族の材料の比較的薄い層が、光学モードと重なり且つレージング（レーザ発光）を達成するのに必要な光学利得を提供するためにシリコンリングの上面に配置されることが可能になる。この薄い利得層は、マイクロリングのキャビティ内に曲げて閉じ込めたままにする光学モードの能力に著しい影響を及ぼさない。モデリング及びシミュレーションは、図１に示された構造を有するマイクロリング共振器が２．５μｍ以下の半径を有することができることを示した。
【００１７】
図２は、図１に示された構造を用いてシミュレートされた光学モードの断面図を示す。シリコンのマイクロリング共振器１０５の第１の側は、光学モード２０２が実質的にシリコンのマイクロリング共振器内で伝えられている状態で示される。光学モードの実際のサイズは、マイクロリング共振器および共振器内の光の波長によりサポートされているモードのタイプに依存する。光学モードの一部は、ｎコンタクト１０８を通過して量子井戸１１２へ達することができる。前述したように、量子井戸は、単一または複数の量子井戸の構成とすることができる。量子井戸の中へ達する光学モードの一部は、量子井戸に流れ込むように電流を導く、及び量子井戸に結合する光学モードの一部を電気的に励起するためにＰＮ接合が順方向バイアスされるので、増幅され得る。量子井戸内の光は増幅されて共振器に戻される。光学モードは量子井戸にエバネセント結合され得る。
【００１８】
図３は、ハイブリッドのIII−Ｖ族−シリコンのマイクロリング電気的励起レーザシステム１００の上面図を示す。中央電極１１６は、マイクロリング共振器１０５の中心に示される。ｎコンタクト１０８の一部は、中央電極１１６と外側電極１１０との間に示される。光導波路３０２は、マイクロリング共振器内の増幅された光が当該導波路にエバネセント結合されることを可能にするために、レーザシステムの近くに配置され得る。一実施形態において、導波路の周りの被包（wrap：ラップ）は、レーザシステムから導波路へエバネセント結合する光の量を増大させるために使用され得る。導波路は、光の波長の３分の１未満の距離３０６に配置され得る。一実施形態において、導波路は、マイクロリング共振器１０５から０．２００μｍ（２００ｎｍ）の距離に配置され得る。導波路の幅３０４は、約０．４５０μｍ〜０．５００μｍとすることができる。導波路は、レーザ共振器から離れる光３０８を集積回路の他の部分、或いは近くのチップ又は回路基板上の他の回路構成要素に搬送するために使用され得る。
【００１９】
ハイブリッドのIII−Ｖ族−シリコンのマイクロリング電気的励起レーザシステム１００の構造は、従来のハイブリッドレーザシステムよりも優るいくつかの利点を提供する。第１に、レーザのコンパクトなサイズは、チップ上のかなりのスペースを占有せずに、多数のレーザオンチップシステムの大規模な集積化を可能にする。第２に、シリコンのマイクロリング共振器１０５は、業界標準のＣＭＯＳ互換性技術を用いて製作され得る。第３に、マイクロリング共振器の小さい体積は、量子井戸を取り囲むＰＮ接合に変調信号を印加することにより、レーザの低電力で高速（＞１ＧＨｚ）の直接変調を可能にする。これにより、データが、比較的高速で安価に伝送されることが可能になり、それにより、集積電気システムで生じる帯域幅のボトルネックを低減または除去する。第４に、マイクロリング共振器１０５は、レーストラック構成のような他のハイブリッドのシリコンレーザ構成よりもはるかに長い縦モード間隔を提供する。縦モード間隔は、マイクロリング共振器の長さに反比例する。より長いモード間隔は、単一の縦モードレージングを可能にすることができ、それによりマイクロリング共振器からのはるかに高い品質のレーザ光出力がもたらされる。
【００２０】
別の実施形態において、ハイブリッドのIII−Ｖ族−シリコンのマイクロリング電気的励起レーザシステム４００の更なる構造が図４に示される。図４の断面図に示された実施形態は、シリコンのマイクロリング共振器４０５に光学的に結合される下側クラッディング４０４に結合された基板４０２を含む。下側クラッディング層は、シリコンのマイクロリング共振器の屈折率よりも小さい屈折率を有し、且つマイクロリング共振器内のレーザ光の波長において実質的に光学的に透明である材料から形成される。内側ギャップ４２０及び外側ギャップ４０６は共振器に対して示される。内側ギャップ及び外側ギャップは、シリコンのマイクロリング共振器の屈折率よりも小さい屈折率を有し、且つ共振キャビティ内のレーザ光の波長において実質的に光学的に透明である材料、例えば空気、真空、二酸化ケイ素、窒化ケイ素などから形成され得る。
【００２１】
III−Ｖ族半導体材料から形成され、第１のタイプのキャリアでドーピングされた台形バッファ４１４が示される。キャリアは、ｎ型キャリア又はｐ型キャリアとすることができる。台形バッファ４１４は、量子井戸４１２に光学的に結合される。III−Ｖ族半導体材料から形成され、第１のキャリアの反対の電荷を有する第２のキャリアでドーピングされた第２のバッファ４０８が、量子井戸４１２とシリコンのマイクロリング共振器４０５との間に配置される。第２のバッファは、シリコンのマイクロリング共振器の両側と接続して機能するのに十分な長さを有する。
【００２２】
台形バッファ４１４及び第２のバッファ４０８は、ＰＮ接合を形成するように構成され、量子井戸４１２が台形バッファと第２のバッファとの間に配置される。ＰＮ接合は、量子井戸に注入されるべきキャリアを供給し、シリコンのマイクロリング共振器４０５内の光に光学利得を提供する。
【００２３】
リング電極４１０は、台形バッファ４１４の幅の狭い端部に電気結合される。リング電極は、金属、或いは別の極めて導電性の材料または複合材料から形成され得る。台形バッファの幅の広い端部は、量子井戸４１２と直接的に接触する。量子井戸、台形バッファ、及びリング電極の全ては、シリコンのマイクロリング共振器４０５の上にリングを形成する。中央電極４１６は、マイクロリング共振器の中心の近くに配置され、共振器の上面に配置された第２のバッファ４０８に接触する。中央電極の位置によって、中央電極とリング電極との間にバイアス電位を印加することによりキャリアが量子井戸に注入されることが可能になる。
【００２４】
台形バッファ４１４は、台形または三角形の形状を有することができる。バッファは、例えば弱い異方性エッチングプロセスを用いて形成され得る。一実施形態において、バッファは、複数の層を形成するようにエッチングされることができ、それぞれの層は増えていくにつれて長さを減少させてピラミッド形状のバッファを形成する。
【００２５】
図５は、図４に示された構造を用いてシミュレートされた光学モードの断面図を示す。シリコンのマイクロリング共振器４０５の片側は、光学モード５０２の一部がシリコンのマイクロリング共振器内で伝えられている状態で示される。光学モードの実際のサイズは、マイクロリング共振器および共振器内の光の波長によりサポートされているモードのタイプに依存する。光学モードの一部は、ｎコンタクト４０８を通過して量子井戸４１２へ、及び台形バッファ４１４に到達することができる。留意すべきは、台形バッファは、ピラミッド形状のバッファを形成するために複数のエッチングされた段を用いて形成され得る。
【００２６】
図５に示されるように、図４に示されたシステムは、量子井戸４１２内に位置する光学モード５０２の量において、図１に示されたシステムよりも優る著しい改善を提供する。台形バッファ４１４の高さと形状に加えて、マイクロリング共振器４０５、第２のバッファ４０８、及び量子井戸４１２の厚さにより、最大量の電磁エネルギーを有する光学モードの領域が量子井戸内に配置されることを可能にすることができる。最高密度の光学モードが量子井戸内に配置されるようにシステムを構築することは、レーザの効率に著しい改善をもたらす。量子井戸における基本モードの閉じ込め係数は約３５％であり、他のタイプのIII−Ｖ族−シリコンのハイブリッドレーザシステムよりも著しく高い。図５に示された構造の形状により、光学モードが量子井戸４１２及び台形バッファ４１４と直接的に結合することが可能になる。直接的な光結合は、シリコンのマイクロリング共振器４０５と量子井戸との間でエバネセント結合を介して達成され得るものに比べて、大幅に高いパワーを有する光学モードを提供する。
【００２７】
台形バッファ４１４の形状は、光学モードの閉じ込め係数を最大にするように選択され得る。幅の狭い上部を有する台形バッファは基本モードを下向きに移動させる。逆に、幅の広い上部を有する台形バッファにより、基本モードが台形バッファ内でより高く配置されることが可能になる。更に、図５に示された構造は、単一の低損失モードの基本ＴＥ（transverse-electric）モードだけを提供する。台形バッファの形状により、著しく低減された量の光は、バッファ−電極の変わり目で失われる。試験により、アルミニウムの中央電極４１０に伴う損失が約０．４ｄＢ／ｃｍであることが示された。
【００２８】
ＴＥ偏光は、量子井戸からの高い光学利得を有する。ＴＭ（transverse-magnetic）モード及び高次モードは、基本ＴＥモードよりも２桁高い損失を有する。従って、基本ＴＥモードだけがレーザ発光させる。実質的に量子井戸領域の全ては、光学モードとの有効な相互作用を有する。従って、量子井戸に注入されるかなりの量のポンプ電流は、光子を活性化するために使用され、それによりかなり高いポンプ効率をもたらす。量子井戸４１２内の光学モード５０２の閉じ込め係数は、３５％よりも大きくすることができる。より一般的な閉じ込めのレベルは、２０％〜４０％に迫るまで変化することができる。図４及び図５に示されたシリコンのマイクロリング共振器から活性化された光は、前述され図３に示されたように、エバネセント結合を介して導波路に結合され得る。
【００２９】
別の実施形態において、図６に示されるように、選択された波長の光を活性化するための電気的励起レーザを形成するための方法６００が開示される。方法は、シリコンのマイクロリング共振器の屈折率よりも小さい屈折率を有する下側クラッディング上にシリコンのマイクロリング共振器を形成する（６１０）工程を含む。方法は更に、第１のバッファ層をシリコンのマイクロリング共振器と結合する（６２０）工程を含む。第１のバッファ層は、第１のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成される。更なる工程は、第１のバッファ層に量子井戸を取り付けること（６３０）を含み、量子井戸はシリコンのマイクロリング共振器に光学的に結合される。
【００３０】
方法６００は更に、第２のバッファ層を量子井戸に接続すること（６４０）を含む。第２のバッファ層は、第１のタイプのキャリアとは反対の電荷を有する第２のタイプのキャリアでドーピングされたIII−Ｖ族半導体材料から形成され得る。第２のバッファ層は、量子井戸に結合された幅の広い領域およびその幅の広い領域の反対側にある幅の狭い領域を有する台形の形状を有することができる。方法は更に、台形の第２のバッファ層の幅の狭い領域にリング電極を結合すること（６５０）を含む。更なる工程は、シリコンのマイクロリング共振器の中心の回りに中央電極を設けて（６６０）、キャリアが、中央電極とリング電極との間の量子井戸に注入されて、選択された波長の光の増幅を行うことを可能にすることを提供する。
【００３１】
上述の例は、１つ又は複数の特定の応用形態において本発明の原理を明らかにするが、当業者には明らかなように、具現化形態の形態、使用法、及び細部における多数の変更は、発明力を使用せずに、並びに本発明の原理および概念から逸脱せずに行われ得る。従って、本発明は、以下に記載された特許請求の範囲によることを除いて、制限されることは意図されていない。
【図１】
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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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【国際調査報告】
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