(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学利得測定のためのフォトニック回路デバイス（１００）であって、
フォトニック回路を上に備える基板（１０）であって、前記フォトニック回路が、同じ方向に沿って位置合わせされる２つの導波路部（７１、７２）を画定する１つまたは複数の導波路を備える、前記基板（１０）と、
前記基板の頂部上の、電気的ポンピングまたは光学的ポンピングにより光を発生させるため前記デバイス中で結合される、活性利得セクション（６２〜６６）と、
少なくとも２つの光カプラ（７５、７６）であって、前記活性利得セクションの少なくとも一部が前記光カプラ間にあるように配置され、光を前記活性利得セクションと前記導波路部との間で結合するように構成される、前記光カプラ（７５、７６）と、
前記同じ方向に沿って伝播する光を前記利得セクションの中心に戻すように反射するように配置される部分反射器（９０）と
を備え、
前記デバイスが、前記活性利得セクションに関して前記部分反射器に対向し、光を前記利得セクションの前記中心に戻すように反射するように構成される、他の反射器を備えず、
前記導波路部の各々が追加の光カプラ（８１、８２）を備え、前記部分反射器（９０）が前記光カプラのうちの１つ（７６）と前記追加の光カプラ（８２）との間にあり、各追加の光カプラが、前記光カプラ（７５、７６）に最も近い前記導波路部の前記各々の他の端部に対向する、前記導波路部の前記各々の端部に配置され、
前記追加の光カプラ（８１、８２）が、前記追加の光カプラにおいて放出される光を前記導波路部を含む表面と垂直な方向に検知することを可能にするように構成される回折格子カプラである、
フォトニック回路デバイス（１００）。
【請求項２】
前記光カプラ（７５、７６）が、前記同じ方向に沿って長手方向に延在する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記光カプラ（７５、７６）が、それぞれ、少なくとも１つのテーパ部（７５２、７６２）を備え、前記テーパ部が、導波路部（７１、７２）を終端し、または前記活性利得セクションに接続され、前記テーパ部が、それぞれ、基本的に放物形状を有する、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光カプラ（７５、７６）が、それぞれ、対向して配向されて重複する２つのテーパ部（７５１、７５２、および７６１、７６２）を備え、前記２つのテーパ部のうちの第１のテーパ部がそれぞれの導波路部（７１、７２）を終端し、前記２つのテーパ部のうちの第２のテーパ部が前記活性利得セクションに接続される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記フォトニック回路がシリコン・フォトニック回路であり、前記基板が、前記フォトニック回路に加えて電気回路（４０）をさらに備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記導波路部が、各々、前記デバイスの誘電体層（２０）上に直接延在し、前記誘電体層が、前記基板の頂部上にあり、１ミクロンを超える厚さを有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記１つまたは複数の導波路の各々が結合層（５０）と接触し、前記結合層の中に部分的に埋め込まれ、前記結合層（５０）の表面と同じ高さの１つの表面を有し、前記結合層が、ポリマ、ＳｉＯ２、もしくはＡｌ２Ｏ３、またはこれらの任意の組合せのうちの１つである、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記活性利得セクション（６２〜６６）が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ゲルマニウムの半導体、シリコン・ゲルマニウムの半導体合金、ポリマ、埋込量子ドットもしくは量子ダッシュあるいはその両方を備える材料、または量子井戸材料のうちの１つまたは複数を含み、前記セクションが、
第１の金属接点（６５）を備える、底部接点層（６４）と、
前記底部接点層（６４）の頂部上にあり、第２の金属接点（６６）を備える、上部（６２）と
を備える、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記活性利得セクション（６２〜６６）がエピタキシャル層スタック（６７）を備え、前記エピタキシャル層スタック（６７）が、ｎ型ドープされた半導体（６４２）を含み、少なくともその部分が前記底部接点層（６４）の少なくとも部分を形成し、前記エピタキシャル層スタック（６７）が、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を備える前記活性利得セクションの前記上部（６２）の少なくとも部分を形成する上部スタックをさらに備え、前記エピタキシャル層スタック（６７）自体が、
前記ｎ型ドープされた半導体（６４２）の頂部上の第１の真性半導体（６２２）と、
前記第１の真性半導体の頂部上の複数の量子井戸セクション（６２４）と、
前記複数の量子井戸セクションの頂部上の第２の真性半導体（６２６）と、
前記第２の真性半導体の頂部上のｐ型ドープされた半導体（６２８）と
を備える、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記フォトニック回路が２つの導波路を備え、前記導波路の各々が前記導波路部の１つを画定し、
前記光カプラが、一方では前記活性利得セクションと、他方では前記２つの導波路の各々との間で光の結合を可能にするように構成され、前記２つの光カプラ（７５、７６）の各々が対向して配向されて重複する２つのテーパ部（７５１、７５２、および７６１、７６２）を備え、
前記２つのテーパ部のうちの第１のテーパ部（７５２、７６２）が、前記導波路部のうちの１つの端部を形成し、
前記２つのテーパ部のうちの第２のテーパ部（７５１、７６１）が、前記活性利得セクション（６２〜６６）に接続され、その一部を形成する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記フォトニック回路が、前記２つの導波路部（７１、７２）を画定するただ１つの導波路（７０）を備え、前記導波路が変化する断面を有し、前記変化する断面が、前記導波路の外部と比較して狭い幅を有する中間部を有し、前記外部が前記２つの導波路部を画定する、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
光学利得測定の方法であって、
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のデバイス（１００）を準備するステップ（Ｓ１０）であって、前記２つの導波路部が第１の導波路部（７１）および第２の導波路部（７２）を備える、前記準備するステップと、
電気的ポンピングまたは光学的ポンピングによって、光をそこに発生させる（Ｓ３０）ために前記活性利得セクション（６２〜６６）を励起するステップ（Ｓ２０）と、
前記光カプラ（７５、７６）により、発生させた光を前記２つの導波路部（７１、７２）の各々に伝達するステップ（Ｓ４０）であって、前記光が前記部分反射器（９０）において部分的に反射される（Ｓ４５）、前記伝達するステップと、
前記活性利得セクション（６２〜６６）の前記光学利得を評価する（Ｓ７０）ために、前記第１の導波路部（７１）から放出された光の光パワーおよび前記第２の導波路部（７２）から放出された光の光パワーの両方を検知するステップ（Ｓ６０）とを含み、前記検知するステップ（Ｓ６０）は、
前記第１の導波路部から放出された前記光が、
発生して（Ｓ４０）前記第１の導波路部に直接伝達される（Ｓ４０）光、および
発生して（Ｓ４０）、前記部分反射器（９０）において反射され（Ｓ４５）、次いで前記第１の導波路部に伝達される（Ｓ４０）光
の両方を含み、
前記第２の導波路部（７２）から放出された前記光が、前記部分反射器（９０）において反射されなかった（Ｓ５０）光を含むように実施され、
前記活性利得セクション（６２〜６６）の前記光学利得を評価する（Ｓ７０）ために、放出された光の前記光パワーが前記追加の光カプラの各々で検知され（Ｓ６０）、
前記光パワーを検知するステップ（Ｓ６０）が、前記追加の光カプラ（８１、８２）の各々の近傍に配置される光ファイバ（２０１、２０２）または光検出器を介して実施される、方法。     
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にフォトニック回路デバイスの分野に関し、特に、光学利得測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン・フォトニクスは、フォトニック・システムに関連しており、ここでシリコンが、材料が低損失であるので、光伝播のための媒体として使用される。シリコン・フォトニクスは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）電子回路で活用される、十分に確立したシリコン製造原理を使用する。特徴は、通常、（赤外線で動作するために）サブミクロン精度を有するマイクロフォトニック構成要素へとパターン形成される。典型的には、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）が最適の材料として使用される。シリコン・フォトニック・デバイスの製造では、さもなければ、知られている半導体製造技法を含むことができる。というのは、シリコンは、既に、ほとんどの集積回路に最適の基板として使用されており、光構成要素および電子構成要素が単一のチップ上に集積化されるハイブリッド・デバイスを作ることが可能であるからである。
【０００３】
将来のコンピューティング・システムの要件を満たすため、オンチップ電気相互接続に対する高速で高いエネルギ効率の代替物が必要である。集積化された光学素子、特にシリコン・フォトニクスは、そのような要件を満たす。互換性のある光源と集積化された光相互接続が、低コスト、高性能ＣＭＯＳベースのチップの大量製造に必要である。シリコンの間接バンドギャップに起因して、Ｓｉベースの光源は利用不可能である。効率的な光源は、典型的には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に基づき、Ｓｉフォトニクス・プラットフォーム上に不均一に、または混合して集積化される。
【０００４】
今日まで最も有望な手法は、シリコン・フォトニック導波路の頂部上で、後続の再成長を施される可能性がある、完全にエピタキシャルなＩＩＩ−Ｖ族ベースの利得層スタックまたは薄いシード層を結合することを使う。いずれかの場合で、レーザ構造物または光源を測定し、特長を調べ、かつ評価するため、キー・デバイスのパラメータへの洞察を取得するために、特殊な試験構造物が必要である。キー・パラメータのうちの１つは、光学利得である。利得の計算は非常に正確ではなく、したがって、利得層をモデル化し、したがってレーザまたは光増幅器などの活性光デバイスを最適化するために、利得の測定が必要である。しかし、利得測定は、シリコン・フォトニクスなどのオンチップ用途では、非常に難しい。理由は、既存の技法および方法が、切り子面を劈開することを含み、または多数のデバイスを必要としており、そのことが、オンチップ用途に実装するのに魅力的でなく、この方法が、時間がかかること、破壊的であること、または大きい実装面積の消費に起因すること、あるいはそれらの組合せだからである。さらに、そのような技法は、出力パワー・スペクトル中の発振を解消するために、高解像度の分光計を必要とする場合がある。加えて、既存の概念の大多数は、光学利得を閾値未満または閾値付近で取り出すことだけができ、このことは、レーザ・デバイスの動作のコモン・モードである。したがって、知られている標準技法では、対象の発光デバイス中で使用されるような、現実的なポンピング条件下の利得材料の動作条件において（すなわち、目標とされるレーザの動作条件と等価であるポンピング電流密度において）、利得特性の特長を調べることが可能にならない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Flexible metal grating basedoptical fiber probe for photonic integrated circuits”,by Stijn Scheerlinck et al., Appl. Phys. Lett. 92, 031104 (2008)
【非特許文献２】Ma et al., Optics Express Vol. 21,No. 8, pp. 10335-10341, 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
結論として、オンチップ光学デバイスの利得を簡単に測定することを可能にする適切なデバイス、すなわち、多数のデバイスを製造すること、デバイスを劈開するもしくはその切り子面を研磨して、利得測定構造物に複数の接点を付着すること、または現実的なポンピング／動作条件下で閾値より高い利得を正確に測定する必要があるといったことがない、適切なデバイスは存在しない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様によれば、本発明は、
−  フォトニック回路を備える基板であって、フォトニック回路が、同じ方向に沿って位置合わせされる２つの導波路部を画定する１つまたは複数の導波路を備える、基板と、
−  基板の頂部上の、電気的ポンピングまたは光学的ポンピングにより光を発生させるためデバイス中で結合される、活性利得セクションと、
−  活性利得セクションの少なくとも一部が光カプラ間にあるように配置され、光を活性利得セクションと前記導波路部との間で結合するように構成される、少なくとも２つの光カプラと、
−  前記同じ方向に沿って伝播する光を利得セクションの中心に戻すように反射するように配置される部分反射器と
を備え
デバイスが、活性利得セクションに関して前記部分反射器に対向し、光を利得セクションの中心に戻すように反射するように構成される、他の反射器を備えない、光学利得測定のためのフォトニック回路デバイスとして具現化される。
【０００８】
実施形態では、光カプラは、前記同じ方向に沿って長手方向に延在する。
【０００９】
好ましくは、光カプラは、それぞれ、少なくとも１つのテーパ部を備え、前記テーパ部が、導波路部を終端し、または活性利得セクションに接続され、好ましくは、テーパ部が、それぞれ、基本的に放物形状を有する。
【００１０】
好ましい実施形態では、光カプラは、それぞれ、対向して配向されて重複する２つのテーパ部を備え、２つのテーパ部のうちの第１のテーパ部がそれぞれの導波路部を終端し、２つのテーパ部のうちの第２のテーパ部が活性利得セクションに接続される。
【００１１】
好ましくは、導波路部の各々が追加の光カプラを備え、部分反射器が光カプラのうちの１つとそのような追加の光カプラとの間にあり、各追加の光カプラが、好ましくは、光カプラに最も近い導波路部の前記各々の他の端部に対向する、導波路部の前記各々の端部に配置される。
【００１２】
実施形態では、追加の光カプラは、前記追加の光カプラにおいて放出される光の垂直測定を可能にするように構成される回折格子カプラである。
【００１３】
好ましくは、フォトニック回路がシリコン・フォトニック回路であり、より好ましくは、基板は、フォトニック回路に加えて電気回路をさらに備える。
【００１４】
好ましい実施形態では、導波路部は、各々、デバイスの誘電体層上に直接延在し、好ましくは、誘電体層は、基板の頂部上にあり、１ミクロンを超える厚さを有する。
【００１５】
好ましくは、１つまたは複数の導波路の各々が結合層と接触し、好ましくは、結合層の中に部分的に埋め込まれ、より好ましくは、結合層の表面と同じ高さの１つの表面を有し、前記結合層は、好ましくは、ポリマ、ＳｉＯ２、もしくはＡｌ２Ｏ３、またはこれらの任意の組合せのうちの１つである。
【００１６】
実施形態では、利得セクションは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ゲルマニウムなどの半導体、シリコン・ゲルマニウムなどの半導体合金、ポリマ、埋込量子ドットもしくは量子ダッシュあるいはその両方を含む材料、または量子井戸材料のうちの１つまたは複数を含む。
【００１７】
好ましくは、利得セクションがＩＩＩ−Ｖ族半導体材料利得セクションであり、このセクションが、
−  第１の金属接点を備える、底部接点層と、
−  底部接点層の頂部上にあり、第２の金属接点を備える、上部と
を備える。
【００１８】
好ましい実施形態では、利得セクションがエピタキシャル層スタックを備え、エピタキシャル層スタックが、ｎ型ドープされた半導体を含み、少なくともその部分が底部接点の少なくとも部分を形成し、エピタキシャル層スタックが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料利得セクションの前記上部の少なくとも部分を形成する上部スタックをさらに備え、エピタキシャル層スタック自体が、
−  ｎ型ドープされた半導体の頂部上の第１の真性半導体と、
−  前記第１の真性半導体の頂部上の複数の量子井戸セクションと、
−  複数の量子井戸セクションの頂部上の第２の真性半導体と、
−  第２の真性半導体の頂部上のｐ型ドープされた半導体と
を備える。
【００１９】
特に好ましい実施形態では、フォトニック回路は、２つの導波路を備え、導波路の各々が前記導波路部の１つを画定し、光カプラが、一方では活性利得セクションと、他方では２つの導波路の各々との間で光の結合を可能にするように構成され、２つの光カプラの各々が対向して配向されて重複する２つのテーパ部を備え、
−  ２つのテーパ部のうちの第１のテーパ部が、導波路部のうちの１つの端部を形成し、
−  ２つのテーパ部のうちの第２のテーパ部が、活性利得セクションに接続され、好ましくはその一部を形成する。
【００２０】
変形形態では、フォトニック回路は、前記２つの導波路部を画定するただ１つの導波路を備え、前記導波路が変化する断面を好ましくは有し、変化する断面は、より好適には、前記導波路の外部と比較して狭い幅を有する中間部を有し、前記外部が前記２つの導波路部を画定する。
【００２１】
別の態様によれば、本発明は、光学利得測定の方法であって、
上の実施形態のいずれか１つに記載のデバイスを準備するステップであって、前記２つの導波路部が第１の導波路部および第２の導波路部を備える、準備するステップと、
電気的ポンピングまたは光学的ポンピングによって、光をそこに発生させるために利得セクションを励起するステップと、
光カプラにより、発生した光を２つの導波路部の各々に伝達するステップであって、光が部分反射器において部分的に反射される、伝達するステップと、
活性利得セクションの光学利得を評価するために、第１の導波路部から放出された光の光パワーおよび第２の導波路部から放出された光の光パワーの両方を検知するステップと
を含み、検知するステップは、
第１の導波路部から放出された前記光が、
発生して第１の導波路部に直接伝達される光、および
発生して、部分反射器において反射され、次いで第１の導波路部に伝達される光
の両方を含み、
第２の導波路部から放出された前記光が、部分反射器において反射されなかった光を含む
ように実施される、方法として具現化することができる。
【００２２】
実施形態では、準備されるデバイスの導波路部の各々は、追加の光カプラを備え、部分反射器は、光カプラのうちの１つとそのような追加の光カプラとの間にあり、追加の光カプラは、好ましくは、光カプラに最も近い導波路部の前記各々の他の端部に対向する、導波路部の前記各々の端部に配置され、放出された光の光パワーが追加の光カプラの各々で検知されて、活性利得セクションの光学利得を評価する。
【００２３】
好ましくは、光パワーを検知するステップは、追加の光カプラの各々の近傍に配置される光ファイバまたは光検出器を介して実施される。
【００２４】
本発明を具現化するデバイス、装置、および方法を、ここで、非限定的な例として、添付図面を参照して記載する。図面中に描かれる技術的な特徴は、原寸に比例しない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。図１は、製造の中間段階におけるデバイスを描く。
【図２】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。図２は、製造の中間段階におけるデバイスを描く。
【図３】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。図３は、製造の中間段階におけるデバイスを描く。
【図４】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。図４は、製造の中間段階におけるデバイスを描く。
【図５】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。図５は、製造の中間段階におけるデバイスを描く。
【図６】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。
【図７】図６のデバイスを概略的に描く平面図である。
【図８】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。
【図９】実施形態に従う、フォトニック回路デバイス製造の１つの段階における、フォトニック回路デバイスの簡略表現を示す３Ｄ図である。
【図１０】図９のデバイスを概略的に描く平面図である。
【図１１】本発明に従う方法の実施形態に従う、図１０におけるものと同じ平面図であって、そこでどのように光が発生し、伝達、伝播、および反射されるのかをさらに図示した図である。
【図１２】実施形態に従う、図１〜図１１、および図１３〜図１７に描かれるようなデバイス中の、光学利得を測定する方法の、高レベルのステップを図示する流れ図である。
【図１３】図９および図10に描かれるようなデバイスの簡略表現の断面図である。
【図１４】図９および図10のデバイスに対する変形形態の簡略表現の断面図である。
【図１５】図９および図10のデバイスに対する別の変形形態の簡略表現の断面図である。
【図１６】図９および図10に描かれるようなデバイスの簡略表現の（長手方向）側面図である。
【図１７】実施形態に含まれるような、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料利得セクション（の部分）を形成するエピタキシャル層スタックの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の記載は、次のように構成される。第一に、一般的な実施形態および高レベルの変形形態が記載される（セクション１）。次のセクションは、より具体的な実施形態および技術的な実装の詳細を対象とする（セクション２）。
【００２７】
１  一般的な実施形態および高レベルの変形形態
図１〜図１１および図１３〜図１７に関して、光学利得測定のためのフォトニック回路デバイス１００に関係する、本発明の態様が最初に記載される。このデバイスには、活性利得セクションの光学利得測定値を簡単に測定することを可能にする、オンチップ利得測定構造物が設けられる。
【００２８】
最初に、デバイス１００は、フォトニック回路を有する基板１０を備える。基板は、好ましくはシリコン・ウェハであるが、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）またはインジウム・リン（ＩｎＰ）からも作ることができる。基板は、シリコン・フォトニック回路、受動ＩｎＰフォトニック回路、または受動ＧａＡｓフォトニック回路を特に備えることができる。基板は、今後、簡単のために「ウェハ」と呼ぶものとする。それにもかかわらず、典型的な製品は、当技術分野で通常であるように、単一のダイを含む場合がある。
【００２９】
フォトニック回路は、１つまたは複数の導波路（導波路部７１、７２）を備える。本明細書に記載されるほとんどの実施形態では、図３に関して記載される実施形態を例外とすることを条件として、フォトニック回路は、２つの導波路を備える。全ての場合で、１つまたは複数の導波路（導波路部７１、７２）は、図１〜図１１で明らかなように、同じ方向に沿って位置合わせされる、（少なくとも）２つの導波路部を画定する。「導波路部」とは、集積化したフォトニクスまたはシリコン・フォトニクスで通常であるように、導波路の中核部を意味する。取り囲んでいる構成要素、層、または材料などは、クラッドの役割を果たす。フォトニック回路の他の構成要素は、簡潔さのために添付図面では表現されない。
【００３０】
デバイス１００は、ウェハの頂部上に、電気的ポンピングまたは光学的ポンピングにより光を発生させるためにデバイス中で結合される、活性利得セクション６２〜６６をさらに備える。活性利得セクション６２〜６６を、例えば、ウェハの頂部上に（直接的または間接的に）結合することができる。変形形態では、その間に境界面があってよい。活性利得セクションは、分子結合、またはポリマもしくはＳｉＯ２の層、またはさらに、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２の２分子層、またはこれらの組合せを使用して、直接結合することができる。しかし、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２の２分子層を使用することが好ましい。というのは、ＳｉＯ２は、ＣＭＯＳプロセスで標準的な材料であり、Ａｌ２Ｏ３が結合エネルギを改善するからである。「〜の頂部上に」とは、上（または下）を意味し、必ずしも、当技術分野で一貫して仮定されるように、「〜と直接接触して」を意味しないことに留意されたい。したがって、材料Ａの層ａが材料Ｂの層ｂ「の頂部上に」ある場合、層ａと層ｂとの間に少なくとも部分的に重複がある。
【００３１】
図６〜図１０でより良好に分かるように、活性利得セクションの少なくとも部分が光カプラ間にあるように配置される、少なくとも２つの光カプラ７５、７６がさらに設けられる。これらのカプラは、それぞれが、活性利得セクションと導波路部との間で光を結合するように構成される。したがって、カプラによって、利得セクション中で発生する光を導波路部７１、７２に伝達することが可能になる。後で詳細に説明されるように、光カプラ７５、７６は、例えば、導波路部７１、７２の中、または活性利得セクションの中、あるいはその両方に設けることができる。すなわち、カプラは、（ｉ）フォトニック回路の導波路部、（ｉｉ）利得セクション（例えば、ＩＩＩ−Ｖ族材料）、または（ｉｉｉ）導波路部と利得セクションの両方をパターン形成することによって得ることができる。光カプラは、ウェハに隣接する層の表面の頂部上、またはウェハ自体の表面上に特に配置することができる。好ましくは、光カプラ７５、７６は、活性利得セクションと導波路部との間に、光の断熱結合を可能にするように、形作られて、配置される（断熱とは、実質的に損失がなく、実質的に後方反射がないことを意味する）。
【００３２】
最後に、デバイス１００は、前記同じ方向に沿って伝播する光を利得セクションの中心へ戻すように反射するように配置される反射器９０を備える。重要なことに、デバイス１００は、利得セクションの他の側に、他の反射器を備えない。すなわち、活性利得セクションに関して、光を利得セクションの中心へ戻すように反射する可能性がある、部分反射器９０に対向する追加の反射器がない。言い換えると、部分反射器９０は、利得セクションの中心に対して非対称に、例えば、利得セクションの片側にのみ配置（および構成）される。それにもかかわらず、部分反射器９０は、実際には活性利得セクションの部分であることができる。というのは、その機能が、発生した光の部分を、片側からだけ利得セクションの中心へ戻すように反射することであるからである。
【００３３】
当業者は知っているように、反射器が光の１００％を反射することは決してない（したがって、「部分反射器」は、以下では「反射器」と簡単に呼ばれる）。ここで、光学利得を測定することは、後で説明するように、この特性に正確に依拠する。本発明は、原理的に、単に部分的に光を反射する任意の反射器で具現化することができる。好ましくは、反射器９０は、反射器９０に当たる光の１０％と９０％の間を反射しなければならない。より好ましい範囲は、４０％と６０％の間（例えば、５０％反射）であり、このことによって、実際には、測定のため、各導波路（導波路部７１、７２）中の光パワーのより好適な非対称性を実現することが可能になる。１つよりも多くの反射器９０が中心の片側に存在できることに留意されたい。また、この発明では、「光」は「電磁放射」として理解しなければならず、すなわち、本明細書で引用されるいくつかの応用例にかかわらず、「光」は、必ずしも可視光に限定されない。例えば、本技術分野で、「赤外光」のことを指すのはよくあることである。
【００３４】
最も好都合なことには、反射器９０は、図１〜図４に見られるように、導波路部７２の中に配置される。変形形態では、反射器９０は、光路を遮断し、光を利得セクションの中心に戻すように反射するように、カプラ７６に近い、利得セクションの端部に配置することができる。さらに、反射器９０は、好ましくは、導波路部７１、７２（さらに、下で論じられる追加の光カプラ８１、８２）が位置合わせされる方向によって画定される光路中で、利得セクションにより発生する光と相互作用するただ１つの反射器である。
【００３５】
そのようなデバイスは、背景技術のセクションで挙げられた従来技術の欠点を回避する。そのようなデバイスは、レーザ・デバイスまたは光増幅器などのオンチップ・デバイスの利得スペクトルを特長化するのに非常に好適である。関連する利得測定方法の記載によって、オンチップ光学デバイスの利得は、ウェハ上で直接簡単に測定できること、また多数のデバイスの製造、切り子面の劈開もしくは研磨を必要としないこと、または利得測定構造物に複数の接点を付着する、もしくは現実的なバイアス条件下、すなわちレーザ・デバイスの閾値より上で正確に利得を測定する必要がないことが明らかとなる。対照的に、本方法は、基本的に、導波路部から放出される光の光パワーを検知することを必要とし、このことから、次に利得を評価することができる。これらの方法は、後で詳細に記載される。
【００３６】
光を結合するいくつかの様式が知られている。光カプラ７５、７６は、好ましくは、長手方向カプラであり、すなわち、導波路部７１、７２の延びる方向に沿って長手方向に延在する。（例えば、図６〜図１０を参照）この方向は、カプラおよび導波路部の中の光の伝播の主方向に対応する（光は、前記方向に沿って両方の様式で伝播することができる）。長手方向光カプラ７５、７６を使用することが好ましい。というのは、長手方向光カプラ７５、７６が、導波路部と利得セクションとの間の断熱結合をより容易に可能にするからである。
【００３７】
図１、図２、図４、および図６〜図１０に見られるように、光カプラ７５、７６は、例えば、各々が少なくとも１つのテーパ部７５２、７６２を備えることができる。ここで、テーパ部は、導波路部７１、７２を終端し、または活性利得セクションに接続される。テーパ部は、基本的に放物形状を有することができる。すなわち、テーパ部の横方向端部が放物状であり、より一般的には、非直線状であってよい。テーパ部の好適な設計によって、光モードのより滑らかな変換が可能になり、不要なモードへの散乱を最小にすること、テーパ部の長さをより短くすることが確実になる。この事項についてさらに検討すると、放物形状は、実際には最も好適な幾何形状ではないことが示された。けれども、放物形状は、最適な幾何形状の近似と考えることができ、少なくとも、直線状のテーパよりも良好な近似と考えることができる。
【００３８】
非直線状のテーパは、単一の非直線状のテーパ・セクションまたは複数のテーパ・セクション、例えば直線状のセクション、その後に続く例えばそれ自体が放物状といった非直線のセクション、さらにその後に続く直線状のセクションなどを使用して得ることができる。テーパの好ましい設計は、結合効率目標、導波路の幾何形状および屈折率、ならびにサイズ制限に依存する。利用可能な製造技法に応じて、非直線状のテーパ部を複数の連続した直線状の下位部分によって近似することがより現実的な場合がある。
【００３９】
テーパ間で断熱光結合を達成するための条件が、いくつかの文書で調査された。最適な設計を有するテーパを記載する解析式を文献中に見い出すことができる。しかし、（本内容に適合する）最適なテーパ・パラメータは、マックスウェル方程式を時間領域で解く、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションから得ることができる。この数値的方法によって、計算されるテーパ・パラメータの非常に正確な解が可能になる。
【００４０】
好ましくは、反射器９０は、添付図面に図示されるように、導波路部のうちの１つのテーパ部の端部に、例えば、テーパ部７６２の端部に配置される（その場合、反射器９０は導波路部７２の中に集積化される）。変形形態では、反射器９０は、テーパ部７６１の端部に配置することができる（その場合、反射器９０は、利得セクションの中、その周辺部に集積化される）。反射器が利得セクションの周辺部に近づくにつれて、損失が少なくなり、測定値が正確になる。しかし、製造の点では、反射器を導波路部のうちの１つに製造する方が簡単である。というのは、導波路の製造プロセスは、より成熟しており、より小さい特徴を解像することができるからである。例えば、シリコンが好ましい。したがって、反射器をテーパ部７６２の端部に設けることによって、十分なトレードオフが実現する。より一般的には、反射器は、カプラの始端、例えば活性利得セクション中に、またはカプラ、例えば図中のカプラ７６の端部に、カプラ７６の実際の実施形態とは無関係に配置することができる。
【００４１】
ここで図６〜図１０を参照して、実施形態では、光カプラ７５が２つのテーパ部７５１、７５２を、光カプラ７６が２つのテーパ部７６１、７６２を各々備えることができる。光カプラ７５を考える。光カプラ７５は、対向して配向され、少なくとも部分的に重複する２つのテーパ部７５１、７５２を有することができる。利得セクションを導波路部に効率的に光学的に結合するように、テーパ部７５２のうちの一方は、導波路部７１を終端し、他方のテーパ部７５１は、活性利得セクション６２〜６６の部分である（または少なくとも、活性利得セクション６２〜６６に接続される）。
【００４２】
図１〜図１０に見られるように、デバイス１００は、利得測定を可能にするために、デバイス１００に直接集積化される追加の光カプラ８１、８２を備えることができる。すなわち、反射器が光カプラのうちの１つの光カプラ７６と、これらの追加のカプラ８２のうちの１つとの間に配置されるように、追加の光カプラ８１、８２を、導波路部７１、７２の各々の中に備えることができる。各追加の光カプラ８１、８２は、好ましくは、導波路部の端部に、すなわち、光カプラ７５、７６に最も近い、その端部の反対に配置される。例えば、追加の光カプラ８１、８２は、回折格子カプラであってよく、それによって、光を垂直方向に検知する、すなわち、追加の光カプラにおいて放出される光を、導波路部を含む表面と垂直に検知することを可能にする。変形形態では、追加の光カプラは、放出される光の横方向測定のために構成することができる。他の変形形態では、追加の光カプラは、検知デバイスの部分（デバイス１００の部分でない、外部カプラ）であってよい。読者は、集積化された結合構造物の必要がなくプローブと導波路との間で光が結合される、“Flexible metal grating based optical fiber probe for photonicintegrated circuits”, by Stijn Scheerlinck et al.,Appl. Phys. Lett. 92, 031104 (2008)という文書を参照されたい。
【００４３】
以前に言及したように、フォトニック回路は、好ましくはシリコン・フォトニック回路である。図２、図３に図示されるように、ウェハは、フォトニック回路に加えて電気回路４０をさらに備えることができる。前記電気回路４０は、例えば、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）フロントエンドであってよい。より一般的には、ウェハは、電子回路をさらに備えることができる。
【００４４】
図１でより良好に分かるように、導波路部７１、７２の各々は、誘電体層２０の上に直接延在することができる。この誘電体層は、ウェハの頂部上に設けることができる。この誘電体層２０は、埋込酸化物、例えばＳｉＯ２と呼ぶことができる。誘電体層２０は、好ましくは、１マイクロメートルを超える厚さを有する。実際の最小厚は、発生する光の波長に依存する。使用される光の波長は、好ましくは、例えば１．３〜１．５５ミクロンである。誘電体層は、導波路部のためのより低位のクラッドを提供し、一方、ウェハに対する熱的および機械的な界面を提供する。誘電体層２０は、したがって、デバイスの機械的および熱的な特性を調整するために有利に使用することができる。
【００４５】
ここで図４、図６〜図１０を参照すると、導波路７０、導波路部７１〜７２は結合層５０と接触することができ、結合層５０は、典型的には、ポリマ、ＳｉＯ２、もしくはＡｌ２Ｏ３（またはこれらの任意の組合せ）である。また、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の２分子層が界面として働くことができる。導波路７０、導波路部７１、７２は、図１３に図示されるように、結合層５０の中に部分的に沈んでよく、このことによって、結合層５０の厚さを適合させることにより、光カプラ７５、７６の特性を調整することを可能にする。導波路７０、導波路部７１、７２は、それでも、図１４に図示されるように、結合層５０の表面と同じ高さの１つの表面を有してもよく、このことによって、結合層５０の厚さ変動により誘起される光カプラ７５、７６の結合特性の変動を減少させる。結合層５０がフォトニック回路の表面と面一である場合、フォトニック回路が結合層５０の高さまたは厚さを非常に正確に決定する。他の変形形態では、デバイスは、図１５に図示されるように、導波路７０、導波路部７１、７２が空気によって（横方向に）部分的に囲まれるように設計することができる。このことによって、ウェハ上への利得材料のより簡単な結合が可能になる。というのは、光は空隙を通って押し出され、結合された利得材料中の気泡および結合された利得材料の層剥離の危険を減らすことができるからである。
【００４６】
利得材料は、結合層５０の頂部上に結合することができる。変形形態では、活性利得セクションは、分子結合を使用して、導波路部の頂部上に（直接的または間接的に）配置することができる。
【００４７】
ここで図６〜図１０および図１３〜図１７を参照して、活性利得セクション６２〜６６が、好ましくは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むものとする。変形形態では、活性利得セクション６２〜６６が、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウムなどの半導体合金、またはポリマを含むことができる。使用される半導体は、（例えば、ゲルマニウムを使用するとき）必要に応じて、また好ましくは歪みと組み合わせてドープして、例えば、バンドギャップを間接バンドギャップの代わりに直接バンドギャップにすることができる。そのような材料の組合せを、さらに意図することができる。活性利得セクション６２〜６６は、埋込量子ドットまたは量子井戸材料を含む材料をさらに含むことができる。例えば、活性利得セクション６２〜６６は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むこと、特に、底部接点層６４（および第１の金属接点６５）ならびに底部接点層６４の頂部上の上部６２（および第２の金属接点６６）を含むことができる。そうすることの理由は、後で明らかになる。
【００４８】
・図１７に図示されるように、活性利得セクション６２〜６６は、エピタキシャル層スタック６７を備えることができる。エピタキシャル層スタック６７は、ｎ型ドープされた半導体６４２を含むことができ、その一部が底部接点層６４（の少なくとも部分）を形成することができる。すなわち、底部接点層６４は、層（ｎ型ドープされた半導体６４２）の残留部に制約されて、特に、層（ｎ型ドープされた半導体６４２）の残留部がエピタキシャル層スタック６７をパターン形成することにより（例えば、リソグラフィおよびエッチングにより）形成される場合、基本的に層（ｎ型ドープされた半導体）６４２により形成することができる。エピタキシャル層スタック６７は、上部スタックをさらに備え、上部スタックは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料利得セクションの上部６２（の少なくとも部分）を形成する。図１７では、上部スタックは、
−  ｎ型ドープされた半導体６４２の頂部上に配置される第１の真性半導体６２２と、
−  前記第１の真性半導体の頂部上の複数の量子井戸セクション６２４と、
−  複数の量子井戸セクションの頂部上の第２の真性半導体６２６と、
−  第２の真性半導体の頂部上のｐ型ドープされた半導体６２８と
を備える。
【００４９】
前述の層スタックは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって、または有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）によってのどちらでも、成長するのが簡単である。特に、利得スタックは、ｎ型ドープされたセクションが導波路の近傍にあるという利点を有する。このことは特に魅力的である。というのは、ｐ型ドープされたセクションは、典型的には、接点層（ｐ型ドープされた半導体６２８およびｎ型ドープされた半導体６４２）のそれぞれに存在するドーパントの、同じドープ・レベルまたは濃度に対して、１０倍高い光学的損失を有するからである。
【００５０】
変形形態では、例えば、金、タングステン、チタンなどといった、ただ１つのタイプの接点金属が付着される必要があるように、利得スタックは、両側のｎ型接点でデバイスを終端することを可能にするトンネル接合を含むこともでき、通常は、ｐ型およびｎ型ドープされた領域は、フェルミ・レベルと一致して接触抵抗を減らすために異なるタイプの金属を使用することを想起されたい。
【００５１】
実装の好ましい例は、以下である（図６〜図１１および図１６に図示される）。第一に、フォトニック回路が、２つの別個の導波路部７１、７２を備える（導波路部７１、７２はそれぞれ、前述したように導波路部を画定する）。第二に光カプラ７５、７６が、活性利得セクションと、２つの導波路の各々との間で光を結合する。（図１１参照）その目的のため、各光カプラ７５、７６は、以前に論じたように、対向して配向され重複する２つのテーパ部を備える。すなわち、テーパ部７５２、７６２のうちの１つは、導波路部の端部を形成し、一方、他のテーパ部７５１、７６１は、活性利得セクション６２〜６６に接続される（テーパ部７５１、７６１は、好ましくは活性利得セクション６２〜６６の部分を形成する）。テーパ部７５１、７６１は、活性利得セクションの中心に向かって拡がり、一方テーパ部７５２、７６２（導波路のテーパ）は、活性利得セクションの中心に向かって狭くなる。
【００５２】
前述したように、そのような構成が、結合の断熱性を改善することを示してきた。光学的分布がテーパにわたり同じ固有モード（すなわち、結合される導波路システムのスーパーモード、例えば、基本偶数スーパーモード、基本奇数スーパーモード）により規定され、他のスーパーモードまたは放射モードには最小の分散であるとき、断熱性が達成される。それでもなお、損失は、完全にゼロでは決してない。当技術分野で知られているように断熱性は相対的な用語である。損失が予め定められたレベルよりも低い、例えば、１５％未満、典型的には１０％未満であるとき、カプラは断熱的であると考えられる。
【００５３】
図６〜図１１の実施形態は、４つのテーパ部を（合計で）含む。変形形態では、例えば、各々が活性利得セクションの部分を形成する、ただ２つのテーパ部を（合計で）設けることができる。他の変形形態では、各々が導波路部のそれぞれのものの中に設けられる、ただ２つのテーパ部が設けられる。
【００５４】
導波路部は、必ずしも、それぞれ、良好に画定された導波路によって画定されるわけではない。例えば、図３では、前記２つの導波路部７１、７２を画定する、ただ１つの導波路７０が設けられる（図３およびより一般的には図１〜図５が製造の中間段階におけるデバイスを描くことに留意されたい）。導波路７０は、変化する断面を有することができる（図示せず）。例えば、導波路７０は、２つの導波路部７１、７２を画定する外部と比較して狭い幅を有する中間部を有することができる。
【００５５】
目下は、上に記載されたようなデバイスを使用する、光学利得測定の方法が論じられる。図１１、図１２をより具体的に参照して、そのような方法は、以下のステップを基本的に含む。
−  第一に、本明細書で論じられるようなデバイス１００が準備される（Ｓ１０）
−  第二に、活性利得セクション６２〜６６が励起され（Ｓ２０）、そこで光を発生させる（Ｓ３０）。上に記載されたデバイスの仕様に従い、利得セクションを、電気的ポンピングまたは光学的ポンピングによって励起することができる。
・例えば、利得セクションは、電気プローブ、ワイヤボンド、フリップチップ・ボンディング、またははんだ付けなどを使用することにより、電気的に励起すること（電気的ポンピング）ができる。
・利得セクションは、さもなければ、光パルスによって、または連続波光を使用することにより光学的に励起すること（光学的ポンピング）ができる。
・図１１に概略的に図示されるように、（例えば、エピタキシャル層スタック６７の中、特に、図１７の量子井戸セクション６２４の中で作り出される）電子−正孔対が、利得セクション中で再結合し、光子を発生させることができる。
−  次いで、光カプラ７５、７６により、発生した光を導波路部７１、７２の各々に伝達する（Ｓ４０）。光は、反射器９０において（少なくとも部分的に）反射され（Ｓ４５）、第１の導波路部７１中の光パワーと第２の導波路部７２中の光パワーとの間に非対称をもたらす。
−  最後に、導波路部の各々から放出される光の光パワーを検知し（Ｓ６０）、活性利得セクション６２〜６６の光学利得を評価する（Ｓ７０）。
・すなわち、第１の導波路部７１から放出される光の光パワーおよび第２の導波路部７２から放出される光の光パワーの両方が検知される。
・光パワーは、以下のように検知される。
−  第１の導波路部から放出される光は、第１の導波路部に直接および間接の両方で伝達された光を含む。すなわち、
・発生させ（Ｓ４０）、次いで第１の導波路部７１に直接伝達される（Ｓ４０）光、および
・発生させ（Ｓ４０）、次いで反射器９０において反射され（Ｓ４５）、次いで第１の導波路部に伝達される（Ｓ４０）光
を含む。一方、
−  第２の導波路部７２から放出される光の光パワーは、反射器９０の「後」に検知される。すなわち、第２の導波路部７２から放出される光は、反射器９０において反射されなかった光、すなわち反射器を通過した光の部分を含む。言い換えると、第２の部分７２において検知される光の光パワーは、（ごくわずかな損失および第２の部分７２の環境からの光汚染効果を条件として）反射器９０において反射されなかった光のみを含む。
【００５６】
その点に関し、特に、光が導波路部に伝達されてその中で伝播し、反射器において反射し、または追加のカプラから放出される、あるいはそれらの組合せであるとき、残留損失が発生する可能性があることが理解される。
【００５７】
非対称な反射器９０のため、曲線状の矢印の様々な幅により示されるように、図１１の左手側導波路部７１中の光の強度は、右手側部分７２中の強度よりも大きい。測定される利得は、基本的に、これらの強度間の非対称性を反映する。利得は、直接測定されず、代わりに計算される。典型的には、光パワーは、強度（次いで、放出率）を測定するために検知され、最終的に光学利得を取得する。より明確な詳細は、次のセクションで与えられる。
【００５８】
好ましい実施形態では、導波路部７１、７２の各々は、（例えば、導波路部の対向する端部に配置される）追加の光カプラ８１、８２を備える。放出される光の光パワーは、したがって、（特に、第２の部分７２に関する場合、反射器９０の後に、）追加の光カプラ８１、８２において検知することができる（Ｓ６０）。ステップＳ６０は、特に、追加の光カプラ８１、８２の近傍に置かれる光ファイバ２０１、２０２または光検出器を介して実施することができる。デバイス１００は、そのような検知手段、すなわち、光ファイバ２０１、２０２または光検出器を備えてよい（または備えなくてよい）。
【００５９】
上の実施形態は、添付図面を参照して簡潔に記載された。上の実施形態は、いくつかの変形形態を受け入れることができる。上の特徴のいくつかの組合せを意図することができる。次のセクションで例が与えられる。
【００６０】
２  具体的な実施形態／技術的な実装の詳細
より具体的な実施形態およびその変形形態がここで記載される。そのような実施形態は、チップ上でオンチップ光学利得を測定するための試験構造に類似する、デバイスの周りで展開する。そのキーとなる利点は、利得が以下のように、すなわち、
−  電気的ポンピングを使用することによって
−  ２つの接点だけを同時に確立することによって
−  垂直ファイバプローブを使用すること（したがってウェハ・スケールの試験を可能にすること）によって
−  切り子面を研磨することなく
−  多数の試験構造を製造および測定することなく（１つのデバイスで十分）
−  多数の（２つより多い）接点を付着する必要なく
−  高いスペクトル解像度を必要とすることなく
測定できるということである。
【００６１】
集積化の方式が開示され、そこでは、ゲルマニウム、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＮＡｓＰ、ＧａＳｂ、これらの合金のいずれか、または任意の他の好適な化合物半導体から作られる光学的な活性ベースの利得セクションが、導波路にエバネッセントに結合される、または好ましくはシリコンから作られる導波路とハイブリッド・モードを形成する。これは、活性光学層（すなわち、利得セクション）をシリコン導波路上に直接、または、より低い指数の材料、好ましくは二酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、またはこれらの組合せを使用して製造することができる、結合層５０の頂部上に結合することによって実現される。結合層５０は、さらに、ポリマなどの接着材料から、または任意の他の好適な固体材料、またはそれらの組合せから作ることができる。
【００６２】
好ましい集積化の方式は、分子結合に基づく。ＩＩＩ−Ｖ族ベースの材料は、好適な基板（ＩＩＩ−Ｖ族半導体、Ｓｉ、Ｇｅなど）の上で成長し、任意選択で、分子線エピタキシ、分子蒸気相エピタキシ、有機金属化学気相堆積、原子層エピタキシ、原子層堆積、スパッタリング、または任意の他の好適な薄膜堆積技法により誘電体でカバーされる。次いで、この層は、フロントエンド電子回路および光学素子を備える、電子ウェハの頂部上に結合される。利得材料として働く完全なＩＩＩ−Ｖ族層スタックが結合される、または後続する再成長のためのシード層が結合される、または利得材料および好適なエッチストップを有するシード層の両方を含むＩＩＩ−Ｖ族層スタックが結合される、のいずれかである。
【００６３】
結合は、好ましくは、ＣＭＯＳウェハ（基板１０）上に存在する誘電体層２０の頂部上で実施される。現況技術のＣＭＯＳプロセスでは、この層は、二酸化シリコン層であり、低い表面粗さを呈する平坦面を提供するために、化学機械的研磨（ＣＭＰ）により研磨された。
【００６４】
ウェハまたはウェハ・スケールで結合されたＩＩＩ−Ｖ族ベースの層のいずれかが使用されるので、集積化の方式は、大量製造および現在のバックエンド製造方式との簡単な集積化に向いている。
【００６５】
ＩＩＩ−Ｖ族層内の利得試験構造物は、これらのバックエンド製造方式の期間、電気的に接続される。このようにして、利得試験構造物は、ウェハ・スケールの試験用に製造することができる。
【００６６】
さらに、この試験構造物は、電子回路によって駆動することができ、１つの共通層、すなわち頂部シリコン層中に存在する光学素子に結合することができる。光信号は、垂直プローブ、したがってウェハ・スケールの試験を可能にする、回折格子カプラ（追加の光カプラ８１、８２）によりカップルアウトされる。
【００６７】
そのようなデバイスの例が図９、図１０に示される。
【００６８】
目下は、デバイスへの変形形態および製造方法が記載される。
【００６９】
構造物は、（本発明の実施形態の製造の、初期の中間フェーズを示す）図１に示されるように、活性材料（例えば、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの材料）（活性利得セクション６２〜６６）が、シリコン・フォトニクス回路を備えるウェハ（基板１０）の頂部上に結合されるように設計することができる。シリコン・フォトニック回路は、導波路部７１、７２の両方の端部上の回折格子カプラ（追加の光カプラ８１、８２）、反射率Ｒを有する反射器９０、およびテーパ部７５１、７６１を備える。さらに、シリコン・フォトニクス回路は、酸化物層（誘電体層２０）（埋込酸化物）上に存在しており、酸化物層（誘電体層２０）は、やはりシリコン・ウェハ（基板１０）上に配置され、したがって、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成する。
【００７０】
以前のセクションで言及したように、本発明の実施形態は、前のようにシリコン・フォトニック回路を備え、加えて、図２に示されるように、ＣＭＯＳまたはバイポーラ（Ｂｉ）ＣＭＯＳフロントエンドオブライン（ＦＥＯＬ）（誘電体層２０）を備える基板を含む。この図は、電子回路４０、受動フォトニクス、ウェハ（基板１０）、および埋込酸化物層（誘電体層２０）を備える好ましい実施形態のスタックを表示する。この図は、電子回路４０、ならびに結合の追加手段（追加の光カプラ８１、８２）（例えば、回折格子カプラ）、テーパ状導波路部７１、７２、および反射器９０を含むフォトニック構成要素を備えるホスト基板を示す。トランジスタおよび同様にフォトニクスは完全に処理され、すなわち、シリサイド・ステップ、注入ステップ、およびアニール・ステップを含む。
【００７１】
図３の変形形態では、基板は、２つの断熱結合セクション７５２、７６２の代わりに、回折格子カプラ（追加の光カプラ８１）と回折格子カプラ（追加の光カプラ８２）との間の導波路７０が構成されないことを除いて、基本的に、図２の実施形態と同一である。
【００７２】
シリコン・フォトニクス（導波路７０、導波路部７１、７２）、およびフロントエンドオブライン（電気回路４０）の製造後、デバイスがさらに処理される。次の製造ステップは、結合に好適な層（結合層５０）の堆積である。層は、（接着結合のための）ポリマ、または、好ましい実施形態では、図４に示されるように、二酸化シリコン層であってよい。それでもなお、結合層５０は、アルミナ、二酸化ハフニウム、五酸化タンタル、チタン酸バリウムもしくはチタン酸ストロンチウム、さらには窒化シリコンもしくは酸窒化シリコンを含むことができる。この層は、追加の（より低位の）クラッド層の役割も果たす。
【００７３】
好ましい実施形態では、この結合層５０は、電子的ＦＥＯＬとバックエンドオブライン（ＢＥＯＬ）との間の第１の中間層（いわゆるＩＬＤ１）に類似する。さらに、二酸化シリコン層（結合層５０）は、好ましくは、１０ｎｍと２０００ｎｍの間の厚さ、および０．５ｎｍ未満のｒｍｓ表面粗さを有する。この表面粗さは、専用の堆積プロセスによって達成することができる。
【００７４】
好ましくは、二酸化シリコン層（結合層５０）は、プラズマ促進化学蒸気堆積（ＰＥＣＶＤ）により堆積され、後続の化学機械的研磨（ＣＭＰ）を受ける。
【００７５】
酸化物が堆積され、平坦化された後、ＩＩＩ−Ｖ族層６０は、ウェハの頂部上に結合され、その層６０はさらなる処理を受ける。ＩＩＩ−Ｖ族ウェハ６０は、活性ＩＩＩ−Ｖ族量子井戸（もしくはＱＷ）層、またはシード層、あるいはその両方を備える。ＩＩＩ−Ｖ族層の結合の後、ＩＩＩ−Ｖ族基板は、研削、湿式化学エッチング、またはスマートカットのいずれかにより除去される。好ましい実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ＨＣｌおよび水を含む、湿式化学エッチャントにより除去される。図５は、ＩＩＩ−Ｖ族層６０が頂部上に結合された、製造の現在の段階を表示する。前のセクションで述べたように、ＩＩＩ−Ｖ族層は、ＱＷ（量子井戸セクション６２４）（図１７）およびレーザ発振材料として働く電気接点を備える、完全な層スタックであってよい。変形形態では、ＩＩＩ−Ｖ族層は、ウェハの頂部上の、後続するＩＩＩ−Ｖ族材料の成長のためのシード層である。温度バジェット（４５０〜６５０℃）は、電子回路を含む、ウェハ上の再成長を実施するのに十分であることに注目すべきである。
【００７６】
さらに、結合は、ＩＬＤ１誘電体の頂部上で実施することができ、ＩＬＤ１誘電体はタングステン接点を含む（図示せず）。タングステン接点は、ウェハ領域全体と比較して小さいので、接着が劣化すると予想されない。材料としてのタングステンは、接点として好ましい。というのは、電子線描画システムを使用すると、タングステンは、大きいイオン質量、したがって良好なコントラストを有するので、電子線（ｅビーム）プロセスにとっての位置合わせマーカとして働くことが可能だからである。
【００７７】
ＩＩＩ−Ｖ族層の結合は、分子結合を確立するために、真空中または好適な気体環境中で、炉の中の高い温度の下で実施される。好ましくは、温度は、２００℃と６００℃の間である。しかし、一般的に、温度が３５０℃と４５０℃の間である場合、より良好な結果が得られるであろう。好適な圧力は、典型的には、８０ｋＰａ未満である。
【００７８】
放出のためのエピタキシャル層スタック６７（図１７）は、好ましくは、電気的ポンピングに好適に作られ、所望の光放出を達成することに留意されたい。変形形態では、エピタキシャル層スタック６７は、自由空間伝播を通して、活性利得セクション６２に高強度の光パルスを印加することによって、光学的ポンピングにとって好適とすることができる。エピタキシャル層スタック６７（または、それの単純な変形形態）は、図６〜図１１に示されるデバイスで使用することができる。その点において、図９〜図１１は、主に電気的ポンピング用に設計されたデバイスを概略的に描き、一方、図８に示されるデバイスは、光学的ポンピング用である。それでもなお、図１７のスタックは、光学的ポンピングがドープされた領域（ｐ型ドープされた半導体６２８およびｎ型ドープされた半導体６４２）を厳密に必要とするわけではない（電気的ポンピング用にのみ必要である）が、電気的ポンピングまたは光学的ポンピングのために使用することができる。したがって、図９、図１０、図１１のデバイスは、最適ではないが、光学的ポンピングのためにも使用することができることを理解されたい（図９、図１０、および図１１は、ポンピング光を頂部から遮蔽する金属接点を有する）。最終的に、図８のデバイスは、図９、図１０、図１１のデバイスへの中間ステップとして、または光学的ポンピング用の最終構造として考えることができる。
【００７９】
製造の次のステップでは、（結合または結合および後続の再成長から始まる、完全なエピタキシャル層スタック６７を備える）ＩＩＩ−Ｖ族層６０が構成される。ＩＩＩ−Ｖ族層６０は、特に、湿式化学処理または乾式化学処理のいずれかにより構成することができる。好ましい実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）システムを使用して製造される。ＩＩＩ−Ｖ族利得セクションの製造は、光伝播を達成するための位置合わせに従う。利得セクションは、シリコン導波路または断熱テーパ・セクションに対して位置合わせされる。これは、位置合わせマークにより達成することができる。位置合わせマークは、例えば、ＦＥＯＬの構成期間に、頂部シリコン層中のシリコンから作ることができる。変形形態では、位置合わせマークは、タングステンから作られ、トランジスタのバイア処理期間に製造される。
【００８０】
実施形態では、構造物（デバイス１００）は、光学的ポンピングにとって好適であるように製造することができる。そのようなデバイスの例が図６〜図７に示される。ＩＩＩ−Ｖ族利得セクションは、結合層５０の上に延在し、結合層５０の中に導波路部が沈むが、ＩＩＩ−Ｖ族利得セクションは、依然として、その両端に断熱結合セクション（光カプラ７５、７６）を有する。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族利得セクションは、光学的ポンピングに好適である。ＩＩＩ−Ｖ族利得セクションは、導波路部７１、７２（好ましくは、シリコン導波路）への、低い反射率および損失結合を有するように設計することができる。明らかに、図６〜図７に示されるデバイスは、追加の構成要素（例えば、誘電体層および接点）が同じウェハ・ダイ上に設けられる必要がある場合があるので、必ずしも「最終的」ではない。
【００８１】
図８〜図１１の実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族セクション（活性利得セクション６２〜６６）は、シリコンの導波路（導波路部７１、７２）または（前述のように）断熱結合セクション（光カプラ７５、７６）に対して構成され、加えて底部接点層６４を呈する。底部接点層６４は、好ましくは高度にｎ型ドープされたインジウム・リン（ＩｎＰ）から作られる。というのは、この材料は、ｐ型ドープされたＩｎＰのものより、１桁低い（例えば、１０分の１）光学的損失を呈するからである。しかし、底部接点層６４は、インジウム−ガリウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）またはインジウム−アルミニウム−ヒ素（ＩｎＡｌＡｓ）を含むことができる。
【００８２】
前述したように、図８は、ＩＩＩ−Ｖ族利得層が構成される、電気的ポンピングに好適なデバイスの製造の中間ステップと考えることができる。描かれる画像で、ＩＩＩ−Ｖ族利得セクション（活性利得セクション６２〜６４）は、両端に、断熱結合セクション（光カプラ７５、７６）を有する。そのような構造が、電気的ポンピングに好適となるデバイスの基本を形成する。底部接点層６４は、後で金属化を受けることになる。また、利得セクションの描かれた設計は、シリコンの導波路（導波路部７１、７２）への低い反射率および損失結合を有する。
【００８３】
ＩＩＩ−Ｖ族利得層の構成が完了した後、金属接点が図９、図１０に示されるように付着される。金属接点６５、６６の目的は、利得セクションの電気的ポンピングを可能にすることである。電気接点（金属接点６５、６６）は、タングステン、チタン、窒化チタン、ケイ化コバルト、ケイ化ニッケル、ポリシリコン、金、チタン、ニッケル、プラチナ、アルミニウム、銅、またはこれらの組合せから作ることができる。以前に与えられた理由のため、接点は、好ましくはタングステンから作られる。
【００８４】
追加の変形形態がここで論じられる。
【００８５】
フロントエンド電子回路４０の頂部上にＩＩＩ−Ｖ族材料を結合する代わりに、ゲルマニウムを意図することもできる。というのは、ゲルマニウムは、やはり光学利得を呈する（または、中赤外域で透過性である）からである。ゲルマニウム・オン・インシュレータ（ＧＯＩ）または（ＳｉＧｅバッファを介した）ゲルマニウム・オン・シリコンウェハを、上に記載された製造方法と同様に、ＩＬＤ１の頂部上に結合することができる。また、図２の基板除去と同様に、ウェハは、化学機械的研磨、研削、乾式エッチング、湿式化学エッチング、またはスマートカットのいずれかにより除去することができる。（基本的には、ウェハの埋込酸化物（ＢＯＸ）である）二酸化シリコン層は、乾式化学的、または湿式化学的のいずれかで除去することができる。あるいは、二酸化シリコン層は、ゲルマニウム上に残り、誘電体またはさらなる金属化ステップのためのハード・マスクとして働くこともできる。
【００８６】
描かれた図面に反して、回折格子カプラは、回折格子カプラが１列となり、一定のピッチ（例えば、２５０マイクロメートル）を有するように、導波路の片側に配置することもできる。このように、単一のファイバの代わりに、市販のファイバ・アレイを測定に使用することができる。また、２つのファイバの位置合わせの代わりに、１つのファイバの位置合わせのみが必要であり、このことによって、測定プロセスが著しくスピードアップする。この場合、例えば、チップ（デバイス１００）上のレーザ構造物の利得を測定するために、合計で、（単一の電気プローブで確立することができる、図１１、ステップＳ２０）２つの電気接点および１つのファイバ・アレイが必要となる。
【００８７】
本発明中の波長依存性利得は、Ma et al., Optics ExpressVol. 21, No. 8, pp. 10335-10341, 2013による文書で与えられるような式から、所与の長さＬおよび反射率Ｒの反射器を備える単一のデバイスでの単一の測定によって容易に計算することができる。
【数１】
0006604943.tif 000002
上式で、Ｐ１およびＰ２は、それぞれ追加の光カプラ８１および８２において測定された光パワー・レベルであり、λは、実際の波長である。
【００８８】
上に記載された方法およびデバイスは、フォトニック・チップの製造で使用することができる。結果として得られるフォトニック・チップは、生のウェハの形式で（すなわち、複数のパッケージされていないチップを有する単一のウェハとして）、ベア・ダイとして、またはパッケージ化された形式で、製造者によって流通することができる。パッケージ化された形式の場合、チップは、（マザーボードまたは他のより高レベルのキャリアに固定されるリード線を有するプラスチック・キャリアなど）単一のチップ・パッケージの中に、または（表面相互接続または埋込型相互接続のいずれかあるいはその両方を有するセラミック・キャリアなど）マルチチップ・パッケージの中に装着される。いずれの場合でも、チップは、次いで、（ａ）マザーボードなどの中間製品、または（ｂ）最終製品のいずれかの部分として、他のチップ、個別回路要素、または他の信号処理デバイス、あるいはそれらの組合せと集積化することができる。最終製品は、例えば、トランシーバ、集積化レーザ、光増幅器、送信器、受信器、活性光ケーブルなどのフォトニック・チップを含む任意の製品であってよい。
【００８９】
限られた数の実施形態、変形形態、および添付図面を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加え、均等物で代替できることが理解されよう。特に、所与の実施形態、変形形態に記載される、または図面に示される（デバイス状または方法状の）特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態、変形形態、または図面中の他の特徴と組み合わせること、または交換することができる。上の実施形態または変形形態のいずれかに関して記載された特徴の様々な組合せは、したがって、添付した請求項の範囲内にとどまることを意図することができる。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように、多くの小さい修正を加えることができる。したがって、本発明が、開示されている特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明が、添付の特許請求の範囲に入るあらゆる実施形態を含むことが意図される。加えて、上に明示的に触れられたもの以外の多くの他の変形形態を意図することができる。例えば、明示的に触れられたもの（Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ポリマなど）以外の他の材料を意図することができる。また、活性利得セクション、導波路の形状、テーパの形状などに、他の設計を意図することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１０  基板
２０  誘電体層
４０  電気回路
５０  結合層
６２〜６６  活性利得セクション
６２  上部
６４  底部接点層
６５  金属接点
６６  金属接点
６７  エピタキシャル層スタック
７０  導波路
７１  導波路部
７２  導波路部
７５  光カプラ
７６  光カプラ
８１  追加の光カプラ
８２  追加の光カプラ
９０  部分反射器、反射器
１００  フォトニック回路デバイス、デバイス
２０１  光ファイバ
２０２  光ファイバ
６２２  第１の真性半導体
６２４  量子井戸セクション
６２６  第２の真性半導体
６２８  ｐ型ドープされた半導体
６４２  ｎ型ドープされた半導体
７５１  テーパ部
７５２  テーパ部
７６１  テーパ部
７６２  テーパ部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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