(57)【要約】本発明の様々な実施の形態は、微小共振装置および微小共振装置の製造方法に関する。一実施の形態においては、微小共振装置（２００）は、上面層（２０４）を有する基板（２０６）、および基板内に埋込まれ、基板の上面層に隣接して配置される少なくとも１個の導波路（２１４、２１６）を備える。微小共振装置はまた、上層（２１８）、中間層（２２２）、下層（２２０）、周辺領域、および周囲被膜（２２４）を有する微小共振器（２０２、４０２）を含む。微小共振器の下層（２２０）は基板の上面層（２０４）に接続され、上面層と電気通信を行う。微小共振器が配置されることによって、周辺領域の少なくとも一部は少なくとも１個の導波路（２１４、２１６）上方に配置される。周囲被膜（２２４）は周囲面の少なくとも一部を覆い、微小共振器の上層、中間層、および下層に比べて比較的低い屈折率を有する。
2010535356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面層（２０４）を有する基板（２０６）と、
前記基板（２０６）内に埋込まれ、前記基板の前記上面層に隣接して配置される少なくとも１つの導波路（２１４、２１６）と、
上層（２１８）、中間層（２２２）、下層（２２０）、周辺領域、および周囲被膜（２２４）を有する微小共振器とを備え、
前記微小共振器の前記下層は前記基板の前記上面層に接続されて前記上面層と電気通信を行い、前記微小共振器が配置されることによって、前記周辺領域の少なくとも一部が少なくとも１つの前記導波路の上方に配置され、
前記周囲被膜は前記周囲面の少なくとも一部を覆い、前記微小共振器の前記上層、中間層、および下層に比べて比較的低い屈折率を有することを特徴とする微小共振装置（２００）。
【請求項２】
前記微小共振器の前記上面層上に配置される第１の電極（２０８）と、
前記基板の前記上面層上で前記微小共振器に隣接して配置される少なくとも１つの第２の電極（２１２）とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記中間層内に少なくとも１つの量子井戸（３０１−３０３）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記上層（２１８）はｐ型半導体をさらに備え、
前記下層（２２２）はｎ型半導体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記周囲被膜（２２４）はリン系半導体を更に備え、前記微小共振器に対するクラッド層として機能することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記微小共振器は、マイクロディスク（１０２）およびマイクロリング（４０２）のうち１つをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
上層（２１８）と、
下層（２２０）と、
少なくとも１つの量子井戸（３０１−３０３）を有し、前記上層および前記下層間に配置される中間層（２２２）と、
前記上層、前記下層、および前記中間層の周囲面の少なくとも一部を覆い、前記上層、前記下層、および前記中間層に比べて比較的低い屈折率を有する周囲被膜（２２４）とを備えることを特徴とする微小共振器。
【請求項８】
前記上層（２１８）はｐ型半導体をさらに備え、
前記下層（２２０）はｎ型半導体をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の微小共振器。
【請求項９】
前記周囲被膜（２２４）はリン系半導体をさらに備え、クラッド層として機能することを特徴とする請求項７に記載の微小共振器。
【請求項１０】
マイクロディスク（２０２）およびマイクロリング（４０２）のうち１つをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の微小共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は微小共振装置に関し、詳細には、レーザ、変調器、および光検出器として使用可能な微小共振装置および装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路上に配置される超小型電子デバイスの密度が増大したことにより、デバイスを相互接続する金属製信号線の密度に関連する技術的障害が発生している。更に、金属製信号線を用いることにより、消費電力が大幅に増大し、大部分の回路において最上部に配置される最長の接続線を同期するのが困難となる。同じ情報は、電気信号として信号線を介して送信する代わりに、電磁波（ＥＲ）に符号化して、例えば光ファイバ、リッジ導波路、フォトニック結晶導波路等の導波路を介して送信してもよい。ＥＲに符号化した情報を導波路を介して送信することは、信号線を介した電気信号の送信に比べて多数の利点を有する。まず、信号線を介して電気信号を送信する場合に比べて、導波路を介して送信されるＥＲの劣化もしくは損失は非常に少ない。次に、信号線に比べて、導波路は非常に高い帯域幅に対応させることが可能である。例えば、１本のＣｕ製もしくはＡｌ製配線は１個の電気信号しか送信できないのに対し、１本の光ファイバは異なる符号化ＥＲを約１００個以上送信させることが可能である。
【０００３】
今日、材料科学および半導体製造技術の発達により、例えばＣＭＯＳ回路等の電子デバイスに組込み可能な光素子を開発して、光集積回路（ＰＩＣ）を形成することが可能となっている。「フォトニック」という用語は、古典的な定義によるＥＲもしくは電磁スペクトルに対応する周波数を有する量子化ＥＲにより駆動可能な装置に関する。ＰＩＣは、電子集積回路と同等であるが光技術を利用したものであり、半導体材料のウエハ上に実装可能である。ＰＩＣを効果的に実装するため、受動光素子および能動光素子が必要となる。導波路および減衰器は、通常従来のエピタキシャル法およびリソグラフィ法を用いて製造可能な受動光素子の例であり、超小型電子デバイス間のＥＲの伝搬方向を決定するために用いてもよい。しかしながら、上述のような製造方法においては光素子に不良が発生することが多く、大きなチャネル損失の原因となりかねない。一般的な損失の原因の１つは、表面粗さによる散乱である。
【０００４】
図１は、マイクロディスク１０２の実施例の平面図を示す。一般に、マイクロディスクは、その周囲に比べて大きい屈折率を有するため、マイクロディスク外周の近傍における全内部反射によりチャネルが閉じ込めを受け、マイクロディスク内に閉じ込められる場合もある。マイクロディスク外周の近傍に閉じ込められるＥＲの形態は「ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）」と呼ばれる。マイクロディスク１０２の外周近傍に配置された矢印１０４は、マイクロディスク１０２の外周近傍を伝搬する仮想のＷＧＭを表わす。強度プロット１０６は、マイクロディスク１０２の線Ａ−Ａに沿ったＷＧＭの強度および距離の関係を示す。破線で示す強度曲線１０８および１１０は、マイクロディスク１０２の周辺領域に略閉じ込めを受けたＷＧＭを示す。曲線１０８および１１０のマイクロディスク１０２の直径外に伸長する部分は、マイクロディスク１０２の外周に沿ったＷＧＭのエバネッセント場を表わす。しかしながら、マイクロディスク１０２端部の拡大図１１２は、マイクロディスク１０２を形成するためのエッチング工程が原因となる表面粗さを示す。この表面粗さは散乱損失を増加させ、マイクロディスク１０２のＱ値を減少させる。物理学者および技術者は、散乱損失を減少させ、光素子と関連するＱ値を増加させる光素子デザインおよびその製造方法の必要性を認識している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の様々な実施の形態は、微小共振装置および微小共振装置の製造方法に関する。本発明の一実施の形態においては、微小共振装置は、上面層を有する基板、および基板内に埋込まれ、基板の上面層に隣接して配置される少なくとも１個の導波路を備える。微小共振装置はまた、上層、中間層、下層、周辺領域、および周囲被膜を有する微小共振器を含む。微小共振器の下層は基板の上面層に接続され、上面層と電気通信を行う。微小共振器は、周辺領域の少なくとも一部が少なくとも１個の導波路上方に配置されるよう配置される。周囲被膜は周囲面の少なくとも一部を覆い、微小共振器の上層、中間層、および下層に比べて比較的低い屈折率を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、マイクロディスクの実施例の平面図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態による第１の微小共振装置の等角図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態による第１の微小共振装置の図２Ａに示す線２Ｂ−２Ｂに沿った断面図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態によるマイクロディスクの実施例を備える層の断面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態によるマイクロディスクの周辺領域に配置されるウィスパリングギャラリーモードの断面図を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態による第２の微小共振装置の等角図を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態による第２の微小共振装置の図４Ａに示す線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｈ】図５Ｈは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｉ】図５Ｉは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図５Ｊ】図５Ｊは、本発明の実施の形態による、図２に示す微小共振装置の製造方法に関する図である。
【図６Ａ】図６Ａは、量子井戸からなる利得媒質の電子状態に対応するエネルギ準位図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施の形態による、レーザとして動作する図２に示す微小共振装置の概略図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態による、変調器として動作する図２に示す微小共振装置の概略図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示す微小共振器とのフォトニック通信において電磁波源から放出される電磁波の強度および時間に関するプロットを示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図２に示す微小共振装置により生成される変調電磁波の強度および時間の関係を示す。
【図８】図８は、本発明の実施の形態による、光検出器として動作する図２に示す微小共振装置の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の様々な実施の形態は、微小な共振器（「微小共振器」）装置および微小共振装置の製造方法に関する。微小共振装置はレーザ、変調器、および光検出器として使用可能であり、また、ＣＭＯＳ回路に内蔵されてもよい。以下に説明する微小共振器および製造方法の様々な実施の形態において、同じ材料を含む構造的に類似の部材には同一の参照番号を付し、簡略化を目的として、その構造および機能に関する説明は省略する。
【０００８】
図２Ａは、本発明の実施の形態による微小共振装置２００の等角図を示す。微小共振装置２００は、基板２０６の上面層２０４に接続されるマイクロディスク２０２、マイクロディスク２０２の上面２１０に隣接する第１の電極２０８、および上面層２０４に接続され、かつマイクロディスク２０２に隣接して配置される第２の電極２１２を備える。マイクロディスク２０２は微小共振装置２００の微小共振器であり、所定のＷＧＭに対応するよう構成してもよい。基板２０６は、基板２０６中を伸長し、上面層２０４に隣接して配置される２個の導波路２１４および２１６を含む。導波路２１４および２１６は、マイクロディスク２０２の周辺領域の下方に配置される。マイクロディスク２０２は上層２１８、下層２２０、上層２１８および下層２２０間に配置される中間層２２２を備える。図２Ｂを参照して以下に説明するように、下層２２０は上面層２０４と同じ材料を備えていてもよい。マイクロディスク２０２の層２１８、２２０、および２２２は、以下に図３を参照してより詳細に説明する。微小共振装置２００は、マイクロディスク２０２の周囲面の少なくとも一部を覆う比較的薄い周囲被膜２２４を含む。
【０００９】
図２Ｂは、本発明の実施の形態による微小共振装置２００の図２Ａに示す線２Ｂ−２Ｂに沿った断面図を示す。図２Ｂに示すように、導波路２１４および２１６はマイクロディスク２０２周辺領域の一部の下方に配置される。第２の電極２１２は上面層２０４を介して下層２２０と電気通信を行う。上面層２０４上には第２の電極２１２が１個のみ配置されているが、本発明の他の実施の形態においては、２個以上の電極を上面層２０４に配置してもよい。
【００１０】
上層２１８は、電子を正孔より高濃度で供給する電子供与性不純物でドープされたＩＩＩ−Ｖ半導体でもよい。このような半導体は「ｎ型半導体」と呼ばれる。下層２２０は、正孔を電子より高濃度で供給するアクセプタ不純物原子をドープしたＩＩＩ−Ｖ半導体でもよい。このような半導体は「ｐ型半導体」と呼ばれる。なお、ローマ数字ＩＩＩおよびＶは元素周期表の３族および５族の原子を表わす。中間層２２２は、少なくとも１個の量子井戸を含む。量子井戸の各々は、２個の異なる型のＩＩＩ−Ｖ半導体層間に配置される比較的薄いＩＩＩ−Ｖ半導体層でもよい。図３Ａは、本発明の実施の形態によるマイクロディスク２０２を備える層の断面図を示す。図３Ａにおいて、上層２１８はドーパントとしてＺｎを使用してもよいｐ型ＩｎＰからなっていてもよく、下層２２０はドーパントとしてＳｉを使用してもよいｎ型ＩｎＰからなっていてもよい。中間層２２２はＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yからなる３個の量子井戸３０１−３０３を含み、この場合ｘおよびｙは０より大きく〜１未満である。中間層２２２はまた、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yからなる障壁層３０５−３０８を含み、この場合ｘおよびｙは０より大きく〜１未満である。組成ｘおよびｙの選択は当該技術分野において公知である。例えば、ＩｎＰ層２１８および２２０に格子整合した層の場合、値ｘは０．４７に設定される。選択されるｙ値により量子井戸のバンドギャップエネルギが決定する。量子井戸の動作は図６Ａを参照して以下に説明する。量子井戸３０１−３０３は任意の波長λでＥＲを放射してもよく、障壁層３０５−３０８は比較的大きいバンドギャップを有して、量子井戸内に注入されたキャリア（すなわち、電子および正孔）を閉じ込めてもよい。層３０６および３０７は量子井戸３０１−３０３を分離し、層３０５および３０８は量子井戸３０１および３０３をそれぞれ層２１８および２２０から分離する比較的厚い２個の層である。周囲被膜２２４は非ドープの例えばＩｎＰ等のリン系半導体でもよい。基板２０６はＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、もしくはその他適切な誘電絶縁材料を備えていてもよい。導波路２１４および２１６は、例えばＳｉおよびＧｅ等のＩＶ族原子を備えていてもよい。本発明の他の実施の形態においては、例えばＧａＡｓ、ＧａＰもしくはＧａＮ等の適切な他のＩＩＩ−Ｖ半導体を用いてもよい。
【００１１】
周囲被膜２２４の厚さは約５〜２５ｎｍ、もしくは約１０〜２０ｎｍであってもよく、マイクロディスク２０２の層２１８、２２０、および２２２に対応する屈折率に比べて比較的低い屈折率を有していてもよい。更に、周囲被膜２２４はまた、層２１８、２２０、および２２２の外面に比べてより平滑な外面を有する。その結果、周囲被膜２２４はクラッド層として機能し、マイクロディスク２０２の外周に沿った散乱による損失を減少し、逆にＱ値を上昇させる。図３Ｂは、本発明の実施の形態によるマイクロディスク２０２の周辺領域に配置されるＷＧＭの断面図を示す。図３Ｂに示すように、破線で示す楕円３１０および３１２はマイクロディスク２０２の周辺領域のうちＷＧＭが占める部分を示し、またＷＧＭの導波路２１４および２１６へのエバネセント結合を示す。
【００１２】
本発明の実施の形態による微小共装置の微小共振器は、例えばマイクロディスク２０２等の円形マイクロディスクに制限されるものではない。本発明の他の実施の形態においては、微小共振器はマイクロリングもしくはその他適切な微小共振器からなっていてもよく、円形、楕円形、もしくは共振ＥＲを発生させるその他適切な形状からなっていてもよい。図４Ａは、本発明の実施の形態による第２の微小共振装置４００の等角図を示す。微小共振装置４００は基板２０６の上面層２０４に接続されるマイクロリング４０２を備え、マイクロリング４０２はマイクロリング４０２の一部が導波路２１４および２１６の上方に配置されるよう配置される。マイクロリング４０２の上面上にはマイクロリング電極４０４が配置され、マイクロリング４０２は、マイクロディスク２０２の層２１８、２２０、および２２２と同じ組成を有する上層、中間層、および下層を備える。マイクロリング４０２の下層は上面層２０４と同じ材料を備えていてもよい。微小共振装置４００はまた、マイクロリング４０２の周囲面を覆う比較的薄い周囲被膜４０６を含む。
【００１３】
図４Ｂは、本発明の実施の形態による第２の微小共振装置４００の図４Ａに示す線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図を示す。図４Ｂに示すように、導波路２１４および２１６はマイクロリング４０２の一部の下方に配置される。第２の電極２１２は、上面層２０４を介してマイクロリング４０２の下層と電気通信を行う。本発明の他の実施の形態においては、２個以上の電極を上面層２０４上に配置してもよい。
【００１４】
図５Ａ−５Ｊは、本発明の実施の形態による図２に示す光装置２００の製造方法に関する等角図および断面図を示す。図５Ａは、上層５０２、中間層５０４、下層５０６、およびリン系ウエハ５１０により支持されるエッチング停止層５０８を備える第１の構造体５００の等角図を示す。層５０２および５０６はそれぞれ、ＳｉおよびＺｎをドープした、例えばＩｎＰもしくはＧａＰ等のｎ型およびｐ型ＩＩＩ−Ｖ半導体を備えていてもよい。中間層５０４は、図３を参照して上述したように少なくとも１個の量子井戸を含む。エッチング停止層５０８は格子整合Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓの薄膜であってもよい。層５０２、５０４、および５０６は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、液相エピタキシ（ＬＰＥ）法、水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法、もしくはその他適切なエピタキシ法により蒸着してもよい。図５Ｂは、層５０２、５０４、５０６、５０８、およびウエハ５１０の断面図を示す。
【００１５】
次に、図５Ｃの断面図に示すように、スパッタリングにより上層５０２上に酸化層５１２を蒸着してもよい。酸化層５１２は、図５Ｇを参照して以下に説明するように、上層５０２を基板２０６に容易にウエハ接合するために用いてもよい。層５１２はＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、もしくは基板２０６へのウエハ接合を大幅に促進する、その他適切な誘電材料であってもよい。
【００１６】
図５Ｄは、酸化物基板層５１８上にＳｉ層５１６を有するシリコン・オン・インシュレータ基板（ＳＯＩ）ウエハ５１４を示す。シリコン導波路２１４および２１６は以下のようにＳｉ層５１６内に製造可能である。Ｓｉ層５１６上にフォトレジストを蒸着し、紫外線リソグラフィによりフォトレジスト内に導波路２１４および２１６のフォトレジストマスクをパターニングしてもよい。その後、例えば誘導結合プラズマエッチング装置（ＩＣＰ）およびＣｌ2／ＨＢｒ／Ｈｅ／Ｏ2による化学反応を用いた低圧高密度エッチング装置等の適切なエッチング装置により導波路２１４および２１６をＳｉ層５１４内に形成してもよい。Ｓｉ層５１６内に導波路２１４および２１６を形成した後、溶媒を用いてフォトレジストマスクを除去し、図５Ｂに示すように導波路２１４および２１６を形成してもよい。基板５１８と同じ酸化物材料を備える酸化層を液相化学蒸着により導波路２１４および２１６上に蒸着してもよい。蒸着した酸化物を化学機械研磨（ＣＭＰ）工程により平坦化し、図５Ｆにおいて基板２０６の断面図に示すように、導波路２１４および２１６が内部に埋込まれた基板２０６を形成してもよい。
【００１７】
次に、図５Ｇに示すように第１の構造体５００を反転し、ウエハ接合を用いて酸化層５１２を基板２０６の上面に接合する。選択的ウェットエッチングを用いて層５１０を除去し、図５Ｈに示す第２の構造体５２０を形成してもよい。エッチング停止層５０８を設けて層５０６がエッチングされるのを防止してもよい。また、ＩｎＰおよびエッチング停止層５０８のＩｎＧａＡｓの間にはエッチング選択があるため、塩酸によってもＩｎＰ系ウエハ５１０を除去してもよい。
【００１８】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、化学支援イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）、もしくは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングを用いて層５０２、５０４、および５０６をエッチングして図５Ｉに示すようにマイクロディスク２０２形状に形成してもよい。なお、ＲＩＥ、ＣＡＩＢＥ、およびＩＣＰを用いて、図４に示すようなマイクロリングもしくはその他適切な形状の微小共振器を形成してもよい。基板２０６に隣接する層５０２の一部は残して上面層２０４を形成する。上述のように形成されたマイクロディスク２０２の外面は、エッチング工程の結果凹凸を有する。ドライエッチング工程においては、マイクロディスク２０２の表面に反応性原子が衝突することにより、マイクロディスク２０２の表面上に薄い損傷領域を発生させる。層２１８、２２０、および２２２の上述のように損傷を受け、かつ凹凸が形成された外面により過度の損失が発生し、層に閉込められるＥＲのＱ値が低下する。物質移動工程を用いることにより凹凸を有する表面を平滑化し、損傷をアニーリングする。
【００１９】
エッチングによりマイクロディスク２０２を形成した後、マイクロディスク２０２および基板２０６を適切な分圧を有するホスフィンガス（ＰＨ3）および水素Ｈ2を充満させた反応室内に配置し、チャンバを約４００°Ｃ〜７００°Ｃに加熱する。層２１８、２２０、および２２２内のインジウム原子は解離し、物質移動によりマイクロディスク２０２外面においてホスフィンガス内のリンと反応して、マイクロディスク２０２の外面を覆う比較的薄いＩｎＰ周囲被膜２２４を形成可能となる。物質移動の結果、表面エネルギの最小化および拡散により鋭利な凸面が浸食され、凹面が充填される。
【００２０】
図５Ｊは、本発明の実施の形態によるマイクロディスク２０２を覆う周囲被膜２２４を示す。周囲被膜２２４は約５ｎｍ〜２５ｎｍもしくは約１０ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有していてもよく、周囲被膜２２４の屈折率はマイクロディスク２０２を備える層の屈折率に比べて比較的低いため、クラッド層として機能してもよい。更に、マイクロディスク２０２外面の拡大図５２４に示すように、周囲被膜２２４はより平滑な外面５２６を形成し、凹凸を有する外面５２８が発生させる散乱を減少させ、マイクロディスク２０２のＱ値を増加させる。周囲被膜２２４内の物質移動したＩｎＰは量子井戸層２２２の量子井戸に比べて広いバンドギャップを有し、マイクロディスク２０２のエッチングされた表面上の欠陥におけるキャリアの表面再結合により損失を減少させる。この「ヘテロ界面」により、注入されたキャリアがマイクロディスク２０２の表面に到達するのを防止する作り付け電界が形成される。
【００２１】
マイクロディスク２０２は導波路２１４および２１６内を伝播するコヒーレントＥＲを生成するレーザとして用いてもよい。レーザは、利得媒質もしくは増幅器、ポンプ、および光キャビティ内でのＥＲのフィードバックという３個の基本的な構成要素を備える。中間層２２２の量子井戸が利得媒質を備え、電極２０８および２１２に外部から印加される電流もしくは電圧がポンプであり、中間層２２２の量子井戸をポンピングすることにより生成したＷＧＭがマイクロディスク２０２の外周近傍を伝播する際に全内部反射によりフィードバックが行われる。
【００２２】
利得媒質は、適切なバンドギャップを有する少なくとも１個の量子井戸を備えていてもよい。量子井戸の大きさ、および量子井戸を囲むバルク材料により、量子井戸内の電子状態のエネルギ準位間隔が決定される。通常、量子井戸は価電子帯内で比較的少ない数の量子化電子エネルギ準位を有し、伝導帯内で複数の量子化正孔エネルギ準位を有するよう構成される。伝導帯内の最も低いエネルギ準位から価電子帯内のエネルギ準位に遷移する電子が利得媒質の放射波長λを決定する。図６Ａは、幅ａを有し、量子井戸からなる利得媒質の量子化電子のエネルギ状態に関するエネルギ準位図６００を示す。バンドギャップエネルギＥｇを有する比較的狭い領域６０２は量子井戸に相当し、バンドギャップエネルギ
【００２３】
【数１】
2010535356.tif 000003
【００２４】
を有する比較的広い領域６０４および６０６は量子井戸を囲むバルク材料に相当する。図７Ａに示すように、量子井戸は伝導帯内に正孔エネルギ準位６０８を有し、価電子帯内に３個の電子エネルギ準位６１０−６１２を有する。利得媒質は半導体材料を備えるため、例えば電子ポンピング等の適切な電子刺激により、電子が価電子帯から例えば正孔エネルギ準位６０８等の伝導帯内の量子化準位内に移動する。伝導帯内の電子と価電子帯内の正孔の自然再結合により、ｈｃ／λにより得られるエネルギを有する光子が放出され、この場合ｈはプランク定数であり、ｃは真空中のＥＲ速度である。ＷＧＭ内の光子が利得媒質を励起して同じエネルギもしくは波長の光子を更に生成することにより誘導放出が発生する。自然放出および誘導放出において、放出されるＥＲエネルギはＥ2−Ｅ1＝ｈｃ／λにより得られる。この場合、Ｅ2は伝導帯内にポンピングされた電子のエネルギ準位６０８であり、Ｅ1は伝導帯からの電子と結合する価電子帯内の正孔に対応するエネルギ準位６１０である。利得媒質が電気的にポンピングされている間は、マイクロディスク２０２内における全内部反射により発生するフィードバックによりＷＧＭ強度が増加する。マイクロディスク２０２内における利得が損失と等しくなるとレーザ発振が発生する。マイクロディスク２０２は利得を有する光キャビティを形成し、導波路２１４および２１６はマイクロディスク２０２外でＥＲを結合する。
【００２５】
図６Ｂは、本発明の実施の形態による、レーザとして動作する図２に示す微小共振装置２００の概略図を示す。図６Ｂに示すように、第１および第２の電極２０８および２１２は電流源６１４に接続される。マイクロディスク２０２の量子井戸は、図６Ａを参照して上述したように、マイクロディスク２０２を電流源６１４が供給する適切な大きさの電流によりポンピングすることにより利得媒質として用いることが可能である。その結果、波長λを有するＷＧＭがマイクロディスク２０２内に生成され、全内部反射によりＷＧＭがＷＧＭ強度を増加させながらマイクロディスク２０２の外周近傍を伝播する。ＷＧＭはエバネッセント効果により導波路２１４および２１６に結合し、波長λを有し、導波路２１４および２１６内を伝播するＥＲを発生させる。
【００２６】
図７Ａは、本発明の実施の形態による、変調器として動作する図２に示す微小共振装置２００の概略図を示す。電流源６１４はデータソース７０２に接続され、データソース７０２は中央演算処理装置、記憶装置、もしくはその他のデータ生成装置であってもよい。ＥＲ源７０４は導波路２１６に結合され、図７Ｂに示すように時間に対して略一定の強度を有するＥＲを放射する。図７Ａを再度参照して、マイクロディスク２０２に結合するＥＲ量は離調、結合係数、およびマイクロディスク２０２内での損失に依存する。ＥＲ源７０４により放出されるＥＲの波長λがマイクロディスク２０２の共振から離調されると、当該ＥＲは導波路２１６からマイクロディスク２０２内に結合しない。ＥＲの波長λがマイクロディスク２０２と共振している場合、ＥＲはエバネッセント効果によりマイクロディスク２０２内に結合されてＷＧＭを形成するため、導波路２１６内を伝搬するＥＲの伝送は減少する。導波路２１６内を伝播するＥＲの一部は導波路２１６上方に配置されるマイクロディスク２０２の周辺領域内にエバネッセント効果により結合し、周辺領域内を波長λを有するＷＧＭとして伝播する。データソース７０２は、電流源６１４により生成される電流の大きさを変調することにより、ＷＧＭ内のデータを符号化する。電極２０８および２１２間を伝播する電流の大きさを変調することにより、対応してマイクロディスク２０２の屈折率が変化する。マイクロディスク２０２の屈折率が変化すると、マイクロディスク２０２の共振波長が変化して導波路２１６内を伝播するＥＲの共振波長から離調する。これにより、導波路２１６からマイクロディスク２０２へのＥＲの伝送を変調し、その後、導波路２１６内を伝播するＥＲの強度を変調する。導波路２１４が設けられる場合、ＥＲは入力導波路２１６からマイクロディスク２０２を介して導波路２１４に伝達可能である。導波路２１４に伝達するＥＲ量は結合強度に依存する。マイクロディスク２０２の屈折率を変調することにより、導波路２１４に伝播するＥＲの強度が減少する。導波路２１６内のＥＲの強度はまた、マイクロリング２０２内の損失を調節することにより変調可能である。これは、電圧を印加することにより量子井戸のバンドギャップを変調する量子閉じ込めシュタルク効果を用いることにより可能である。マイクロディスク２０２内の損失を増加することにより、マイクロディスク２０２を介して導波路２１４および２１６内を伝播する強度を変調する。
【００２７】
図７Ｃは、変調ＥＲの強度および時間の関係を示し、比較的低強度の領域７０６および７０８はマイクロディスク２０２上に誘導される比較的高い屈折率に対応する。相対強度を用いれば、相対強度に２進数を割当てることにより情報の符号化が可能である。例えば、２進数「０」は光信号において例えば強度領域７０６および７０８等の低強度を表わしてもよく、２進数「１」は同じ光信号において、例えば強度領域７１０および７１２等の比較的高強度を表わしてもよい。
【００２８】
図８は、本発明の実施の形態による、光検出器として動作する図２に示す微小共振装置２００の概略図を示す。情報を符号化する変調ＥＲ
【００２９】
【数２】
2010535356.tif 000004
【００３０】
は導波路２１６内を伝播する。当該ＥＲはエバネッセント効果によりマイクロディスク２０２の周辺領域に結合し、対応する変調ＷＧＭを生成する。ＷＧＭ強度の変動により、第１および第２の電極２０８および２１２間に対応する揺らぎ電流が誘導される。当該揺らぎ電流は変調ＥＲ内に符号化された同じデータを符号化する電気信号であり、計算装置８０２により処理可能である。
【００３１】
上述の、説明を目的とした記載においては、本発明の完全な理解のために具体的な用語を使用している。しかしながら当業者にとって、本発明を実施するために具体的な詳細は必要ないことは明らかである。上述の記載においては、本発明の具体的な実施の形態は例示および説明を目的として示す。当該実施の形態は本発明の全てを網羅している訳ではなく、また、本発明を開示した形態に制限するものでもない。上述の教示に基づく様々の改良および変更が可能であることは明らかである。本明細書における実施の形態は、本発明の原理および実用的な用途を最適に説明し、これにより、当業者が本発明および様々の実施の形態に意図する特定の用途に適合するよう様々の改良を加えて最適に利用できるよう開示および説明されている。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびその均等物により規定されるものとする。
【図１】
2010535356.tif 000005
【図２Ａ】
2010535356.tif 000006
【図２Ｂ】
2010535356.tif 000007
【図３Ａ】
2010535356.tif 000008
【図３Ｂ】
2010535356.tif 000009
【図４Ａ】
2010535356.tif 000010
【図４Ｂ】
2010535356.tif 000011
【図５Ａ】
2010535356.tif 000012
【図５Ｂ】
2010535356.tif 000013
【図５Ｃ】
2010535356.tif 000014
【図５Ｄ】
2010535356.tif 000015
【図５Ｅ】
2010535356.tif 000016
【図５Ｆ】
2010535356.tif 000017
【図５Ｇ】
2010535356.tif 000018
【図５Ｈ】
2010535356.tif 000019
【図５Ｉ】
2010535356.tif 000020
【図５Ｊ】
2010535356.tif 000021
【図６Ａ】
2010535356.tif 000022
【図６Ｂ】
2010535356.tif 000023
【図７Ａ】
2010535356.tif 000024
【図７Ｂ】
2010535356.tif 000025
【図７Ｃ】
2010535356.tif 000026
【図８】
2010535356.tif 000027
【国際調査報告】
2010535356.tif 000028
2010535356.tif 000029