(57)【要約】【課題】光集積回路用ハイブリッドレーザー光源を提供する。【解決手段】本発明は、光導波路が設けられた基板上に少なくとも一側が光導波路と光学的に連結されるように形成される反射カップリング層と、反射カップリング層上に設けられた光モード整列層と、光モード整列層上に設けられ、光を発生させる活性層及びその上に反射層を備える上部構造と、を備える光集積回路の光源に関する。また本発明は、基板上に光導波路と、少なくとも一側が光導波路と光学的に連結された反射カップリング層と、を形成する段階と、反射カップリング層上に光モード整列層を形成する段階と、光を発生させる活性層及びその上に反射層を備える上部構造を、ウェーハボンディングやチップボンディングによって光モード整列層に結合させる段階とを含む光集積回路の光源を製造する方法にも関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路が設けられた基板上に少なくとも一側が前記光導波路と光学的に連結されるように形成される反射カップリング層と、
前記反射カップリング層上に設けられた光モード整列層と、
前記光モード整列層上に設けられ、光を発生させる活性層及びその上に反射層を備える上部構造と、を備える光集積回路の光源。
【請求項２】
前記光モード整列層は、中心部分の高屈折率領域及びその周辺の低屈折率領域を備える請求項１に記載の光集積回路の光源。
【請求項３】
前記高屈折率領域と前記低屈折率領域とは、前記高屈折率領域で光閉じ込めが行われる屈折率差を持つようになっている請求項２に記載の光集積回路の光源。
【請求項４】
前記高屈折率領域は、円形、楕円形、多角形のうちいずれか一形態を持つ請求項２または３に記載の光集積回路の光源。
【請求項５】
前記低屈折率領域は、前記高屈折率領域を取り囲むストリップ状に形成された請求項２ないし４のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項６】
前記光モード整列層の前記低屈折率領域の外側は、前記高屈折率領域と同一物質からなる請求項２ないし５のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項７】
前記低屈折率領域は、前記光源の使用波長以上の幅を持つ請求項２ないし６のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項８】
前記光モード整列層の前記高屈折率領域の外側全体は、前記低屈折率領域で形成された請求項２ないし４のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項９】
前記高屈折率領域はシリコンからなり、前記低屈折率領域はシリコン酸化物や空気からなる請求項２ないし８のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１０】
前記高屈折率領域はシリコン酸化物からなり、前記低屈折率領域は空気からなる請求項２ないし８のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１１】
前記上部構造の活性層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に基づき、
前記基板、反射カップリング層、光モード整列層のうち少なくともいずれか１つは、シリコンに基づく請求項１ないし１０のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１２】
前記上部構造は、基板状にウェーハボンディングによって前記光モード整列層に結合されるか、またはチップ状にチップボンディングによって前記光モード整列層に結合される請求項１ないし１１のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１３】
前記反射カップリング層は、前記上部構造の反射層に対して下部反射層の役割を行い、１次元格子構造を持つハイインデックスコントラストグレーティング反射層である請求項１ないし１２のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１４】
前記反射カップリング層は、シリコンを含む材質で１次元格子構造に形成された請求項１ないし１３のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１５】
前記基板は、その上面に絶縁層を備え、前記絶縁層上に前記反射カップリング層及び光導波路が設けられる請求項１ないし１４のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１６】
前記反射カップリング層と光モード整列層との間に、前記反射カップリング層及び光導波路より屈折率の低いギャップ層をさらに備える請求項１ないし１５のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項１７】
前記ギャップ層は、シリコン酸化物を含む請求項１６に記載の光集積回路の光源。
【請求項１８】
光導波路が設けられた基板上に、少なくとも一側が前記光導波路と光学的に連結されるように形成される反射カップリング層と、
前記反射カップリング層上に設けられたギャップ層と、
前記ギャップ層上に設けられた光モード整列層と、
前記光モード整列層上に設けられ、光を発生させるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に基づく活性層及びその上に反射層を備え、ボンディングによって前記光モード整列層に結合される上部構造と、を備え、
前記基板は、その上面に絶縁層を備えるシリコン基板であり、
前記絶縁層の上部に、前記光導波路及び前記反射カップリング層が設けられ、
前記光導波路、反射カップリング層及び光モード整列層のうち少なくともいずれか１つは、シリコンに基づき、
前記光モード整列層は、中心部分の高屈折率領域及びその周辺の低屈折率領域を備える光集積回路の光源。
【請求項１９】
前記高屈折率領域と前記低屈折率領域とは、前記高屈折率領域で光閉じ込めが行われる屈折率差を持つようになっている請求項１８に記載の光集積回路の光源。
【請求項２０】
前記低屈折率領域は、前記光源の使用波長以上の幅を持つ請求項１８または１９に記載の光集積回路の光源。
【請求項２１】
前記光モード整列層の前記高屈折率領域はシリコンからなり、前記低屈折率領域はシリコン酸化物や空気からなる請求項１８ないし２０のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項２２】
前記光モード整列層の高屈折率領域はシリコン酸化物からなり、前記低屈折率領域は空気からなる請求項１８ないし２０のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項２３】
前記反射カップリング層は、前記上部構造の反射層に対して下部反射層の役割を行い、１次元格子構造を持つハイインデックスコントラストグレーティング反射層である請求項１８ないし２２のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源。
【請求項２４】
下部反射層と、
前記下部反射層に光学的に連結された光導波路と、
前記下部反射層上に設けられた光モード整列層と、
前記光モード整列層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた上部反射層と、を備える光集積回路の光源。
【請求項２５】
前記下部反射層と光モード整列層との間にギャップ層をさらに備える請求項２４に記載の光集積回路の光源。
【請求項２６】
基板と、
前記基板上に形成された光導波路と、
光を発生させて前記光導波路を通じて伝達させる請求項１ないし２５のうちいずれか１項に記載の光源と、を備える光集積回路。
【請求項２７】
基板上に光導波路と、少なくとも一側が前記光導波路と光学的に連結された反射カップリング層と、を形成する段階と、
前記反射カップリング層上に光モード整列層を形成する段階と、
光を発生させる活性層及びその上に反射層を備える上部構造を、ウェーハボンディングやチップボンディングによって前記光モード整列層に結合させる段階と、を含み、請求項１ないし２５のうちいずれか１項に記載の光集積回路の光源を製造する方法。
【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レーザー光源に係り、さらに詳細には、光集積回路に光を供給する光集積回路用ハイブリッドレーザー光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
データ伝送において金属配線を使った電気的連結は、高周波数領域へ行くほど高い伝送損失で電力消耗が大きく、電磁波干渉（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＥＭＩ）などの現象でシステム具現時に設計が困難である。これに比べて、光を用いてデータを交換する光相互接続（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）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できる。
【０００３】
光相互接続技術は、最近近距離及び超短距離データ送受信方法として活発に研究されつつある。現在システム対システム（ｓｙｓｔｅｍ−ｔｏ−ｓｙｓｔｅｍ）、モジュール対モジュール（ｍｏｄｕｌｅ−ｔｏ−ｍｏｄｕｌｅ）、パッケージ対パッケージ（ｐａｃｋａｇｅ−ｔｏ−ｐａｃｋａｇｅ）、チップ対チップ（ｃｈｉｐ−ｔｏ−ｃｈｉｐ）、オンチップなどの段階で、光でデータを送受信する光相互接続技術が開発されている。
【０００４】
チップ対チップ、オンチップなどの近距離及び超短距離光連結システムを具現するために、光源、光導波路、光変調器、光ろ過器、光検出器などの多くの光素子を集積するシリコン基板の光集積回路についての研究が活発に進みつつあり、特に、光集積回路に光を供給する光源についての研究が活発に進みつつある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、共振器の共振モードと光導波路の導波モードのカップリング効率を高め、チップボンディング時にも正確な光モード整列が可能な光集積回路用ハイブリッドレーザー光源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源は、光導波路が設けられた基板上に少なくとも一側が前記光導波路と光学的に連結されるように形成される反射カップリング層と、前記反射カップリング層上に設けられた光モード整列層と、前記光モード整列層上に設けられ、光を発生させる活性層及びその上に反射層を備える上部構造と、を備える。
【０００７】
前記光モード整列層は、中心部分の高屈折率領域及びその周辺の低屈折率領域を備える。
【０００８】
前記高屈折率領域と前記低屈折率領域とは、前記高屈折率領域で光閉じ込め（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）が行われる屈折率差を持つようになっている。
【０００９】
前記高屈折率領域は、円形、楕円形、多角形のうちいずれか一形態を持つ。
【００１０】
前記低屈折率領域は、前記高屈折率領域を取り囲むストリップ状に形成される。
【００１１】
前記光モード整列層の前記低屈折率領域の外側は、前記高屈折率領域と同一物質からなる。
【００１２】
前記低屈折率領域は、前記光源の使用波長以上の幅を持つ。
【００１３】
前記光モード整列層の前記高屈折率領域の外側全体は、前記低屈折率領域で形成される。
【００１４】
前記高屈折率領域は、シリコンからなり、前記低屈折率領域は、シリコン酸化物や空気からなる。
【００１５】
前記高屈折率領域は、シリコン酸化物からなり、前記低屈折率領域は、空気からなる。
【００１６】
前記上部構造の活性層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に基づき、前記基板、反射カップリング層、光モード整列層のうち少なくともいずれか１つは、シリコンに基づく。
【００１７】
前記上部構造は、基板状にウェーハボンディングによって前記光モード整列層に結合されるか、またはチップ状にチップボンディングによって前記光モード整列層に結合される。
【００１８】
前記反射カップリング層は、前記上部構造の反射層に対して下部反射層の役割を行い、１次元格子構造を持つハイインデックスコントラストグレーティング反射層である。
【００１９】
前記反射カップリング層は、シリコンを含む材質で１次元格子構造に形成される。
【００２０】
前記基板は、その上面に絶縁層を備え、前記絶縁層上に前記反射カップリング層及び光導波路が設けられる。
【００２１】
前記反射カップリング層と光モード整列層との間に、前記反射カップリング層及び光導波路より屈折率の低いギャップ層をさらに備える。
【００２２】
前記ギャップ層は、シリコン酸化物を含む。
【００２３】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源は、光導波路が設けられた基板上に、少なくとも一側が前記光導波路と光学的に連結されるように形成される反射カップリング層と、前記反射カップリング層上に設けられたギャップ層と、前記ギャップ層上に設けられた光モード整列層と、前記光モード整列層上に設けられ、光を発生させるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に基づく活性層及びその上に反射層を備え、ボンディングによって前記光モード整列層に結合される上部構造と、を備え、前記基板は、その上面に絶縁層を備えるシリコン基板であり、前記絶縁層の上部に、前記光導波路及び前記反射カップリング層が設けられ、前記光導波路、反射カップリング層及び光モード整列層のうち少なくともいずれか１つは、シリコンに基づき、前記光モード整列層は、中心部分の高屈折率領域及びその周辺の低屈折率領域を備える。
【００２４】
前記高屈折率領域と前記低屈折率領域とは、前記高屈折率領域で光閉じ込めが行われる屈折率差を持つようになっている。
【００２５】
前記低屈折率領域は、前記光源の使用波長以上の幅を持つ。
【００２６】
前記光モード整列層の前記高屈折率領域は、シリコンからなり、前記低屈折率領域は、シリコン酸化物や空気からなる。
【００２７】
前記光モード整列層の高屈折率領域はシリコン酸化物からなり、前記低屈折率領域は空気からなる。
【００２８】
前記反射カップリング層は、前記上部構造の反射層に対して下部反射層の役割を行い、１次元格子構造を持つハイインデックスコントラストグレーティング反射層である。
【００２９】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源は、下部反射層と、前記下部反射層に光学的に連結された光導波路と、前記下部反射層上に設けられた光モード整列層と、前記光モード整列層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた上部反射層と、を備える。
【００３０】
前記下部反射層と光モード整列層との間にギャップ層をさらに備える。
【００３１】
本発明の実施形態による光集積回路は、基板と、前記基板上に形成された光導波路と、光を発生させて前記光導波路を通じて伝達させる本発明の実施形態による光源と、を備える。
【００３２】
本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する方法は、基板上に光導波路と、少なくとも一側が前記光導波路と光学的に連結された反射カップリング層と、を形成する段階と、前記反射カップリング層上に光モード整列層を形成する段階と、光を発生させる活性層及びその上に反射層を備える上部構造を、ウェーハボンディングやチップボンディングによって前記光モード整列層に結合させる段階と、を含む。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源によれば、光モード整列層を備えることで、正確な光モード整列が可能になり、共振器の共振モードと光導波路の導波モードとのカップリング効率を高め、ウェーハボンディング及びチップボンディング時にも正確な光モード整列が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態による光集積回路の光源の概略的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態による光集積回路の光源の概略的な平面図である。
【図３】光モード整列層の一例を示す平面図である。
【図４】光モード整列層の他の例を示す平面図である。
【図５】光モード整列層の他の例を示す平面図である。
【図６】光モード整列層の他の例を示す平面図である。
【図７Ａ】光モード整列層の上部にボンディングされる上部構造の側面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの平面図である。
【図８】光モード整列層が図３の形態を持つ時、前記条件下でＦＤＴＤシミュレーションで得られた光モード整列層中心平面のＩＥｘＩ２分布を示す図面である。
【図９】光モード整列層が図５の形態を持つ時、前記条件下でＦＤＴＤシミュレーションで得られた光モード整列層中心平面のＩＥｘＩ２分布を示す図面である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する過程を示す図面である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する過程を示す図面である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する過程を示す図面である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する過程を示す図面である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する過程を示す図面である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態による光集積回路の光源を製造する過程を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
シリコンは、間接遷移（ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）半導体であり、シリコンで直接レーザーを作ることが難しいため、シリコン基板の光集積回路に光を供給するために多様な方法が研究されている。光連結システムの光源としては、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体レーザー（ＩＩＩ−Ｖ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ）が使われるが、シリコン基板の光集積回路に光を供給するために、外部からＩＩＩ−Ｖ化合物半導体レーザー光を入射させる場合には、光整列が難しく、多くの手間がかかる。
【００３６】
シリコン基板光集積回路にＩＩＩ−Ｖ化合物半導体共振器をボンディングして、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザーを作る技術が開発されている。
【００３７】
すなわち、垂直共振表面光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、ＶＣＳＥＬ）の共振器を、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の光集積回路にボンディングして作られるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー光源が開発されている。ここで、ＶＣＳＥＬ共振器は、上部ミラー層及び活性層を備える構造であり、下部ミラー層の少なくとも一部の構造は、光集積回路が設けられる基板側に形成される。垂直共振表面光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いたハイブリッドレーザー光源は、低電力及び高速直接変調などの長所を持っている。
【００３８】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザーが光集積回路の平面方向光導波路にいかほどの割合で光を伝播させるかを示す値が、カップリング効率である。カップリング効率が低ければ、ほとんどの光を光集積回路に垂直な下方に放出するので、カップリング効率は、ハイブリッドレーザー光源の性能を定める最も重要な要素のうちの１つである。
【００３９】
カップリング効率は、ＶＣＳＥＬ共振器の光共振モードと平面方向光導波路の導波モードとの間の整列位置によって大きく影響される。ウェーハボンディング技術により、ウェーハボンディング以後に正確度及び精密度の高い半導体工程を活用してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー構造を製作すれば、このような正確かつ精密な光学モード整列が可能である。ウェーハボンディング技術は正確かつ精密なモード整列を提供するが、ＶＣＳＥＬ領域を除いたほとんどのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域を使えない。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板は、シリコン基板に比べて高価であり、ＶＣＳＥＬ構造を成長させるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程もコストが多くかかる工程である。ウェーハボンディング技術によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー光源は、コスト側面で高コストであるという短所がある。また、ウェーハボンディング後にＶＣＳＥＬ構造を製作する時にモード整列を優先的に考慮せねばならないので、ＶＣＳＥＬ構造設計上制約がある。
【００４０】
個別ＶＣＳＥＬチップを光集積回路内部の必要な領域に直接ボンディングするチップボンディング技術の場合、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板の全体領域を活用してＶＣＳＥＬを作り、個別ＶＣＳＥＬを多くの光集積回路にボンディングできるため、ウェーハボンディング技術に比べてコスト側面で低コストであるという大きい長所を持つ。
【００４１】
しかし、チップボンディング技術の正確度及び精密度は、ほぼ数μｍであるため、約数μｍの平面方向サイズを持つＶＣＳＥＬ共振器をチップボンディングして、数百ｎｍ〜数μｍ以内のサイズを持つ光導波路を使う光集積回路に正確に光モード整列することは困難である。ＶＣＳＥＬ共振器と光集積回路の光導波路及び補助カップリング構造との相対的な位置によって、ＶＣＳＥＬ共振器の共振モードと光導波路の導波モードとのカップリング効率は大きく変わる。
【００４２】
したがって、光集積回路光源として使うためには、光導波路にレーザー光を効果的に送れるように光モード整列が正常に行われる必要がある。
【００４３】
本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源は、後述するように、チップボンディング時にも正確な光モード整列が得られるように設けられる。
【００４４】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源を詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同一または類似した構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性のために誇張している。以下で詳細に説明する本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源は、共振器の共振モードと光導波路の導波モードとのカップリング効率を高める構造を持つ。このような本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源は、チップボンディング時にも正確な光モード整列が可能である。したがって、チップボンディング技術を活用すれば、低コストで光集積回路用ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー光源を実現できる。
【００４５】
図１は、本発明の実施形態による光集積回路の光源１０の概略的な断面図であり、図２は、本発明の実施形態による光集積回路の光源１０の概略的な平面図である。
【００４６】
図１及び図２を参照すれば、本発明の実施形態による光集積回路の光源１０は、光導波路３０が設けられる基板１上に形成される反射カップリング層２０と、この反射カップリング層２０上に設けられる光モード整列層５０と、光モード整列層５０上に設けられる上部構造７０とを備える。上部構造７０は、ＶＣＳＥＬ共振器であり、光を発生させる活性層７１及びその上の反射層７５を備える。反射カップリング層２０と光モード整列層５０との間にはギャップ層４０がさらに備えられる。
【００４７】
基板１は、その上面に絶縁層５を備える。光導波路３０及び反射カップリング層２０は、この絶縁層５上に形成される。基板１は、シリコン基板である。例えば、基板１は、ＳＯＩ基板の下部シリコン基板でありうる。この場合、絶縁層５は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）層である。また、絶縁層５は、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＮｂＯ、Ｓｉ３Ｎ４のうち少なくとも１つを含む絶縁材料からなってもよい。絶縁層５の絶縁材料は、光導波路３０の材料特性によってその種類が変わり、光導波路３０の屈折率より小さな屈折率を持つ。
【００４８】
基板１上には、光集積回路のための光素子が集積される。この時、光集積回路は、基板１、この基板１上に形成された光導波路３０、光を発生させて光導波路３０を通じて伝達させる、本発明の実施形態による光源１０を備える構成を持つことができ、それ以外にも、基板１上に集積される多様な光素子を含む。
【００４９】
ここで、基板１は他の種類の基板、例えば、ＧａＡｓ基板であってもよい。すなわち、本発明の実施形態による光源１０は、上部構造７０の活性層７１がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に基づき、基板１、反射カップリング層２０、光モード整列層５０のうち少なくともいずれか１つが、シリコンに基づいて、光集積回路用ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー光源を実現できるが、本発明の実施形態がこれらに限定されるものではなく、基板１として、例えば、ＧａＡｓ基板などを使ってもよい。
【００５０】
反射カップリング層２０は、少なくとも一側が光導波路３０と光学的に連結されるように、基板１上に設けられるか、またはＳＯＩ基板のように基板１上に絶縁層５を備える構造である場合には絶縁層５上に設けられるものであり、ボンディングされた上部構造７０の反射層７５に対して下部反射層の役割を行い、光を光導波路３０にカップリングさせる役割を行う。反射カップリング層２０は、１次元格子構造を持つハイインデックスコントラストグレーティング反射層で形成される。すなわち、複数の棒形態が一定間隔で離隔して配置された構造で形成される。例えば、反射カップリング層２０は、シリコンを含む材質で１次元格子構造に形成される。このような反射カップリング層２０は、絶縁層５上にシリコン層を形成し、このシリコン層を１次元格子構造にパターニングして形成される。
【００５１】
このような反射カップリング層２０は、構造的特性によって平面方向、すなわち、基板１に平行な方向に進む成分を持つ光学モードを励起させ、この１次元格子構造によって励起された平面方向に進む光学モードは、反射カップリング層２０と連結された光導波路３０にカップリングされて伝播する。
【００５２】
反射カップリング層２０は、格子周期、棒形態の幅及び高さ、絶縁層５及び／またはギャップ層４０の厚さなどを適宜に調節することにより、高い反射度を持つことができる。例えば、反射カップリング層２０は、約９９．９％以上の高い反射度を持つ。
【００５３】
ギャップ層４０は反射カップリング層２０と重畳し、光導波路３０の一部領域とも重畳する。ギャップ層４０は、反射カップリング層２０及び光導波路３０より低い屈折率を持つように形成される。このようにギャップ層４０を相対的に低い屈折率を持つように形成することで、反射カップリング層２０の反射度を高めることができ、反射カップリング層２０と光導波路３０との間でカップリングされて伝播される光が、光導波路３０に沿ってさらによく伝播されるようにできる。ギャップ層４０は、絶縁材料で形成されてもよい。ギャップ層４０は、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を含む材料からなる層である。また、ギャップ層４０は、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＮｂＯ、Ｓｉ３Ｎ４のうち少なくとも１つを含む材料を用いて形成される。
【００５４】
一方、反射カップリング層２０で励起された平面方向光学モードの光を平面方向光導波路３０によくカップリングさせるためには、上部構造７０の反射層７５及び反射カップリング層２０を含む層構造の全体共振器によって得られる光共振モードと、光導波路３０の光導波モードとがよく整列されねばならない。これは、共振器と光集積回路の光導波路３０や補助カップリング構造などの相対的な位置によって、共振器の共振モードと光導波路３０の導波モードとのカップリング効率が大きく変わるからである。光モード整列が正常に行われねば、光導波路３０に光を正常に伝送できないため、光源１０が光集積回路の光源として正常に動作するためには、光モード整列が正常に行われる必要がある。
【００５５】
平面方向光導波路３０に光をよくカップリングさせるためには、共振器の光共振モードと光導波路３０の光導波モードとが正確に整列されねばならない。ここで、説明の便宜のために、共振器は、上部構造７０、すなわち、活性層７１及び反射層７５を含むＶＣＳＥＬ共振器と、このＶＣＳＥＬ共振器に対して下部ミラー層の役割を行う反射カップリング層２０とを含む概念で使い、上部構造７０、すなわち、ＶＣＳＥＬ共振器は、活性層７１と、上部ミラー層の役割を行う反射層７５とを含む概念で使い、必要に応じて混用して使う。チップボンディング技術の正確度及び精密度は、約数μｍであるため、数μｍほどの平面方向サイズを持つＶＣＳＥＬ共振器をチップボンディングして、数百ｎｍ〜数μｍ以内のサイズを持つ光導波路を使う光集積回路に正確に光モード整列を行えない。
【００５６】
しかし、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源１０によれば、光モード整列層５０を備えることで、上部構造７０をチップボンディングによって結合する時にも、共振器の共振モードと光導波路３０の導波モードとを正確に整列できる。光モード整列層５０は、全体共振器の一部を構成し、光共振モードを直接形成してモード形態を定める。光モード整列層５０は、光集積回路を形成する半導体製造工程で光導波路３０と正確に整列されて形成される。ここで、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源１０の垂直方向共振モードの形態は、下部反射層の役割を行う反射カップリング層２０、光モード整列層５０、そしてボンディングされる上部構造７０、すなわち、ＶＣＳＥＬ共振器構造によって定められる。したがって、光モード整列層５０自体が共振器の一部分を構成し、光導波路３０の導波モードとカップリングされる下部光共振モードの形態を定める。
【００５７】
図３は、光モード整列層５０の一例を示す平面図である。図３では、低屈折率領域５５が高屈折率領域５１を取り囲むストリップ状に形成された例を示す。
【００５８】
図３を参照すれば、光モード整列層５０は、中心部分の高屈折率領域５１と、その周辺の低屈折率領域５５とを備える。低屈折率領域５５は、高屈折率領域５１を取り囲むように形成され、中心部分の高屈折率領域５１が共振器の光共振モードの形態を定める。
【００５９】
高屈折率領域５１及び低屈折率領域５５は、高屈折率領域５１で光閉じ込めが行われる屈折率差を持つように形成される。例えば、高屈折率領域５１が、低屈折率領域５５の屈折率に比べて約０．５以上または約１以上大きい屈折率を持つように形成される。
【００６０】
例えば、高屈折率領域５１は、シリコンからなり、低屈折率領域５５は、シリコン酸化物からなるか、または空気または真空で満たされた空間である。また、高屈折率領域５１は、シリコン酸化物からなり、低屈折率領域５５は、空気または真空で満たされた空間である。概略１．３１μｍ波長帯で、シリコンの屈折率は約３．５、シリコン酸化物の屈折率は約１．５、空気の屈折率は約１であるので、前記のような組み合わせで構成される場合、高屈折率領域５１及び低屈折率領域５５は、光閉じ込めが十分に行われる屈折率差を持つ。
【００６１】
このように、高屈折率領域５１と低屈折率領域５５との屈折率差によって高屈折率領域５１で主に光閉じ込めが行われるようになっている場合、上部構造７０の活性層７１で発生した光は、主に高屈折率領域５１に制限され、下部に位置した反射カップリング層２０と上部にある反射層７５との間で共振するので、光共振領域は、主に高屈折率領域５１内に制限される。
【００６２】
一方、上部構造７０の活性層７１で発生した光が高屈折率領域５１にさらによく制限されるように、低屈折率領域５５は、光源の使用波長以上の幅を持つように形成される。
【００６３】
前述のように高屈折率領域５１及びこれを取り囲む低屈折率領域５５を備える構造を持つ光モード整列層５０は、高屈折率領域５１で制限された光が光導波路３０に最大にカップリングされるように、光集積回路を形成する半導体製造工程で光導波路３０と正確に整列されるように形成される。すなわち、光導波路３０と同様に、光モード整列層５０も半導体製造工程で形成する場合、光モード整列層５０の高屈折率領域５１の正確かつ精密な製造が可能であり、光モード整列層５０を光導波路３０と正確に整列させる。
【００６４】
したがって、上部構造７０の活性層７１領域及び反射層７５が高屈折率領域５１を覆うように、上部構造７０が光モード整列層５０に結合されても、共振する光の範囲は高屈折率領域５１内に制限されるので、共振器の光共振モードと光導波路３０の光導波モードとが正確に整列される。
【００６５】
上部構造７０の活性層７１領域及び反射層７５の面積が高屈折率領域５１を覆うように、上部構造７０を光モード整列層５０に結合させるのは、チップ状の上部構造７０をチップボンディングする時に一般的に示される場合であり、このような光モード整列層５０の存在は、チップ状の上部構造７０を、チップボンディングによって光モード整列層５０に結合させる場合にも、共振器の共振モードと光導波路３０の導波モードとを正確に整列させられる。
【００６６】
したがって、このような光モード整列層５０に、チップ状の上部構造７０をチップボンディングによって結合しても、共振器の共振モードと光導波路３０の導波モードとを正確に整列できる。
【００６７】
もちろん、ウェーハボンディングによって上部構造７０を結合させる場合にも、活性層７１で発生した光の共振範囲は光モード整列層５０の高屈折率領域５１に制限されるので、共振器の共振モードと光導波路３０の導波モードとの正確な整列が可能である。
【００６８】
このように本発明の実施形態による光源１０によれば、チップ状の上部構造７０を、チップボンディングによって光モード整列層５０に結合させる。また、ウェーハボンディングによって、上部構造７０を光モード整列層５０に結合させてもよい。
【００６９】
一方、図２及び図３では、高屈折率領域５１が方形に形成され、低屈折率領域５５が高屈折率領域５１を取り囲むストリップ状に形成された例を示す。それ以外にも、高屈折率領域５１の形状は多様に変形され、低屈折率領域５５も高屈折率領域５１を取り囲みつつ、全体形状は多様に変形される。
【００７０】
例えば、高屈折率領域５１は、円形、楕円形、多角形のうちいずれか一形態を持ち、低屈折率領域５５は、高屈折率領域５１を取り囲むストリップ状であるか、または高屈折率領域５１の外側全体にわたって形成されてもよい。また、低屈折率領域５５が高屈折率領域５１を取り囲むストリップ状である場合、低屈折率領域５５の外側は高屈折率領域５１と同一物質からなってもよい。
【００７１】
図３では、光モード整列層５０が、方形の高屈折率領域５１、高屈折率領域５１を取り囲むストリップ状の低屈折率領域５５、低屈折率領域５５の外側の高屈折率領域５１と同じ物質からなる領域を備える構造の例を示す。
【００７２】
図４では、光モード整列層５０が、方形の高屈折率領域５１と、これを取り囲むように高屈折率領域５１の外側全体にわたって形成された低屈折率領域５５と、を備える構造の例を示す。
【００７３】
図５では、光モード整列層５０が、円形の高屈折率領域５１、高屈折率領域５１を取り囲むストリップ状の低屈折率領域５５、低屈折率領域５５の外側の高屈折率領域５１と同じ物質からなる領域を備える構造の例を示す。
【００７４】
図６は、光モード整列層５０が、円形の高屈折率領域５１、これを取り囲むように高屈折率領域５１の外側全体にわたって形成された低屈折率領域５５を備える構造の例を示す。
【００７５】
このように光モード整列層５０は、多様な実施形態に変形される。
【００７６】
前記のように、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源１０によれば、反射カップリング層２０及び光モード整列層５０は、上部にボンディングされる上部構造７０、すなわち、ＩＩＩ−Ｖ族半導体（活性層７１）及び上部鏡構造と共に全体ＶＣＳＥＬ構造を形成する。下部の反射カップリング層２０と連結された光導波路３０及び光モード整列層５０は、正確度及び精密度の高い半導体製造工程で形成され、ＶＣＳＥＬ共振モードと光導波路３０の導波モードとの間の光整列は、これらの半導体製造工程中に正確に行われる。
【００７７】
一方、図７Ａは、光モード整列層５０の上部にボンディングされる上部構造７０の側面図を示し、図７Ｂは、図７Ａの平面図を示す。
【００７８】
図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、上部構造７０は、光が発生する活性層７１及びこの活性層７１上に設けられた反射層７５を含む。
【００７９】
活性層７１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、量子ウェル構造を含む。量子ウェル構造は、複数の量子ウェル及び量子ウェル間の障壁層で構成されるＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ）構造を持つ。活性層７１は、例えば、光通信に主に用いられる約１．３１μｍまたは約１．５５μｍ波長で発振が起きるように設けられる。活性層７１はＧａＡｓやＩｎＰに基づき、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体物質からなる。
【００８０】
反射層７５、すなわち、上部鏡構造は、活性層７１で発生した光を下部に位置している反射カップリング層２０に向けて反射させ、光を反射層７５と反射カップリング層２０との間で共振させる。この反射層７５は、所望の共振波長（λ）で最大の反射率を持つように設計された分散ブラッグ反射層７５（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）構造でありうる。反射層７５は、屈折率の相異なる２つの物質層が、所望の共振波長の約１／４厚さ（すなわち、λ／４）で交互に繰り返して積層することで形成される。例えば、ＤＢＲ構造は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層とＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ａｓ層（ここで、０≦×，ｙ≦１，ｘ≠ｙ）をそれぞれ約λ／４の厚さで交互に繰り返した構造に形成される。また、反射層７５は、反射カップリング層２０と同一構造、すなわち、１次元格子構造を持つハイインデックスコントラストグレーティング反射層構造を持つこともできる。
【００８１】
前記のような本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源１０によれば、全体ＶＣＳＥＬ構造で下部構造を構成する光モード整列層５０が、ＶＣＳＥＬの下部光共振モードの形態を定め、上部構造７０のボンディングと関係なく、全体ＶＣＳＥＬ構造の共振モードと光導波路３０の導波モードとの整列は、下部構造である反射カップリング層２０と連結された光導波路３０及び光モード整列層５０を形成する半導体製造工程で、高い正確度及び精密度で自然に行われる。
【００８２】
光モード整列層５０が下部共振モードを定めることを確認するために、Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）シミュレーションを行った。ＳｉＯ２厚さが約１μｍのＳＯＩ基板、ＳＯＩ基板の上部シリコン層にパターニングされた周期が約０．５１５μｍ、シリコンの幅が約０．３０９μｍ、高さが約０．３５５μｍの反射カップリング層構造を用い、反射カップリング層構造上に約０．１８３μｍのＳｉＯ２ギャップ層が位置する。ＳｉＯ２ギャップ層の上部に、図３及び図５の形態を持つシリコン（Ｓｉ）光モード整列層が位置する。高屈折率領域は、横約５μｍ、縦約５μｍ、厚さ約１．１２３μｍであり、低屈折率領域は、約１．５μｍ幅を持つ空気領域で設計した。光モード整列層の上部には、活性層としてＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、反射層として９対のＳｉ／ＳｉＮ ＤＢＲ反射構造とが位置し、下部の反射カップリング層と上部ＤＢＲ構造との間で、垂直方向に約１．３１μｍで共振する垂直光学共振器が形成される。反射カップリング層構造は、約１．３１μｍの波長を有し反射カップリング層に垂直入射された光のうち、反射カップリング層のシリコンバーと垂直な方向ｘに偏光された光に対して約９９．８９％の反射度を持ち、ＤＢＲ構造は、垂直入射時に偏光に関係なく約９９．９８％の反射度を持つように設計した。
【００８３】
図８及び図９は、それぞれ光モード整列層５０が図３及び図５の形態を持つ時、前記の条件下でＦＤＴＤシミュレーションで得られた光モード整列層５０の中心平面のＩＥｘＩ２分布である。破線は、光モード整列層５０の中心の高屈折率領域と周辺の低屈折率領域５５との境界線を示す。図８及び図９で、光モード整列層５０の中心の高屈折率領域によって光共振モードの形態が定められるということが分かる。光導波路３０との光整列状態を定める下部光共振モードが光モード整列層５０によって定められるので、上部構造７０のボンディング状態に関係なく正確な整列が行われる。
【００８４】
前記で分かるように、光モード整列層５０を用いれば、個別ＶＣＳＥＬチップを直接ボンディングするチップボンディングを行う時にも正確かつ精密な光モード整列が可能になる。したがって、このような光モード整列層５０は、光集積回路用ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー光源の製造にチップボンディング技術を使えるようにする。チップボンディング技術をＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体／シリコンハイブリッドレーザー光源の製造に使えば、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板の全体領域にＶＣＳＥＬ構造を作って、多くの光集積回路にそれぞれのＶＣＳＥＬチップをボンディングして使えるので、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板の全体からＶＣＳＥＬ構造の必要な一部領域のみ使えるウェーハボンディング技術に比べてコストダウンができ、価格競争力を高めることができる。また多様な構造と特性を持つＶＣＳＥＬ構造を単一光集積回路にボンディングして容易に使える。
【００８５】
前記のような本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源１０は、例えば、以下のように製造される。すなわち、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照すれば、基板１の上部に形成された低屈折率絶縁層５、及び低屈折率絶縁層５の上部に、光導波路３０と、少なくとも一側が光導波路３０と光学的に連結されるように反射カップリング層２０とを形成する。次いで、図１１Ａ及び図１１Ｂのように、この反射カップリング層２０上に光モード整列層５０を形成する。ギャップ層４０を備える構造の場合、反射カップリング層２０上にギャップ層４０を形成し、このギャップ層４０上に光モード整列層５０を形成する。次いで、図１２Ａ及び図１２Ｂのように、光モード整列層５０上に、光を発生させる活性層７１及びその上に反射層７５を含むチップ状の上部構造７０をチップボンディングすれば、本発明の実施形態による光集積回路用ハイブリッドレーザー光源１０が得られる。この時、全体ＶＣＳＥＬ構造の共振モードと光導波路３０の導波モードとの整列は、下部構造である反射カップリング層２０と連結された光導波路３０及び光モード整列層５０を形成する半導体製造工程で行われる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、光集積回路用ハイブリッドレーザー光源関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００８７】
１  基板
５  絶縁層
１０  光源
２０  反射カップリング層
３０  光導波路
４０  ギャップ層
５０  光モード整列層
５１  高屈折率領域
５５  低屈折率領域
７０  上部構造
７１  活性層
７５  反射層
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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