JP2008516283A

JP2008516283A - 共振空洞のバス導波路への垂直結合

Info

Publication number: JP2008516283A
Application number: JP2007535685A
Authority: JP
Inventors: コスタディン・ディー・ディジョルドジェブ; チャオ−クン・リン; マイケル・アール・ティー・タン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2008-05-15
Also published as: GB0707688D0; US20060078254A1; WO2006137844A2; GB2433330B; WO2006137844A3; GB2433330A

Abstract

本発明の実施形態は、リング共振器（２００）とバス導波路（２０１）とを結合するモノリシック垂直構成を含む。モノリシック垂直結合構成は、導波路と共振器との間のエピタキシャル成長結合とともに、結合係数の制御を可能にする。垂直結合構成により、導波路及び共振器構造における異なる材料組成、たとえば能動量子井戸共振器及び透明導波路が可能となり、それにより能動ＷＤＭ部品の設計が容易になる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、共振空洞のバス導波路への結合の技術に関する。

［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
本発明は、一部、助成金番号第ＭＤＡ９７２−０３−３−０００４の下で米国高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）による政府支援を受けてなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

［発明の背景］
最近、チャネルドロッピングフィルタ、ＷＤＭデマルチプレクサ及び能動スイッチを含む、微小空洞を組み込んだ多くの実際的なデバイスが実証された。これら共振構造に固有のスペクトル選択性により、それらは、波長分割多重（ＷＤＭ）システムに対する適用に対し魅力あるものとなっている。バス導波路に結合することにより、単一リングが、入力導波路から別の導波路に共振波長を完全に転送し、定在波共振器に比較して優れた性能を提供することができる。これらデバイスは、非常に小型であることが可能であり、そのため大規模な集積化に適用が可能である。さらに、デバイス設計をわずかに変更することにより、同じ基本構造を使用して、波長可変レーザ、検出器及び変調器をＷＤＭシステムに組み込むことができ、それによりＷＤＭシステムの機能性が大幅に増大する、ということは容易に想像することができる。

微小空洞（又は共振器又は共振空洞又はリング空洞）とバス導波路との間の結合を利用する２つの主な構成がある。第１の手法は水平結合を使用し、第２の手法は垂直結合を使用する。

図１Ａは、水平結合の１つの典型的な構成を示す。ここでは、共振空洞１００ａは導波路１０１ａに隣接して、間にわずかな空隙をおいて配置される。導波路１０１ａはおよそ０．４μｍの寸法を有し、空隙１０３はおよそ０．１μｍの寸法を有する。クラッディング１０２が導波路１０１ａ及び共振器１００ａの両方を覆う。この構成にはいくつかの欠点がある。たとえば、非常に小さい寸法（〜０．１μｍ）は製作が非常に困難であり、容易に複製が可能ではなく、高価な電子ビームツールを使用する必要がある。またこの構成には、結合領域において垂直側壁に比較的深い（空隙のサイズに比較して）エッチングも必要であり、そこでは近接効果が重要となる。別の欠点は、導波路１０１ａ及びリング空洞共振器１００ａは同様の材料特性、たとえば同じエピタキシャル層を有する、ということである。これにより、能動デバイスにおけるこの構成の利用が妨げられ、そこでは、吸収するＱＷを有する能動リング空洞と受動透明導波路とが望ましい。

垂直結合は異なる構成を有することができる。図１Ｂは、垂直結合の１つの典型的な構成を示し、そこでは、共振器１００ｃは導波路１０１ｃの上方に配置される。共振器はポスト１０５によって支持され、ポストと導波路１０１ｃとの間に空隙１０６があってもよい。共振器の一部が導波路の一部の上方に配置されることにより結合が可能になる。この構成により、空隙をもたらすためにディープエッチングを使用する（図１Ａ）のではなく、たとえばクラッディング層のエピタキシャル成長により、又は共振器及び導波路の正確な配置により、結合係数の正確な制御が提供される。さらに、導波路及びリング空洞は、異なる材料組成によって成長することができ、そのため能動デバイスが可能になる。この構成を、元のエピタキシャル構造の転写基板へのウェハ又はポリマ接合によって製作することができる。この構成では、共振器への結合はより優れているが、導波路の入出力ファイバへの結合が非常に不十分である、高屈折率、小型単一モードバス導波路の使用が可能となる。また、この構成により、基板へのエネルギー漏れが低くそのため共振器に対するＱ値が高い、深くエッチングされたリング空洞が可能になる。しかしながら、この構成にはいくつかの欠点がある。たとえば、この製作プロセスはモノリシックではなく非常に複雑であり、ウェハ規模の製作に疑問が残る。さらに、共振器は空中に浮上しポストによって支持されるため、電気的にポンピングされる場合に機械的安定性及び電流／電界一様性の問題がもたらされる。

垂直結合の別の構成を図１Ｃに示す。これは、図１Ｂの構成に類似するが、ポストがなく、共振器１００ｄは導波路１０１ｄ及びその基板１０７によって支持される。この構成の導波路は、埋込形へテロ接合（ＢＨ）バス導波路として知られる。エッチングされたバス導波路は平坦化されており、共振器はウェハ基板１０７の上部に画定されている。共振器は基板によって支持され、共振器の一部は、結合を可能にするために導波路の一部の上部に配置される。この構成は、電気的にポンピングされる場合に優れた機械的安定性及び電気／電界一様性を有する。この構成はまた、リング空洞に対する結合が不十分である（電界の大きさが異なり速度が一致しないため）が、導波路の入出力ファイバに対する結合が非常に優れている。１つの欠点は、製作プロセスに平滑平坦化プロセスが含まれなければならないということである。別の欠点は、共振器が浅いエッチングされたリング空洞を有し、それによってエネルギーが基板内に漏れることが可能になり、損失が高くなる（Ｑ値が低くなる）。

これらのタイプの構造に関するさらなる情報については、非特許文献１乃至非特許文献６を参照されたい。これらはすべて参照により本明細書に援用される。
Hryniewicz, J.V.他著、「Higher Order Filter Response in Coupled Microring Resonators」（IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.3, p.320-332, (March 2000)） Djordjev, Kostadin他著、「Vertically Coupled InP Microdisk Switching Devices with Electroabsorptive Active Regions」（IEEE Photonics Technology Letters, Vol.14, No.8, p.1115-1117, (August 2002) Djordjev, Kostadin他著、「High-Q Vertically Coupled InP Microdisk Resonators」（IEEE Photonics Technology Letters, Vol.14, No.3, p.331-333, (March 2002)） Choi, Seung June他著、「Microdisk Lasers Vertically Coupled to Output Waveguides」（IEEE Photonics Technology Letters, Vol.15, No.10, p.1330-1332, (October 2003)） Choi, Seung June他著、「Microring Resonators Vertically Coupled to Buried Heterostructure Bus Waveguides」（IEEE Photonics Technology Letters, Vol.16, No.3, p.828-830, (March 2004)） Rabus, D.G.他著、「MMI-Coupled Ring Resonators in GaInAsP-InP」（IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, No.8, p.812-814, (August 2001)）

当該技術に関して、能動ＷＤＭ部品の設計が容易になる結合手法が望まれている。

［発明の概要］
本発明によれば、リング共振器とバス導波路とを結合する垂直構成が使用される。垂直結合構成は、導波路と共振器との間のエピタキシャル成長結合とともに、結合係数の制御を可能にする。垂直結合構成により、導波路及び共振器構造における異なる材料組成、たとえば能動量子井戸共振器及び透明導波路が可能となり、それにより能動ＷＤＭ部品の設計が容易になる。

［発明の詳細な説明］
本発明の一実施形態は、空洞からのエネルギー漏れを低くそのためＱ値を高くするために、深くエッチングされた共振器を使用するというものである。

本発明の別の実施形態は、共振器における損失を低減し且つ導波路と共振器との間のモード及び群速度の一致を向上させるために、空洞及び高屈折率リング導波路の下方に幅の狭い高屈折率バス導波路を有するというものである。

本発明のさらなる実施形態は、入出力ファイバに対し低結合損失を提供するためにＢＨ導波路を空洞から離して使用するというものである。

本発明の別の実施形態は、電気的にポンピングされる場合のより優れた機械的安定性及び電流／電界一様性のために、共振器をウェハ表面にモノリシックに集積させるというものである。

能動微小空洞デバイスは、将来のフォトニック回路の基本構成要素であり得る。それらは、小型サイズ及び汎用性を提供する。単一チップ上で多数の機能的部品、スイッチ、変調器、レーザ及び検出器を設計することができる。

導波路に結合される共振空洞に対する１つの使用は、導波路から特定の波長又は特定の範囲の波長を除去（又はフィルタリング）するというものである。バス導波路を介してマイクロリング又は共振器内に結合される光は、リングの周囲を何度も循環し、パスの度に導波路内に戻るように光を漏らす。共振時、この光は、リングを通過して伝送される元の光と位相がずれることになり、共振状態下で、元の伝送波から完全に取り消されることになる。この状態は、共振器を通る１ラウンドトリップパスにおいてもたらされる損失率が、１回のパスで導波路からリングに結合される光の割合と等しい場合に発生する。そして、このマイクロリングにより、共振時に光が完全に減衰することが可能になる。マイクロリングデバイスを設計する場合の主な課題の１つは、そうした損失を低減し結合係数を最適化することである。

損失は、異なる機構から、たとえば側壁の粗さからの散乱、基板への漏れ、曲げ損失及び／又は結合損失からの結果である。最適な性能のために、原因の各々を最小限にすべきである。ドライエッチング法及びマスキングを最適化することにより、側壁の粗さからの散乱を最小限にすることができる。一般に、半導体材料では屈折率コントラストが大きいため曲げ損失は非常に小さい。本発明の実施形態を使用して、基板への漏れによる損失及び出力ファイバへの結合損失が実質的に低減する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の実施形態による共振器及び導波路の構成を示す。図２Ａは、構成の斜視図を示す。図２Ｂは、図２Ａの結合領域２０４の挿込み図を示す。図２Ａはまた、図３Ａ乃至図３Ｈの断面線も示す。なお、本発明の実施形態を別の構成を形成するために使用してもよいため、この構成は単に例としてのものであることに留意されたい。

本構成は、導波路２０１と結合される共振器２００を含む。クラッディング２０２に覆われる共振器２００は、基板２０３によって支持される。共振器２００を、基板上でエピタキシャル成長させてもよい。導波路２０１は、ＢＨ導波路である。なお、図２Ａ及び図２Ｂの図において、結合領域をより容易に示すために導波路の一部に対してクラッディングが除去されているが、作動するデバイスには存在することに留意されたい。導波路のクラッディングは、結合領域２０４では徐々に細くなり、結合領域２０４の外側２０５で広くなることに留意されたい。導波路コアは、ウェハを通して一定幅であり、その幅は、よりよい結合（位相速度が等しくモードプロファイルが同様）のためにリング空洞の幅と等しい。空洞の下方の結合領域では、クラッディングの幅はバスコアの幅に等しく、且つリング空洞の幅に等しい（クラッディングは、プロセス許容誤差のためにわずかに広くてもよい）。この領域では、バス導波路は高屈折率導波路である。空洞から離れるほど、クラッディング幅は徐々に広がり、バスコアよりはるかに広くなる。これにより、大きい低屈折率クラッディングに有効に埋め込まれる小さい高屈折率コアを有するＢＨ導波路が形成される。言い換えれば、バスは、空洞から離れたＢＨ導波路（広）から空洞の下方の高屈折率導波路（狭）まで断熱的（adiabatic）テーパを有する。断熱的とは、導波路を下って移動する光の反射を最小限にするか又は除去するような緩やかな変化を意味することに留意されたい。

図３Ａ乃至図３Ｈは、本発明による実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す。図３Ａ乃至図３Ｈは、図２Ａに示す断面線に沿った、図２Ａ及び図２Ｂの構成の断面図である。

例示的なプロセスは、図３Ａに示すように、ＩｎＰ又はＧａＡｓウェハ若しくは基板３０１上に初期エピタキシャル構造を成長させる（ＭＯＣＶＤを介して）ことによって開始する。導波路構造は、バッファ層３０２及びバス導波路コア層２０１を含む。それら層は、特定の用途に応じて、活性領域があってもなくても、ドープされてもアンドープされなくてもよい。

図３Ｂにおいて、バス導波路２０１を、光リソグラフィ、マスク、及びプラズマ放電（ドライエッチング）又はウェットエッチングによって画定する。なお、バスコアはその経路を通して同じ幅であることに留意されたい。

図３Ｃにおいて、ウェハ３０１を洗浄し、その後有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）反応器において、ＩｎＰ又はＧａＡｓ材料でそれぞれ選択領域成長を行うことにより、コア層２０１を覆うために十分な厚さで平坦化する。この時点で、上面のひだ（corrugation）がかなり多い場合、ひだを低減するために、追加のステップ、たとえばエッチバック技法を行ってもよい。

図３Ｄにおいて、結合領域、共振器ディスクコア２００及び上部クラッディングを含む共振器のエピタキシャル層を画定するために第３のＭＯＣＶＤ成長を行う。

図３Ｅにおいて、共振器リング空洞及びＢＨバス導波路を、選択的にエッチングするか又は除去することができる２つの異なるマスクレベル３０３及び３０４を使用することによって画定する。マスクの例は、金属マスク、誘電体マスク、又は金属／誘電体マスクの組合せであってもよい。優れたエッチング選択性を提供する他のマスクを使用してもよい。第１のマスク３０４はリング形状であってリング空洞を画定し、第２のマスク３０３はテーパ状ＢＨバス導波路を画定する。マスク３０３を図４Ａにも示し、マスク３０４を図４Ｂに示す。図４Ｃは、図３Ｅに示すようなマスク３０３及び３０４の配置の平面図を示す。

図３Ｆにおいて、プラズマ放電においてディープドライエッチングを行うことにより、結合領域においてテーパ状ＢＨバス導波路と一体化されるリング空洞を形成し、その後、図３Ｇに示すように第２のマスク３０３を選択的に除去する。

図３Ｈにおいて、プラズマ放電において第２のドライエッチングを行う。このエッチングを使用して、マスク３０４によってリング空洞の形状を完全に画定する一方で、すでに画定されたテーパ状ＢＨバス導波路をバスコア２０１に転写する（図３Ｆにおいてマスク３０３による）。言い換えれば、マスク３０４によって覆われる部分を除き、構造全体が下方にエッチングされる。この断面図は、結合領域を示しており、構造の部分３０５は共振器２００の一部であり、部分３０６は導波路２０１の一部である。この導波路は、リングへの結合効率をよくするために、空洞に近接して、すなわち結合領域において幅が狭いことにより、高屈折率バス導波路を形成する。導波路は、入出力ポートに近づくと断熱的に広くなり、入出力ファイバへの結合効率をよりよくするために広いＢＨ導波路を形成する。この時点で、第２のマスク３０４を構造から除去し、それにより図２Ａ及び図２Ｂに示す結合された導波路及び共振器が形成される。導波路及び／又は共振器の一方又は両方が能動素子である場合、追加の処理があってもよい。

図５Ａ乃至図５Ｉは、図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図を示す。図５Ａは図３Ａに対応する。図５Ｂは図３Ｂの前のプロセスステップを示し、そこには、導波路を形成するために使用されるマスク３０５が画定されている。図５Ｃは図３Ｂに対応する。図５Ｄは図３Ｃに対応する。図５Ｅは図３Ｄに対応する。マスク３０５は除去されている。図５Ｆは図３Ｅに対応する。図５Ｇは図３Ｆに対応する。図５Ｈは図３Ｇに対応する。図５Ｉは図３Ｈに対応する。

図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ乃至図３Ｈ並びに図５Ａ乃至図５Ｉは、共振空洞をＢＨバス導波路に垂直に結合する構成及びその構成を製作する方法を示す。しかしながら、本発明による実施形態を使用して他のタイプの結合構造を形成してもよい。たとえば共振空洞は、レーストラック形状、回転ミラーを有する折重ね空洞形状、リング形状、ファブリ・ペロー（Fabry-Perot）共振器を形成する直線部、又はより一般的に共振空洞を形成する正のフィードバックを提供することができる任意の形状であることが可能である。共振空洞は、異なるデバイスで異なる機能を実行してもよい。たとえば、共振空洞は、デバイスのフィルタリング特性を提供してもよい。別のデバイスでは、共振空洞を２つの導波路の間に接続してもよく、そこでは、一方の導波路はＤＷＤＭシステムにおける特定の波長に対するドロップ／出力ポートとしての役割を果たす。

本発明による別の実施形態では、共振器のリングは、バスが受動的である一方で、能動導波層（たとえば、量子井戸、量子ドット、バルク材等）を有してもよい。別のデバイスでは、リングが受動的であってもよく、バスが能動的であってもよい。別のデバイスでは、リング及びバスは能動的であってもよい。別のデバイスでは、リング及びバスは受動的であってもよい。別のデバイスでは、矩形状フィルタ応答を有するより高次のフィルタを形成するために、同じバス導波路に結合される複数の共振空洞（各リングが他のリングと同じである）があってもよい。別のデバイスでは、バーニア（Venier）効果を使用して結合フィルタの自由スペクトル領域を増大させるために、同じバス導波路に結合される複数の共振空洞（各リングは他のリングと異なる寸法を有する）があってもよい。

共振器及び導波路の構成を示す図である。共振器及び導波路の構成を示す図である。共振器及び導波路の構成を示す図である。本発明の実施形態による共振器及び導波路の構成を示す図である。本発明の実施形態による共振器及び導波路の構成を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態による、図２Ａ及び図２Ｂの構成を製作する方法の一例を示す図である。図３Ｅ乃至図３Ｈで使用するマスクの平面図である。図３Ｅ乃至図３Ｈで使用するマスクの平面図である。図３Ｅ乃至図３Ｈで使用するマスクの平面図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。図３Ａ乃至図３Ｈの方法の斜視図である。

Claims

光デバイスであって、
表面を有する基板（２０３）と、
前記表面上に配置される導波路（２０１）と、
当該デバイスの結合領域（２０４）において前記導波路に垂直に結合され且つ前記表面上に配置される共振器（２００）と
を具備する、光デバイス。
前記共振器（２００）は、前記基板（２０３）にモノリシックに集積される、請求項１に記載の光デバイス。
前記導波路（２０１）は、前記共振器（２００）の材料とは異なる材料を含む、請求項１に記載の光デバイス。
前記導波路（２０１）は受動的であり、前記共振器（２００）は能動的である、請求項３に記載の光デバイス。
前記導波路（２０１）は透明材料を含み、前記共振器（２００）は量子井戸を形成する複数の材料を含む、請求項３に記載の光デバイス。
前記導波路（２０１）は、
コア層（２０１）と、
前記コア層を包囲するクラッディング層（２０５）と
を備える、請求項１に記載の光デバイス。
前記クラッディング層（２０５）は、前記結合領域（２０４）においてより小さい径を有する、請求項６に記載の光デバイス。
前記クラッディング層（２０５）の一部はテーパ状の径を有し、該径は、前記結合領域（２０４）において最小であるように該結合領域からの距離に従って変化する、請求項６に記載の光デバイス。
前記径は断熱的に変化する、請求項８に記載の光デバイス。
前記導波路（２０１）は、高屈折率導波路の特性を有することからＢＨ導波路の特性を有することまで変化する、請求項６に記載の光デバイス。
前記共振器（２００）は、
コア層と、
前記コア層の一方の側に配置される第１のクラッディング層（２０２）と、
前記コア層の前記一方の側とは反対の側に配置される第２のクラッディング層（２０２）と
を備える、請求項１に記載の光デバイス。