JP2009537871A - 集積変調器アレイ及びハイブリッド接合型多波長レーザアレイを有する送信器／受信器 - Google Patents

Abstract

単一の半導体材料層から複数の変調された光ビームを供給する装置及び方法である。一例では、装置は、単一の半導体材料層に配置された複数の光導波路を含む。各光導波路は、光導波路に沿って画定される光共振器を含む。複数の光導波路を横切るよう単一の半導体材料層に隣接する単一の増幅媒体材料棒が含まれる。増幅媒体と半導体材料との界面が、各光導波路に沿って画定される。複数の光変調器が、単一の半導体材料層に配置される。各光変調器は、各光導波路に光結合され、光共振器から導かれる各光ビームを変調する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、一般に光学素子に係り、より具体的には光インターコネクト及び通信に係る。

インターネットのデータトラフィック増加率が音声トラフィックを上回るに従って高速且つ効率のよい光学に基づいた技術の必要性が高まり、また、光ファイバ通信の必要性を高めている。高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システム及びギガビット（ＧＢ）イーサネット（登録商標）システムにおいて同じファイバ上で複数の光チャネルを介して伝送することは、光ファイバによって提供される未曾有の容量（信号バンド幅）を使用する簡単な方法を与える。かかるシステムにおいて一般的に使用される光学コンポーネントには、波長分割多重（ＷＤＭ）送信器及び受信器や、回折格子、薄膜フィルタ、ファイバブラッグ回折格子、アレイ導波路回折格子といった光フィルタや、光学アッド／ドロップマルチプレクサや、レーザが含まれる。

レーザは、励起誘導により発光する周知の装置であり、赤外線から紫外線の範囲に及ぶ周波数スペクトルを有するコヒーレントな光ビームを生成し、あらゆる用途に用いられうる。例えば、光通信又はネットワーキング用途では、半導体レーザが用いられて光又は光ビームが生成される。この光又は光ビーム上でデータ又は他の情報が符号化されて送信されうる。

光通信又はネットワーキング用途において使用される他のデバイスは、ファイバに基づいたブラッグ回折格子である。ファイバブラッグ回折格子は、ファイバの長さ方向おいて、ファイバ芯材料の屈折率が周期的に変化する光ファイバであり、感光性の芯を、強い光干渉パターンに露光することにより形成されうる。ファイバの長さ方向において屈折率が変化することにより、ある特定の波長の光ビームは、ファイバブラッグ回折格子によって反射されるが、他の波長の光ビームは、ファイバ内を伝播することが可能にされる。

ファイバブラッグ回折格子の制限は、ファイバブラッグ回折格子によって反射される特定の波長は、実質的に固定されてしまうということである。したがって、光の複数の異なる波長を反射させたい場合、複数の異なるファイバブラッグ回折格子が用いられる。一部の既知のファイバブラッグ回折格子では、光ファイバの長さを変えるべくファイバブラッグ回折格子の光ファイバを物理的に又は機械的に伸張させることで、反射波長に対する僅かな調整が行われうる。この手法の不利点は、反射波長に対する調整量は比較的小さく、また、光ファイバが伸張の物理的応力及び変形によって損傷してしまいうるという点である。

光通信において使用される更なるデバイスには、ブロードバンドのＤＷＤＭネットワーキングシステム及びギガビット（ＧＢ）イーサネット（登録商標）システムにおいて重要なコンポーネントである光送信器が含まれる。現在、多くの光送信器は、外部の変調器と組み合わされた多数の固定波長レーザ、又は、一部の場合では、直接変調されるレーザに基づいている。レーザから生成された光は、変調後、外部のマルチプレクサにより多重化され、光ファイバネットワークに送信される。かかるネットワークにおいて、光は、光スイッチにより増幅され若しくは方向付けられ、又は、その両方が行われる。一般的に、レーザは固定の波長を生成するので、各伝送チャネルには別個のレーザ及び変調器が用いられる。レーザ及びその関連のコンポーネントの製作には費用が非常にかかり、更に、送信されるべき光の波長それぞれに対して別個のコンポーネントを用いることも費用がかかり且つ非効率的である。

本発明を、添付図面において限定的にではなく例示的に説明する。

本発明の教示による集積半導体変調器多波長レーザアレイの一例を概略的に示す図である。

本発明の教示による集積半導体変調器多波長レーザアレイに用いられる複数の例示的なレーザのうちの１つを概略的に示す側断面図である。

本発明の教示による集積半導体変調器多波長レーザアレイに用いられる複数の例示的なレーザのうちの１つを概略的に示す別の側断面図である。

本発明の教示による光変調器に用いられる、ｐｎ接合界面に空乏領域を有する片側共平面コンタクトを有する光導波路を含む光位相変調器の一例を概略的に示す断面図である。

本発明の教示による、集積半導体変調器及びハイブリッド接合型多波長レーザを有する超大容量送信器／受信器を含む例示的なシステムを概略的に示す図である。

集積半導体変調器アレイ及びハイブリッド接合型多波長レーザアレイを有する超大容量の送信器／受信器を提供する方法及び装置を開示する。以下の説明において、幾つかの具体的な詳細を記載して本発明の完全な理解を提供するものとする。しかし、当業者には、これらの具体的な詳細は、本発明を実施するために必ずしも用いなくてもよいことは明らかであろう。また、周知の材料又は方法は、本発明を不明瞭とすることを回避すべく詳細には説明していない。

本明細書における「一実施例」との参照は、かかる実施例に関連して説明する特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味するものである。したがって、本明細書中の様々な箇所で「一実施例では」という表現を用いることで必ずしも全て同一の実施例を参照しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、１以上の実施例において任意の適切な手法で組み合わされてもよい。また、本明細書に添付する図面は、当業者に向けて説明することを意図しており、必ずしも縮尺が測られているわけではないことを理解すべきである。

図１は、本発明の教示による集積半導体変調器多波長レーザアレイ１０１の一例を概略的に示す。図示する例では、多波長レーザアレイ１０１は、単一の半導体材料層１０３から複数の連続波（ＣＷ）光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎを供給する。一例では、かかる単一の半導体材料層１０３は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハのシリコン層である。図示する例では、各光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎは、各レーザの増幅及び空洞反射のスペクトル幅によって主に決定されるレーザスペクトル幅を有する広帯域のレーザ出力である。例示的な多波長レーザアレイ１０１は、単一の半導体材料層１０３に配置される複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎを含む。説明している例において、複数の光導波路を表すべく図１では「Ｎ」個の光導波路を示す。複数の導波路とは、本発明の教示によれば、２以上の光導波路を示しうることは理解されよう。換言すれば、Ｎは、本発明の教示によれば、２以上である。一例では、光導波路は、単一の半導体材料層１０３に配置されるシリコンのリブ導波路、ストリップ導波路等である。

本発明の教示にしたがって、一例において、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎのそれぞれは、各反射器１０７Ａ／１０９Ａ、１０７Ｂ／１０９Ｂ、…、１０７Ｎ／１０９Ｎ間の光導波路に沿って画定される光共振器（optical cavity）を含む。本発明の教示にしたがって、様々な例において、反射器は、半導体材料１０３における回折格子、半導体材料１０３の面上の反射被覆物、又は、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎにおいて光共振器を画定する他の好適な技法のうちの１以上を含みうる。本発明の教示にしたがって、別の例では、リング共振器１２０Ａ、１２０Ｂ、…、１２０Ｎが半導体材料１０３に画定され、それぞれ、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎのうちの１つに光結合されて、各光導波路に沿って光共振器を画定する。反射器１０７Ａ／１０９Ａ、１０７Ｂ／１０９Ｂ、…、１０７Ｎ／１０９Ｎを含む光共振器の例では、リング共振器１２０Ａ、１２０Ｂ、…、１２０Ｎは含まれない。リング共振器１２０Ａ、１２０Ｂ、…、１２０Ｎを含む光共振器の例では、反射器１０７Ａ／１０９Ａ、１０７Ｂ／１０９Ｂ、…、１０７Ｎ／１０９Ｎは含まれない。

単一の増幅媒体材料棒１２３は、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎを横切るよう単一の半導体材料層１０３に隣接している。別の例では、多波長レーザアレイ１０１に、２以上の単一の増幅媒体材料棒１２３が含まれてもよい。しかし、この場合、単一の増幅媒体材料棒１２３のそれぞれは、本発明の教示にしたがって、複数の光導波路を横切るよう配置される。一例では、単一の増幅媒体材料棒１２３は、ＩｎＰといったＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料を含むＩＩＩ−Ｖ族の半導体の棒である。特に、単一の増幅媒体材料棒１２３は、例えば、ＳＯＩウェハのシリコン層内の複数のシリコンリブ導波路の「上部」に亘ってフリップフロップ接合又はウェハ接合された単一の多重量子井戸（ＭＱＷ）に基づいたＩｎＰ増幅チップである。したがって、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎのそれぞれに沿って増幅媒体−半導体材料の界面が画定されたＩＩＩ−Ｖ族のレーザのアレイが形成される。図示するように、複数の光導波路を横切るように単一の増幅媒体材料棒１２３を接合する際の位置合わせの問題がないので、本発明の教示によると、レーザのアレイは、例えば、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の個々の別個のレーザを取り付け且つ位置合わせするのにかかる費用の何分の１かの費用で提供及び製作される。

一例では、パワーモニタ１１１Ａ、１１１Ｂ、…、１１１Ｎが、それぞれ、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎに光結合される。本発明の教示にしたがって、一例において、複数のパワーモニタ１１１Ａ、１１１Ｂ、…、１１１Ｎは、単一の半導体材料層１０３上に配置された、ヘリウムイオンがドープされた半導体の集積導波路光検出器又は好適なイオンが注入された半導体の導波路光検出器、集積ＳｉＧｅ光検出器等の１以上を含み、各レーザから出力される複数の光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎをモニタする。

複数の光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎが、単一の半導体材料層１０３に配置される。一例では、複数の光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎは、図示するようにＳｉ変調器であり、それぞれ、２つのアームを有するマッハ−ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を含む。一例では、Ｓｉ変調器は、１０−４０Ｇｂ以上の速度で動作することができる。光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎにおける各ＭＺＩのアームの少なくとも一方は、光移相器１１５Ａ、１１５Ｂ、…、１１５Ｎを含み、それにより、各ＭＺＩの各アーム間の位相シフトを変調して光ビームを変調する。したがって、複数の光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎのそれぞれは、複数の光導波路のうちの１つに光結合され、各光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎ内に画定される光共振器から向けられる各光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎを変調する。

本発明の教示にしたがって、別の例では、複数の光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎは、他の好適な技法を用いても実施されうることは理解されよう。例えば、他の光変調器は、検出器及びレーザと同じ又は同様のウェハ接合メカニズムを用いることで、電気光学的な歪シリコンを用いることで、レーザを直接変調することで、又は、本発明の教示にしたがって他の好適な光変調技法を用いることで供給されうる。

本発明の教示にしたがって、説明する例では、マルチプレクサ１１７が複数の光変調器１１５Ａ、１１５Ｂ、…、１１５Ｎに結合されて、複数の変調された光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎを単一の光ビーム１２１に合成する。本発明の教示では、一例において、かかるマルチプレクサ１１７は、波長選択型アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であり、これは、多波長レーザアレイ１０１によって用いられて、複数の変調された光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎから所望の複数の波長λ_１、λ_２、…、λ_Ｎを選択し、変調された光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎの複数の選択された波長を、光ビーム１２１に合成する。本発明の教示では、一例では、マルチプレクサ１１７は、例えば、約１×１ｍｍの比較的小さい寸法を有し、したがって、単一の半導体材料層１０３を含む単一のダイ内に取り付けられる。

本発明の教示にしたがって、図１に示す例において、制御回路１６１も単一の半導体材料層１０３に含められうる又は集積されうる。例えば、一例では、単一の半導体材料層１０３はシリコンであり、制御回路１６１は、このシリコンに直接集積されてもよい。本発明の教示では、一例において、制御回路１６１は、多波長レーザアレイ１０１、複数のパワーモニタ１１１Ａ、１１１Ｂ、…、１１１Ｎ、複数の光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎ、又は、単一の半導体材料層１０３に配置される他のデバイス又は構造のうちの任意の１以上を制御及び／又はモニタすべく電気的に結合されうる。

図２は、例示的なレーザを概略的に示す側断面図であり、このレーザは、図１の本発明の集積半導体変調器多波長レーザアレイ１０１内に示す複数のレーザのうちの１つでありうる。図２に示すように、レーザ２２５は、単一の半導体層２０３と、かかる単一の半導体層２０３と基板層２３１との間に配置された埋め込み酸化層２２９とを含むＳＯＩウェハに集積される。一例では、単一の半導体層２０３及び基板層２３１は、シリコンから形成される。図示するように、光導波路２０５は、単一の半導体層２０３内に配置される。一例では、光導波路２０５は、反射器２０７と反射器２０９との間に画定される光共振器２２７を有するリブ導波路である。図２に示すように、反射器２０７及び２０９は、本発明による一例では、ブラッグ（Bragg）反射器である。

図１の単一の増幅媒体材料棒１２３と同様に、図２に示すように、単一の増幅媒体材料棒２２３を、単一の半導体材料層２０３の単層の「上部」に接合し、光導波路２０５の「上部」全体に且つ光導波路２０５に隣接して接合する。この結果、光導波路２０５に沿った光ビームの伝播方向に平行な光導波路２０５に沿った増幅媒体−半導体材料の界面２３３があることになる。一例では、単一の増幅媒体材料棒２２３は、ＩＩＩ−Ｖ族の増幅媒体であり、光導波路２０５と単一の増幅媒体材料棒２２３との間にはエバネセント光結合が存在する。光導波路２０５の導波路寸法に依存して、光モードの一部は、ＩＩＩ−Ｖ族の増幅媒体内にあり、光モードの一部は、光導波路２０５のリブ領域内にある。本発明の教示にしたがって、増幅媒体としてＭＱＷを用い、ミラーとしてシリコン導波路に基づいた反射器を用いる例では、レイジングは、光共振器２２７を用いて得られる。図２では、レイジングは、光ビーム２１９が、反射器２０７と２０９間で、光共振器２２７において、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族の増幅媒体２２３に対してあらゆる方向に反射されることにより示す。本発明の教示では、説明する例において、反射器２０９は部分的に反射性であり、それにより、光ビーム２１９は図２の右側から出力される。本発明の教示では、一例において、レーザ２２５は、広帯域のレーザであるので、反射器２０７及び２０９は、光共振器２２７に対して狭バンドの反射器又はブラッグ回折格子である必要はない。これにより、製造の複雑さが大幅に減少される。

図３は、レーザ３２５の一例を概略的に示す断面図であり、このレーザは、本発明の集積半導体変調器多波長レーザにおける図１又は２に関連して上述した複数のレーザのうちの１つとして用いうる。図示するように、ＳＯＩウェハは、単一の半導体材料層３０３と半導体基板３３１との間に配置される埋め込み酸化層３２９を有する。図示する例では、シリコンリブ導波路３０５が、単一の半導体材料層３０３内に配置される。

図３に示す例の説明を続けるに、単一の増幅媒体材料棒３２３が、光導波路３０５の上部に接合される。図３の例に示すように、単一の増幅媒体材料棒３２３と光導波路３０５との間のエバネセント結合を有する光導波路３０５の寸法に依存して、光モード３１９の一部は、光導波路３０５のリブ領域内にあり、光モード３１９の一部は、単一の増幅媒体材料棒３２３内にあるように示される。図３に示すように、単一の増幅媒体材料棒３２３の一例は、ｐ型ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含み、例えば、ＩｎＰ又は別の好適なＩＩＩ−Ｖ族の材料である。一例では、単一の増幅媒体材料棒３２３は更に、多量子井戸（ＭＱＷ）材料を含む。本発明の教示では、一例において、単一の増幅媒体材料棒３２３は、光導波路３０５のリブ領域に接合される且つ隣接する。図示するように、コンタクト３４１も、単一の増幅媒体材料棒３２３に結合される。

図３に示す例では、導電性接合の設計を示す。本発明の教示によると、この設計では、電流注入は、光導波路３０５のシリコンを介して行われ、それにより、レーザ３２５を動作させ且つ電気的に動かす。したがって、シリコンリブ導波路３０５は、ｎ型ドーピングを含む。説明する例では、コンタクト３４３及び３４５は、光導波路３０５のスラブ領域の外側部分に結合される。したがって、本発明の教示によると、電流は、コンタクト３４１、単一の増幅媒体材料棒３２３、ｎ型ドープされた光導波路３０５を介してコンタクト３４３及び３４５に注入され、それにより、レーザ３２５が動作される。

図４は、本発明による光変調器に用いられる、ｐｎ接合界面４４７に空乏領域４３３を有する片側共平面コンタクト４１３を有する光導波路４２７を含む光位相変調器４０１の一例を概略的に示す断面図である。本発明の教示によると、一例において、光位相変調器４０１は、図１の光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎの１以上の光位相変調器１１５Ａ、１１５Ｂ、…、１１５Ｎの代わりに用いてもよい。

本発明の教示によると、図４に示す例では、ｐｎ接合界面４４７における空乏領域４３３は、無線周波数（ＲＦ）源４４５によって供給される進行信号４５５において外部駆動電圧が実質的にゼロであるときのものを示している。一例として、ｎ型及びｐ型のドーピングによって、空乏領域４３３内には自由な電荷キャリアは実質的になく、空乏領域４３３の外側には自由な電荷キャリアがある。説明する例に示すように、光位相変調器４０１は、反対のドーピング型を有する半導体材料からなる隣接領域４０３及び４０５を含む光導波路４２７を含む。説明する例では、光導波路４２７は、リブ領域４２９及びスラブ領域４３１を含むリブ導波路として示す。説明する例から分かるように、光導波路４２７を通る光ビームの伝播光モード４２１の強度の減少量は、リブ領域４２９の「上の隅部」と、光導波路４２７のスラブ領域４３１の「側部」において少量である。説明する例では、光ビームは、光導波路４２７を通り「ページ内に」伝播するものとして示す。なお、ストリップ導波路等の他のタイプの好適な導波路を他の例において用いうることは理解されよう。一例では、半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）を含む。例えば、空乏領域４３３の外側のｎ型シリコンにおける自由電荷キャリアは電子であり、空乏領域４３３の外側のｐ型シリコンにおける自由電荷キャリアは正孔であるよう領域４０３はｎ型シリコンを含み、領域４０５はｐ型シリコンを含みうる。他の例では、半導体材料は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｓｉ／Ｇｅ等の他の好適なタイプの半導体材料を含みうる。一例では、領域４０３及び４０５は、領域４０３と４０５との間のｐｎ接合界面４４７が、組み込まれた電界によって逆バイアスされているようなドーピング濃度を有する。本発明の別の例では、領域４０３及び４０５のドーピングの極性は、逆にされてもよい。

図４における例は更に、光位相変調器４０１が、ＳＯＩウェハ内に含まれることを示ししたがって、別の半導体層４０９と領域４０５の半導体材料との間に配置された埋め込み酸化層４０７を含む。図示するように、光位相変調器４０１は更に、光導波路４２７のクラッド材としても機能するバッファ層絶縁材料４２３も含む。説明する例では、光位相変調器４０１は更に、より高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３を含み、これらは、光導波路４２７を通る光モード４２１の光路の外側に配置される。光導波路４２７を通る光モード４２３の光路の外側に高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３があることにより、光損失が減少される。説明する例では、高濃度にドープされた領域４３７は、ｎ＋＋ドープされ、これは、領域４０３と同じドーピング型であり、高濃度にドープされた領域４４１は、ｐ＋＋ドープされ、これは、領域４０５と同じドーピング型（ｐ）である。説明する例では、高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３は、光導波路４２７に沿った光モード４２１の光路内の領域４０３及び４０５のドーピング濃度より高いドーピング濃度を有する。

図示するように、高濃度にドープされた領域４４１及び４４３は、領域４０５の両側部に対称に隣接且つ結合される。対照的に、本発明の教示にしたがって、高濃度にドープされた領域は、領域４０３の両側部の一方だけに非対称に隣接且つ結合される。光位相変調器は更に、共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９を含み、これらは、それぞれ、ビア４４９、４５１、及び４５３を介してバッファ層絶縁材料４２３を通り、高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３に結合される。図示するように、共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９は更に、光導波路４２７の光モード４２１の光路の外側に配置される。一例として、共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９は、高い導電率及び低抵抗を有する金属を含む。本発明の教示にしたがって、説明する例では、共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９は組み合わされ、高周波進行波信号の伝送のために設計される金属電極に接続される。

図示するように、共平面コンタクト４１３の一端は、ＲＦ源４４５からの進行波信号４５５を受取るよう結合される。共平面コンタクト４１３の他端は、接地といった基準電圧に結合される負荷インピーダンス又は終端負荷４５７で終端される。共平面コンタクト４１７及び４１９も、接地といった基準電圧に結合される。したがって、本発明の教示では、領域４０３と４０５との間のｐｎ接合界面４４７のバイアスは、高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３を介する進行波信号４５５による外部駆動電圧の印加により調整される。本発明の教示では、高いドーピング濃度を有する高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３は、共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９の半導体材料領域４０３及び４０５への電気的な結合を向上させる。電気的な結合が向上されることによって、金属コンタクト４１３、４１７、及び４１９と半導体材料領域４０３及び４０５との接触抵抗を減少し、これは、進行波信号４５５のＲＦ減衰を減少し、これは、本発明の光位相変調器４０１の電気性能を向上させる。ＲＦ減衰が減少するとともに、光波と電波の速度が良好に整合すると、本発明の光位相変調器４０１の切替え時間及びデバイス速度をより高速にすることが可能となる。

説明する例では、進行波信号４５５は、ＲＦ源４４５によって共平面コンタクト４１３の一端に供給されて、本発明の光導波路４２７の領域４０３と４０５との間のｐｎ接合界面４４７における空乏領域４３３のサイズ又は厚さが調整される。図示するように、空乏領域４３３は、光導波路４２７を通り伝播する光ビームの光モード４２１と重なる。図４に示す例示的なデバイスでは、光波とＲＦマイクロ波がともに導波路に沿って伝播する。ＲＦ位相速度が光群速度と一致する場合、光ビームは、印加された電界に呼応して位相がシフトされる。したがって、本発明の教示では、デバイスの速度は、ＲＣ時定数に制限されない。

一例では、共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９に結合される高濃度にドープされた領域４３７、４４１、及び４４３のそれぞれの幅、高さ、及び相対位置は、速度整合が取れるよう設計される。例えば、ＲＦ位相速度は、一般に、デバイスのインダクタンス及びキャパシタンスにより決定される。金属コンタクトの形状と、半導体及び誘電体層の厚さを変更することにより、インダクタンス及びキャパシタンスの値を変更することができ、それにより、ＲＦ位相速度を、光群速度と一致させることができる。これは、「真」の位相速度整合と呼ばれる。別の例では、位相速度は、例えば、位相が逆にされた電極設計を用いることにより、「人工的に」一致されうる。更に、ドーピング分布及び金属電極は、ＲＦ減衰を小さくするよう設計されうる。例えば、本発明による進行波駆動スキームを有利に利用するためには６ｄＢ未満であることが必要である。

一例では、外部の駆動電圧がない場合、又は、進行波信号４５５からの外部の駆動電圧が実質的にゼロである場合、光導波路４２７の領域４０３と４０５との間のｐｎ接合界面４４７における空乏領域４３３は、領域４０３及び４０５のドーピング濃度によってもたらされる組み込みの電界の結果である。しかし、本発明において、非ゼロである外部の駆動電圧が進行波信号４５５を介して印加される場合、光導波路４２７の領域４０３と４０５の間のｐｎ接合界面４４７における逆バイアスは増加し、これは、対応する空乏領域４３３が実質的に大きくする又は厚くする。空乏領域４３３がより大きく又は厚くなることにより、光導波路４２７を通る光路に沿って伝播する光ビーム４２１のモードが、実質的に自由電荷キャリアがない空乏領域と重なる且つ空乏領域内を伝播する断面積が大きくなる。

本発明の教示では、図示するように駆動信号４４５に呼応して光導波路４２７の領域４０３と４０５との間のｐｎ接合界面４４７における空乏領域４３３を変調することにより、その中を光ビーム４２１が通る光導波路４２７の光路に沿った自由電荷キャリアの濃度全体は、空乏領域４３３のサイズを変調することにより進行波信号４５５を介して印加される外部駆動電圧に呼応して変調される。したがって、本発明の教示では、光導波路４２７を通る光路に沿って伝播する光ビーム４２１の位相は、進行波信号４５５に呼応して変調される。

動作時、光ビームは、空乏領域４３３を通る光路に沿って光導波路４２７内を導かれる。進行波信号４５５は、共平面コンタクト４１３を介して光導波路４２７に供給されて、空乏領域４３３の厚さを変調又は調節する。このことは、光導波路１２７を通る光路に沿っての自由電荷キャリアの存在又は不在を変調する。換言すれば、光導波路４２７の光路に沿っての自由電荷キャリアの濃度全体は、共平面コンタクト４１３を介して光導波路４２７に供給される進行波信号４５５に呼応して変調される。その中を光ビームが光導波路４２７を通り導かれる光路に沿って存在する又は存在しない自由電荷キャリアには、例えば、電子、正孔、又はそれらの組み合わせが含まれうる。自由電荷キャリアがあることによって、通過時に光ビームを減衰しうる。特に、光導波路４２７の光路に沿っての自由電荷キャリアは、光ビームの一部のエネルギーを自由電荷キャリアのエネルギーに変換することにより光ビームを減衰してしまいうる。したがって、本発明の教示では、進行波信号４５５に呼応して空乏領域４３３内に自由電荷キャリアがないこと又はあることによって、光ビームが変調される。

説明する例では、自由電荷キャリアを通過する光ビームの位相、又は、光導波路４２７内に自由電荷キャリアがないことは、プラズマ分散効果によって変調される。プラズマ分散効果は、光電界ベクトルと、光導波路４２７内の光ビームの光路に沿って存在しうる自由電荷キャリアとの相互作用により発生する。光ビームの電界は、自由電荷キャリアに極性を持たせ、これは、媒体の局所的誘電定数を事実上摂動させる。これは、光波の伝播速度、したがって、光の屈折率の摂動をもたらす。これは、屈折率は、真空における光の速度と媒体における光の速度との比率に過ぎないからである。したがって、光デバイス４０１における光導波路４２７における屈折率は、自由電荷キャリアの変調に呼応して変調される。光デバイス４０１の光導波路４２７における屈折率が変調されると、光位相変調器４０１の光導波路４２７を通り伝播される光ビームの位相が対応して変調される。更に、自由電荷キャリアは、電界によって加速され、光エネルギーが使用されるのに従って光場は吸収される。一般に、屈折率の摂動は、複素数であり、その実数部は速度変化をもたらす部分であり、その虚数部は自由電荷キャリアの吸収に関連する部分である。位相シフトφの量は、次の式により与えられる。

ここで、λは光波長であり、Δｎは屈折率の変化であり、Ｌは相互作用の長さである。シリコンにおいてプラズマ分散効果がある場合、電子の濃度変化（ΔＮ_ｅ）及び正孔の濃度変化（ΔＮ_ｈ）による屈折率変化Δｎは、次の式により与えられる。

ここで、ｎ_０は真性シリコンの屈折率であり、ｅは電子電荷であり、ｃは光の速度であり、ε_０は自由空間の誘電率であり、ｍ_ｅ ^＊及びｍ_ｈ ^＊はそれぞれ電子及び正孔の実効質量であり、ｂ_ｅ及びｂ_ｈはフィッティングパラメータである。シリコン中の自由電荷キャリアによる光吸収係数変化Δαは、次に式により与えられる。

ここで、μ_ｅは電子移動度であり、μ_ｈは正孔移動度である。

一例では、光導波路４２７のサイズは、０．５μｍ×０．５μｍといったように比較的小さく、これにより、より良好な光位相変調効率を可能にしている。上にまとめたように、高濃度にドープされた領域４３７は、領域４０３の２つの側部の１つのみが高濃度にドープされた領域に結合されるので、領域４０３に非対称に隣接及び結合される。対照的に、領域４０５の両側部は、高濃度にドープされた領域４４１及び４４３に隣接及び結合される。本発明の教示では、領域４０３への片側接触は、対称の両側接触よりかなり低いキャパシタンスを有し、また、電気信号と光信号との間の必要な位相整合を達成することを支援するので、ＲＦ減衰は少なくなり、より良好なドライバ−伝送線路の電力結合のための特性インピーダンスが大きくなる（一例では、２５又は５０オーム近くまでなる）。

本発明の教示にしたがって用いる進行波駆動スキームは、光デバイス１０１のＲＣ時定数キャパシタンス制限を解決することを支援し、４０ＧＨｚ以上の高速変調速度を実現し、逆バイアスされたｐｎ接合変調器では約５ｐｓ以下の立ち上がり／立ち下がり時間を有する。光位相変調器によって進行波駆動スキームを用いることによって、光信号及びマイクロ波信号はともに導波路４２７に沿って伝播する。光群速度が、ＲＦ位相速度と一致する場合、ＲＦ減衰が、光デバイス４０１のＲＣ時定数ではなく光位相変調器４０１の真の速度を決定する。本発明の教示では、共平面コンタクト４１３といった進行波電極のＲＦ特性は、ｐｎ接合と金属パターンの両方に強く依存するので、注意深いデバイス設計が用いられる。更に、本発明の教示によると、一例では、進行波電極、即ち、共平面コンタクト４１３のインピーダンスは、より良好なマイクロ波電力結合のためにＲＦ源４４５のＲＦドライバインピーダンスと整合するよう最適化される。

図示する例において示すように、共平面コンタクト４１３は、光位相変調器用の進行波電極として機能し、Ｚ_０の伝送線路インピーダンスを有する。ＲＦ源４４５は、Ｚ_１の負荷インピーダンスを有し、終端負荷４５７は、Ｚ_２の負荷インピーダンスを有する。本発明の教示では、一例において、負荷インピーダンスＺ_１は約２５−５０オームである。共平面コンタクト４１３は、逆バイアスされたｐｎ接合界面４４７により、組み合わされた共平面導波路及びマイクロストリップである。図示するように、共平面コンタクト４１３は、ｐｎ接合界面４４７及び光導波路４２７の上で共平面コンタクト４１７と４１９との間に配置され、また、ｎ＋＋の高濃度にドープされた領域４３７に結合されたビア４４９を有して、進行波信号４５５を光導波路４２７に供給する。共平面コンタクト４１７及び４１９は、接地用の２つの金属側板として機能する。一例では、共平面コンタクト４１３の幅は約６μｍである。共平面コンタクト４１３と、側共平面コンタクト４１７及び４１９それぞれとの間の空隙は、約３μｍである。共平面コンタクト４１３、４１７、及び４１９の厚さは、約１．５μｍである。絶縁材料１２３を通るビア４４９、４５１、及び４５３の高さは、約３μｍである。

図５は、集積半導体変調器多波長レーザを含む例示的な光システム５５１を示す。図５に示す集積半導体変調器多波長レーザアレイの一例は、図１に前出の集積半導体変調器多波長レーザであることは理解されよう。例えば、図５に示す単一の半導体層１０３は、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎを含む光チップであり、それらを横断するように単一の増幅媒体材料棒１２３が接合されて、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎのそれぞれにおいて光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎを生成する複数のレーザを含む広帯域のレーザアレイが作成される。本発明の教示により、複数の光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎは変調され、次に、複数の光ビーム１１９Ａ、１１９Ｂ、…、１１９Ｎの複数の選択された波長は、マルチプレクサ１１７において／によって合成され、単一の光ビーム１２１が出力される。この単一の光ビーム１２１は、単一の光ファイバ５５３を介して外部の光受信器５５７に送信されうる。本発明の教示によると、一例において、集積半導体変調器多波長レーザは、単一の光ファイバ５５３を介して単一の光ビーム１２１内に含まれる複数の波長においてデータを、１Ｔｂ／ｓより速い速度で送信することが可能である。例えば、集積半導体変調器多波長レーザ内に含まれる光変調器１１３Ａ、１１３Ｂ、…、１１３Ｎが４０Ｇｂ／ｓで動作する例において、集積半導体変調器多波長レーザの総容量は、Ｎ×４０Ｇｂ／ｓとなり、ここで、Ｎは、導波路に基づいたレーザ源の総数である。一例では、複数の光導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎは、単一の半導体材料層１０３において約５０−１００μｍ離間されている。したがって、本発明の教示によると、一例では、光データのバス全体が、半導体材料１０３の４ｍｍ未満のピースの集積半導体変調器多波長レーザ源から送信されうる。

図５は更に、本発明の教示によると、光システム５５１の一例において、単一の半導体層１０３は、単一の光ファイバ５５５を介して外部の光送信器５５９から光ビーム５２１を受信するよう結合されうる。したがって、本発明の教示によると、１つの例示的な例では、単一の半導体層１０３は、小さい形状係数の超大容量の送信器／受信器である。説明する例では、外部の光受信器５５７及び外部の光送信器５５９は、同じチップ５６１上に存在するものとして示していることに留意されたい。別の例では、外部の光受信器５５７及び外部の光送信器５５９は、別個のチップ上に存在しうることも理解されよう。図示する例では、受信された光ビーム５２１は、デマルチプレクサ５１７によって受取られる。デマルチプレクサ５１７は、受信した光ビーム５２１を複数の光ビーム５１９Ａ、５１９Ｂ、…、５１９Ｎに分割する。一例では、複数の光ビーム５１９Ａ、５１９Ｂ、…、５１９Ｎは、それぞれの波長に応じてデマルチプレクサ５１７によって分割され、次に、単一の半導体材料層内に配置された複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎの中を導かれる。

説明する例において示すように、１以上の光検出器が、複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎに光結合されて、各光ビーム５１９Ａ、５１９Ｂ、…、５１９Ｎを検出する。特に、一例では、光検出器５６３Ａ、５６３Ｂ、…、５６３Ｎのアレイが複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎに光結合される。一例では、光検出器５６３Ａ、５６３Ｂ、…、５６３Ｎのアレイは、ＳｉＧｅ光検出器等を含み、複数の光ビーム５１９Ａ、５１９Ｂ、…、５１９Ｎを検出する。

図示する例において示すように、別の単一の半導体材料棒５２３を、複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎを横断するように単一の半導体材料層１０３に接合されてもよく、それにより、複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎに光結合された複数の光検出器のアレイを形成しうる。一例では、この単一の半導体材料棒５２３は、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料を含み、複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎに光結合されたＩＩＩ−Ｖ族の光検出器が作成される。本発明の教示によると、一例において、単一の半導体材料棒５２３は、単一の半導体材料棒１２３を複数の導波路１０５Ａ、１０５Ｂ、…、１０５Ｎに横切るように接合するために用いたものと同様の技法及び技術を用いて単一の半導体材料層１０３に接合されうる。本発明の教示によると、図示するようにＳｉＧｅ及びＩＩＩ−Ｖ族に基づいた光検出器が、複数の光導波路５０５Ａ、５０５Ｂ、…、５０５Ｎに光結合されることで、複数の光ビーム５１９Ａ、５１９Ｂ、…、５１９Ｎの様々な波長を検出することができる。

本発明の教示によると、図５に示す例では、制御回路５６１も、単一の半導体材料層１０３内に含まれる又は集積されうる。例えば、一例では、単一の半導体材料層１０３は、シリコンであり、制御回路５６１は、そのシリコン上に直接集積されてもよい。本発明の教示によると、一例では、制御回路５６１は、多波長レーザアレイ、複数のパワーモニタ、複数の光変調器、光検出器のアレイ、又は、単一の半導体材料層１０３に配置された他のデバイス又は構造のうちの任意の１以上を制御及び／又はモニタすべく電気的に結合されてもよい。

上述した詳細な説明において、本発明の方法及び装置を、特定の例示的な実施形態を参照して説明した。しかし、本発明の広義の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行いうることは明らかであろう。したがって、本明細書及び図面は、限定的ではなく例示的に解釈すべきである。

Claims (20)

1. 単一の半導体材料層に配置される複数の光導波路であって、前記複数の光導波路の各光導波路は、前記各光導波路に沿って画定される光共振器を含む、複数の光導波路と、
   前記複数の光導波路を横切るよう前記単一の半導体材料層に隣接して、前記複数の光導波路の各光導波路に沿って増幅媒体−半導体材料の界面を画定する単一の増幅媒体材料棒と、
   前記単一の半導体材料層に配置される複数の光変調器であって、前記複数の光変調器の各光変調器は、前記複数の光導波路の各光導波路に光結合され、前記光共振器から導かれる各光ビームを変調する、複数の光変調器と、
   を備える装置。
2. 前記単一の半導体材料層に配置されるマルチプレクサを更に備え、
   前記マルチプレクサは、前記複数の光変調器に光結合され、前記複数の光変調器の各光変調器から受取る複数の光ビームを合成する、請求項１に記載の装置。
3. 前記マルチプレクサは、前記複数の光変調器の各光変調器から受取る複数の光ビームが広帯域のレーザ出力であるよう波長選択型アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含み、
   前記波長選択型ＡＷＧの出力は、前記変調された複数の光ビームからの選択された複数の波長である、請求項２に記載の装置。
4. 前記単一の半導体材料層は、シリコン・オン・インシュレータウェハのシリコン層を含み、
   前記単一の増幅媒体材料棒は、前記単一の半導体材料層に接合され且つ前記複数の光導波路の各光導波路にエバネセント結合されたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の多量子井戸増幅チップの単棒を含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記単一の半導体材料層に配置されるデマルチプレクサと、
   前記単一の半導体材料層に配置され、前記デマルチプレクサに光結合された第２の複数の光導波路と、
   前記第２の複数の光導波路に光結合され、前記第２の複数の光導波路により受取られる複数の光ビームを受取る第１の複数の光検出器と、
   を更に備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記単一の半導体材料層は、シリコンを含み、
   前記第１の複数の光検出器は、前記第２の複数の光導波路を横切るよう前記単一の半導体材料層に隣接して、前記複数の第２の光導波路の各光導波路に沿ってＩＩＩ−Ｖ族半導体−シリコンの界面を画定する第２の単一のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料棒を有する、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記光共振器は、前記単一の半導体材料層に配置される複数の反射器の間で前記光導波路において画定される、請求項１に記載の装置。
8. 前記光共振器は、前記単一の半導体材料層の前記各光導波路に光結合されたリング共振器を含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記単一の半導体材料層に配置され、前記複数の光変調器に結合された制御回路を更に備える、請求項１に記載の装置。
10. 単一の半導体材料層に配置される第１の光導波路に沿って画定される第１の光共振器において第１の光ビームをレイジングする段階と、
    前記単一の半導体材料層に配置される第２の光導波路に沿って画定される第２の光共振器において第２の光ビームをレイジングする段階と、
    前記単一の半導体材料層に配置され、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に光結合された第１の光変調器及び第２の光変調器を用いて、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームを変調する段階と、
    を含み、
    前記第１の光導波路及び前記第２の導波路は、前記単一の半導体材料層に配置される複数の光導波路に含まれ、
    単一の増幅媒体材料棒は、前記複数の光導波路を横切るよう前記単一の半導体材料層に隣接して、前記複数の光導波路の各光導波路に沿って増幅媒体−半導体材料の界面を画定する、方法。
11. 前記単一の半導体材料層に配置されるマルチプレクサにより、前記第１の光変調器及び前記第２の光変調器から受取る変調された前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームの選択された複数の波長を合成する段階を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の光ビームをレイジングする段階及び前記第２の光ビームをレイジングする段階は、
    前記単一の半導体材料層及び前記単一の増幅媒体材料棒のうち少なくとも１つを介して電流を注入する段階を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記単一の半導体材料層に配置されるデマルチプレクサにより光ビームを受取る段階と、
    前記デマルチプレクサにより受取られた前記光ビームを、異なる波長をそれぞれ有する複数の受光ビームに分離する段階と、
    前記単一の半導体材料層に配置された１以上の光検出器の各光検出器により、前記異なる波長を有する前記複数の受光ビームの各受光ビームを検出する段階と、
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
14. 光レーザのアレイを有する光チップを備えた光システムであって、
    前記光チップは、
    単一の半導体材料層に配置される複数の光導波路であって、前記複数の光導波路の各光導波路は、前記各光導波路に沿って画定される光共振器を含む、複数の光導波路と、
    前記複数の光導波路を横切るよう前記単一の半導体材料層に隣接して、前記複数の光導波路の各光導波路に沿って増幅媒体−半導体材料の界面を画定する単一の増幅媒体材料棒と、
    前記単一の半導体材料層に配置される複数の光変調器であって、前記複数の光変調器の各光変調器は、前記複数の光導波路の各光導波路に光結合され、前記各光導波路において画定される前記光共振器から導かれる各光ビームを変調する、複数の光変調器と、
    前記単一の半導体材料層に配置され、前記複数の光変調器に光結合され、前記複数の光変調器の各光変調器から受取る複数の光ビームを合成するマルチプレクサと、
    前記マルチプレクサから前記合成された光ビームを受取るよう光結合された外部の光受信器と、
    前記外部の光受信器と前記マルチプレクサの出力との間に光結合された光ファイバと、
    を含む、システム。
15. 前記光チップは更に、
    前記単一の半導体材料層に配置される複数のパワーモニタを含み、
    前記複数の光パワーモニタの各光パワーモニタは、前記複数の光導波路の各光導波路に光結合され、前記光共振器から導かれる前記各光ビームをモニタする、請求項１４に記載の光システム。
16. 前記光チップにおける前記単一の半導体材料層は、シリコン・オン・インシュレータウェハのシリコン層を含み、
    前記単一の増幅媒体材料棒は、前記単一の半導体材料層に接合され且つ前記複数の光導波路の各光導波路にエバネセント結合されたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の多量子井戸増幅チップの単棒を含む、請求項１４に記載の光システム。
17. 前記光チップは更に、
    前記単一の半導体材料層に配置され、外部の光送信器から光ビームを受取るよう光結合され、前記受取った光ビームを、異なる波長をそれぞれ有する複数の受光ビームに分離するデマルチプレクサと、
    前記単一の半導体材料層に配置され、前記デマルチプレクサに光結合された第２の複数の光導波路と、
    前記第２の複数の光導波路に光結合され、前記複数の受光ビームを検出する第１の複数の光検出器と、
    を有する、請求項１４に記載の光システム。
18. 前記光チップにおける前記単一の半導体材料層は、シリコンを含み、
    前記第１の複数の光検出器は、前記第２の複数の光導波路を横切るよう前記単一の半導体材料層に隣接して、前記複数の第２の光導波路の各光導波路に沿ってＩＩＩ−Ｖ族半導体−シリコンの界面を画定する第２の単一のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料棒を含む、請求項１７に記載の光システム。
19. 前記光チップは更に、
    前記単一の半導体材料層に光学的に配置され、前記第２の複数の光導波路に光結合され、前記受光ビームを受取る第２の複数の光検出器を含む、請求項１８に記載の光システム。
20. 単一の半導体材料層に配置され、レーザのアレイ及び前記複数の光変調器のうちの１以上に結合された制御回路を更に備える、請求項１４に記載の光システム。

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