JP7480032B2 - ハイブリッドフォトニックリング変調器 - Google Patents

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Description

[0001]本開示は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）のための光変調器と、製造、較正、および動作の関連する方法とに関する。
[0002]多くのＰＩＣは、集積光（または、同意語としてフォトニック）変調器を用いて電気信号を光信号に変換する。フォトニックトランシーバは、例えば、光変調器を使用して、光ファイバケーブルを介した伝送のためにレーザーキャリア信号に高速デジタルデータを伝えることができる。シリコンフォトニックスの場合、光変調器は、マッハツェンダー変調器として、（例えば、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板の）シリコンデバイス層に直接実装され得、ここでは、マッハツェンダー干渉器アームのうちの１つにおいて電子光学的にまたは熱光学的に誘起される位相シフトが光信号の振幅変調を達成する。代替的に、シリコンデバイス層の上に化合物半導体（例えば、ＩＩＩ－Ｖ）層を含むハイブリッド材料プラットフォームでは、光は、シリコンデバイス層と、吸収限界を波長シフトすることによって光振幅変調を発生させる化合物半導体の電界吸収変調器との間で結合され得る。これらの一般の光変調器実装形態は両方とも、チップのかなりのエリアを占め、信号変調についての位相または吸収をチューニングするために相当な電力量を消費する。電力要件および面積要件がすぐに満足されるフォトニック回路、特に高レーンカウントのフォトニックトランシーバにおいて、全体的な消費電力を減らし、デバイス密度を増やすためには、より高いチューニング効率とより小さいフットプリントとを有する光変調器が望ましい。
[0003]様々な実施形態による、例となるハイブリッドフォトニックリング変調器の断面側面図である。 様々な実施形態による、例となるハイブリッドフォトニックリング変調器の上面正面図である。 ある水平線に沿って図１Ａからみた断面図である。 別の水平線に沿って図１Ａからみた断面図である。 さらに別の水平線に沿って図１Ａからみた断面図である。 [0004]図１Ａおよび１Ｂに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器で使用するための、様々な実施形態による、例となるヒーター構成の上面図である。 図１Ａおよび１Ｂに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器で使用するための、様々な実施形態による、例となるヒーター構成の上面図である。 図１Ａおよび１Ｂに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器で使用するための、様々な実施形態による、例となるヒーター構成の上面図である。 図１Ａおよび１Ｂに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器で使用するための、様々な実施形態による、例となるヒーター構成の上面図である。 図１Ａおよび１Ｂに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器で使用するための、様々な実施形態による、例となるヒーター構成の上面図である。 図１Ａおよび１Ｂに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器で使用するための、様々な実施形態による、例となるヒーター構成の上面図である。 [0005]図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中のある段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中の別の段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中のさらに別の段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中のさらに別の段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中のさらに別の段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中のさらに別の段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 図１Ａ～１Ｅに示されるハイブリッドフォトニックリング変調器の、様々な実施形態による、製造中のさらに別の段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。 [0006]様々な実施形態によるハイブリッドフォトニックリング変調器を含む例となるフォトニックトランシーバシステムの概略ブロック図である。 [0007]高バイアス電圧での吸収のない様々なバイアス電圧レベルにおける、様々な実施形態による、ハイブリッドフォトニックリング変調器の例となるスペクトル変調器応答である。 高バイアス電圧での吸収のある様々なバイアス電圧レベルにおける、様々な実施形態による、ハイブリッドフォトニックリング変調器の例となるスペクトル変調器応答である。 [0008]ヒーター電力の関数として、様々な実施形態によるハイブリッドフォトニックリング変調器の例となる光振幅変調およびアイクロスを示すグラフである。 [0009]様々な実施形態による、統合されたヒーターを用いてハイブリッドフォトニックリング変調器を較正する方法のフローチャートである。 [0010]様々な実施形態による、統合されたヒーターを用いてハイブリッドフォトニックリング変調器を動作する方法のフローチャートである。
[0011]、リング共振器として機能し、リング導波路における屈折率を変化させることと、それによって共振をシフトすることとを容易にするために高速電極接続を有する化合物半導体リング導波路に垂直に結合されたシリコンバス導波路から形成されるハイブリッドフォトニックリング変調器が本明細書で説明される。様々な実施形態では、リング導波路は、化合物半導体材料の垂直に積層されたｐ－ｉ－ｎダイオード構造のリング形状の光学活性領域によって形成され、屈折率変化は、ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたる電圧の印加によって、（一次のおよび／または二次の）電気光学効果に基づいて、達成される。
[0012]一般に、バス導波路の入力からバス導波路に入射する光は、一部が、バス導波路の出力に伝送され、一部が、リング導波路にエバネセント結合されて、ラウンドトリップの後に、バス導波路に戻り、光の直接伝送される部分に干渉する。入力電力の割合としての出力において結果として生じる総伝送電力は、バス導波路とリング導波路との間の結合係数と、リング導波路における吸収と、ラウンドトリップ中にリング導波路で生じる位相シフトとの間の関数である。ラウンドトリップ位相が２πの整数倍である場合、すなわち、ラウンドトリップ光路長が光の波長の整数倍である場合、リング導波路は共鳴状態にあり、変調器出力における送出は最小である。ゆえに、リング変調器は、スペクトルフィルタとして機能する。伝送最小値は、概念的には、直接伝送される光と、リング導波路からバス導波路に再度結合される光、これは結合誘起π位相シフトを経験している、との間の相殺的干渉として理解され得る。さらに、任意の所与のラウンドトリップ位相について、伝送は、直接伝送される光の強度が１回のラウンドトリップの終了後のリング導波路における光の強度（リング導波路における吸収の影響を受けている）に等しい場合、最小であり、条件は、「臨界結合」と呼ばれる。直接伝送される光の強度が１回のラウンドトリップの後のリング導波路における強度より大きい場合、変調器は「密結合（overcoupled）」されており、リング導波路を通る１回のラウンドトリップ後の光の強度がより大きい場合、変調器は「疎結合（undercoupled）」されている。共振および臨界結合条件が同時に満たされる場合、伝送最小値での伝送電力はゼロである。
[0013]電気電圧の適用によってリング導波路における屈折率（ひいては、光位相）を変調することによって、伝送される電力が変調され得る。光変調振幅（ＯＭＡ）は、ＲＦ電圧振幅中の伝送される光電力の最大値と最小値との間の差分として定義され、ＲＦ振幅にわたる屈折率変化と、光の干渉する構成要素の相対的な光強度（変調器が、疎結合されているか、臨界結合されているか、過冷却されているかに対応する）とに依存する。次に、屈折率変調は、本明細書では「チューニング効率」と呼ばれる、１Ｖｏｌｔあたりの変調器応答の波長のシフトに依存する。最大のＯＭＡは、高いチューニング効率およびわずかな疎結合で生じる。
[0014]リング変調器は、所与の屈折率変調で達成されるＯＭＡへの共振強化を提供し、その結果、マッハツェンダー変調器および電界吸収変調器のような非共振変調器よりも一層コンパクトな設計に適している。様々な実施形態では、リング導波路は、例えば、直径が５μｍから５０μｍの間である。比較のために、典型的なマッハツェンダー干渉器は、長さが１ｍｍから５ｍｍの範囲内であり、典型的な電界吸収変調器は、長さが約１５０μｍ以上である。これらのチップエリアの節約は、より密なフォトニック回路とより低いウェア面積コストとを可能にする。
[0015]加えて、化合物半導体材料は、開示されるリング変調器に使用されるとき、強力な電気光学効果にさらされ、これはつまり、電気電圧の印加により、これらが大きな屈折率変化、そして高いチューニング効率を経験することを意味する。結果として、印加される電圧振幅あたりの達成可能な最大ＯＭＡは、本明細書では、本明細書によるハイブリッドフォトニックリング変調器の「変調効率」と呼ばれ、一般には、従来のマッハツェンダー変調器または電界吸収変調器のＯＭＡだけでなく、純シリコン製（silicon-only）リング変調器（例えば、シリコンバス導波路に水平に結合されたシリコンリング導波路で形成されたシリコンダイオードリング変調器）のＯＭＡを上回らない。様々な実施形態では、ハイブリッドフォトニックリング変調器は、所与のＯＭＡについて、電界吸収変調器またはシリコンダイオードリング変調器と比べて４０％以上の電圧振幅低減を達成する。電圧振幅のこの低減は、変調器ドライバが全トランシーバ電力の１０％より多くを消費することが多いフォトニックトランシーバにおける消費電力を大幅に低減させる。具体例を提供するために、１０ｄＢｍの入力光電力における７ｄＢｍの出力ＯＭＡ（ここで、ｄＢｍは、１ミリワットに対する電力をデシベルで表す）は、化合物半導体リング変調器では、１Ｖのピーク対ピーク電圧振幅をとるが、電界吸収変調器では、１．７５Ｖのピーク対ピーク電圧振幅をとる。このドライバ振幅低減は、１００ＧｂｐｓのＰＡＭ４変調器においてレーンあたり１３０ｍＷの電力節約、すなわち、４レーントランシーバの０．５Ｗおよび３２レーントランシーバの４．２Ｗに相当する。
[0016]様々な実施形態にしたがって、フォトニックリング変調器の変調効率は、印加される電圧振幅あたりの高い屈折率変化を達成するために、ダイオードにわたって直流（ＤＣ）バイアス電圧を使用して最適化される。リング導波路における屈折率シフトは、一般に、一次電気光学（ＬＥＯ）効果および二次電気光学（ＱＥＯ）効果と自由キャリア吸収との組み合わせに起因し、所与のＯＭＡの電圧振幅を低減させるために主要であることが望ましいＱＥＯ効果の寄与は、バイアスの増加に伴って増加する。ゆえに、より高い電圧バイアスは、チューニング効率を改善することができる。しかしながら、より高いバイアス電圧はまた、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を介した吸収を高める。ゆえに、動作中、バイアス電圧は、大幅なＱＣＳＥ吸収を引き起こすほど高くはないが、高いＱＥＯ効果を提供するレベルに設定される。所与のリング変調器構成の場合、そのバイアス電圧レベルはまた、変調器応答およびその共振のスペクトルロケーションを決定することとなる。チューニング可能なレーザーを使用するアプリケーションでは、次に、レーザー波長が、変調器応答を追跡するように調整され得る。しかしながら、多くのアプリケーションでは、レーザーの動作波長は固定されているであろう。このケースでは、変調器応答がレーザー波長を追跡できるようにするために、リング変調器には、リング導波路の内側または外側に配置されており、リング導波路における屈折率を変更するための独立したメカニズムを提供するヒーターが備わっている。レーザー波長またはヒーター電力は、適用可能な場合、ＯＭＡを最適化するためにレーザー波長から最適なオフセットで変調器応答を配置するために使用されることができる。ヒーターはまた、任意の製造されたリング変調器において、設計の公称共振波長と、設定されたバイアス電圧での実際の共振波長との間の相違、ならびに、温度によって誘起された波長シフトを補償するための自由度を提供する。いくつかの実施形態では、バイアス電圧およびヒーター電力レベルの値は、ある温度の範囲についての較正によって決定され、リング変調器の動作中のルックアップのためにメモリに記憶される。
[0017]述べたように、ハイブリッドフォトニックリング変調器は、フットプリントおよび電力要件の観点から、非共振変調器および純シリコン製リング変調器よりも利益を提供する。さらに、全体的に化合物半導体材料で実装されるリング変調器と比べて、本明細書で説明されるハイブリッドリング変調器は、シリコン回路との統合および製造可能性についての利点を提供する。同じ層において化合物半導体リング導波路に横方向に結合された化合物半導体バス導波路を含む化合物半導体リング変調器での１つの課題は、リング導波路の外部側壁を、散乱による光損失を防ぐために平滑に、かつ、放射損失およびリングの外側での光の漏洩を防ぐために深くエッチングされた状態に保つ必要があることである。リングの外側周囲の深いエッチングは、横方向のエバネセント結合を低減し、エッチングが深くなるほど、結合導波路はより近くに配置される必要がある。ゆえに、深いエッチングは、横方向の結合効果を制限し、リング側壁の平滑さに影響を与えることなく、小さい寸法をリソグラフィ的に画定およびエッチングする製造技法を必要とする。ハイブリッドフォトニックプラットフォームにおいてバス導波路を含むシリコン回路と化合物半導体リング導波路の統合は、本明細書で使用される場合、バス導波路とリング導波路との間で横方向ではなく垂直に光を結合することによってこの問題を回避する。そのような垂直結合は、リングの外側の深く平滑なエッチングに影響を与えない。さらに、垂直結合された構造は、リソグラフィおよびエッチングではなく材料配設を介して垂直結合距離が定義されるため、水平結合で達成可能なものよりも一層短い結合距離で製造され得る。例えば、化合物半導体リング導波路においてガイドされるモードの中心から、シリコンバス導波路においてガイドされるモードの中心までの約０．５μｍ以下の垂直結合距離は、簡単に達成され得るが、水平結合距離は、典型的に０．５μｍよりも大きく、例えば、約０．６μｍから２μｍの範囲にある（純化合物半導体製リング変調器および純シリコン製リング変調器の両方について）。
混成集積は何らかのプロセス複雑性を加えるが、ハイブリッド材料プラットフォームは、例えば、フォトニックトランシーバ（または電界吸収変調器、これは、本明細書によると、リング変調器の代用になり得る）においてレーザーおよび光検出器を実装するためにすでに使用されおり、これにより、単に既存のハイブリッドプロセスを適用することで、開示されるハイブリッドリング変調器を実装することができる。
[0018]ここから添付の図面を参照し、図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ、様々な実施形態による例となるハイブリッドリング変調器１００の断面側面図および断面上面図であり、図１Ｃ～１Ｅは、様々な水平線に沿って図１Ａからみた断面図である。リング変調器１００は、シリコンバス導波路１０２（本明細書では、「シリコン導波路」とも呼ばれる）と、関連する電気接続を有する化合物半導体構造を含むリング共振器構造１０４とを含む。シリコンバス導波路１０２は、（シリコンハンドル１１０と、シリコンハンドル１１０とシリコンデバイス層１０６との間の埋込酸化物（ＢＯＸ）または他の絶縁層１１２も含む）ＳＯＩ基板１０８のシリコンデバイス層１０６に形成される。化合物半導体構造は、基板１０８の上に配設された化合物半導体材料の層状スタックで形成され、共振器として機能するリング導波路１１４を含む。様々な実施形態では、化合物半導体材料は、例えば、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）のようなＩＩＩ－Ｖ族材料である。しかしながら、いくつかの実施形態では、ＩＩ－ＶＩ族または他の化合物半導体材料も使用され得る。化合物半導体材料は、シリコンデバイス層１０６に直接接着され得るか、または示されるように、誘電材料１１６の薄膜によってシリコンデバイス層１０から分離され得る。リング変調器１００は、抵抗加熱される金属フィラメントの形態をとるヒーター１１８を、関連する電気接続とともにさらに含み得る。ヒーター１１８は、示されるように、リング共振器構造１０４の中に、特にリング導波路１１４および／またはその上のリング形状の層の中に配設され得る。代替的に、ヒーター１１８は、リング導波路１１４および／または上のリング形状の層を少なくとも部分的に包囲し得る（様々な例となるヒーター構成については以下の図２Ａ～２Ｆ参照）。リング共振器構造１０４およびヒーター１１８、ならびに関連する電気接続は、誘電被覆１１９に埋め込まれ得る。
[0019]描写される実施形態では、シリコン導波路１０２は、シリコンの薄スラブを下に残しつつシリコンデバイス層１０６を介して部分エッチングすることによって作られるチャネル１２０間に画定されるリブ導波路である。化合物半導体構造は、例えば、円板状であるｎ型層１２２と、ｎ型層１２２の上に配設されたリング形状のメサ、これには、オプションで薄膜ｐコンタクト層１２６によって被膜される、リング導波路１１４およびこのリング導波路１１４の上に配設されたｐ型層１２４を形成する活性層（または「活性領域」）が含まれる、とを含む円柱状に対称なｐ－ｉ－ｎダイオード構造１２１である。ヒーター１１８は、リング導波路１１４またはｐ型層１２４のレベルで配設され得る。リング導波路１１４と同じ垂直レベルにヒーター１１８を配置することを容易にするために、ｎ型層１２２は、ヒーター１１８の下がエッチングされてリング構造が形成され得る。リング導波路１１４を構成する活性層は、一般に、量子井戸、量子ドット、量子ダッシュ、バルク化合物半導体（例えば、ＩＩＩ－Ｖ）材料から形成され得る。特定の有益な実施形態では、複数の量子井戸が活性層に使用される。活性領域の屈折率変化は、主に量子井戸で発生するため、複数の井戸の使用は、リング導波路１１４における光モードと変化した屈折率の領域との間の重複が増加するように機能する。ＱＣＳＥによる活性領域における光の吸収を低減するために、量子井戸は、それらのフォトルミネセンス波長が、変調されることとなる光の対象動作波長（例えば、レーザー波長）から十分に（例えば、少なくとも１００ｎｍだけ）デチューンされるように設計され得る。
[0020]ｐ－ｉ－ｎダイオード構造１２１への電気接続は、リング形状のメサを包囲する、ｎ型層１２２上に配設されたｎコンタクトリング電極１２８と、ｐコンタクト層１２６上に（または、ｐコンタクト層を含まない実施形態では、ｐ型層１２４の上に直接）配設されたｐコンタクトリング電極１３０とを含む。さらに、電気接続は、ｐ－ｉ－ｎダイオード構造１２１に関連し、それを動作するために使用される電子ドライバ回路の電気端子に電極１２８、１３０を接続するための、および、ヒーター１１８をヒーター電源に接続するための金属ルーティング層およびビアを含む。ｐコンタクトリング電極１３０のすぐ上のレベルに配設された第１の金属ルーティング層は、関連する横方向に延在する金属トレース１３６、１３７とともに、ｐコンタクトリング電極１３０の直接上の閉鎖金属リング（closed metal ring）１３２およびｎコンタクトリング電極１２８の上に開放金属リング（broken metal ring）１３４を含む。開放金属リング１３４は、ｎコンタクトリング電極１２８の円周のより大きな部分に沿って延在し、リング１３４に沿って様々な角度で配置され得る１つまたは複数の金属ビア１３８によってｎコンタクトリング電極１２８に接続される。第１のルーティング層のレベルの上のレベルに配設された第２の金属ルーティング層は、複数の金属ビア（または、単数の、例えばリング形状のビア）１４２によって閉鎖金属リング１３２に接続され、関連する横方向に延在する金属トレース１４４を有する開放金属リング１４０を閉鎖金属リング１３２の上に含む。金属トレース１４４は、第１の金属ルーティング層のリング１３４のブレーク部（break）の上に位置しており、このブレーク部は、回避されない場合には、達成可能な信号変調速度に悪影響を及ぼし得る第１の金属ルーティング層と第２の金属ルーティング層との間のキャパシタンス増加を回避するように機能する。金属リング１４０内のブレーク部は、第２の金属ルーティング層において金属トレース１４６、１４７を、これらのトレース１４６、１４７をヒーター１１８に垂直に接続するビア１４８に適応するように機能する。リング導波路１１４を包囲してヒーター１１８が配設される実施形態およびヒーター１１８のない実施形態では、第２の金属ルーティング層内の金属リングは、閉鎖状であり得る。金属ルーティング層およびビアの構成は、リング電極１２８、１３０によって確立されるような、ｐ型層およびｎ型層の両方との連続した円形接触を可能にするように設計される。第１および第２の金属層を接続するビア１３８により、ｐ側電気インターフェースは、ｎコンタクト電極において破断を生じさせることなくｎ側電気インターフェースにわたってルーティングすることができる。同様に、ヒーター電気インターフェースは、それらのコンタクト電極において破断を引き起こすことなくｐ側電気インターフェースおよびｎ側電気インターフェースにわたってルーティングすることができる。
[0021]リング導波路１１４は、その円周の一部がシリコンバス導波路１０２に横方向に重複して配置され、これにより、光は、図１Ｂの光モード１５０、１５２によって示されるように、重複領域、すなわち「結合領域」においてシリコンバス導波路１０２とリング導波路１１４との間で垂直に結合することができる。換言すると、シリコンバス導波路１０２およびリング導波路１１４は、結合領域において垂直方向性カプラを形成する。示されるように、シリコン導波路１０２は、直線であり、幅が均一であり得る。代替的な実施形態では、シリコン導波路１０２は、例えば、リング導波路１１４の輪郭の一部を追従するように湾曲していてもよく、および／または、結合効率を高めるために、重複領域において先細りになったり戻ったりしてもよい。下でのシリコンデバイス層１０６への結合によるリング導波路１１４における光損失を低減するために、シリコンがエッチングされ、リング形状のチャネル１５３に酸化物が充填され得（または、何らかの他の誘電体が充填される）、ここで、リング形状のチャネル１５３は、リング導波路１１４の下に延在し、バス導波路１０２を画定するチャネル１２０のうちの１つと、リング導波路１１４の片側で合流する。図１Ｂ～１Ｅは、光入力（概して１５４で示される）から光出力（概して１５６で示される）へのシリコンバス導波路１０２における光伝搬の方向と、リング導波路１１４における光伝搬の方向（描写されるケースでは反時計回り）とを矢印で例示する。
[0022]ハイブリッドリング変調器１００の構造は、一般の設計原理から逸脱することなく様々な方法で変更され得る。例えば、ｐ－ｉ－ｎダイオードは、底部にある（ｎ型よりも）ｐ型の円板および上部にあるリング形状の（ｐ型よりも）ｎ型層で形成され得る。また、様々なリングおよび層の相対的な幅および厚さならびに他の寸法は、描写されるものとは異なり得る（一般に、図１Ａ～１Ｅが一定の縮尺で描かれておらず、リング変調器の構造構成を概略的に描写するよう機能するすぎないことは理解されるべきである）。さらに、集合的にｎ型層およびｐ型層への、適用可能であればヒーター１１８への電気インターフェースを形成する電極ならびに金属トレースおよびビアは、（例えば、より少ないまたはより多くの金属ルーティング層を含む）多くの異なる方法で構成され得るが、いくつかの実装形態は、（例えば、接触効率、製造複雑性、および他の基準の観点から）他のものよりも好ましい。加えて、特定の実施形態、例えばリング変調器がチューニング可能なレーザー入力と併用される場合、ヒーター１１８は省略され得る。
[0023]ここで図２Ａ～２Ｆをみると、図１Ａ～１Ｅで示されるハイブリッドリング変調器１００で使用するための、様々な実施形態による例となるヒーター構成が上面図で例示される。図２Ａおよび２Ｂは、（基板の平面に突き出る場合、すなわち、任意の垂直変位を無視する場合）リング導波路１１４の中に配置するためのものヒーター２００、２０２を示し、これは、垂直ビア１４８によってそれぞれのヒーター２００、２０２の終点に接続する金属トレース１４６、１４７に対するサーペンタインの向きが互いに異なるサーペンタイン金属フィラメントとして実装される。図２Ａおよび図１Ａに示されるサーペンタインヒーター２００では、サーペンタインは、ヒーター２００にルーティングされる金属トレース１４６、１４７に対して垂直に配向されている。図２Ｂのサーペンタインヒーター２０２では、サーペンタインは、金属トレース１４６、１４７と平行に配向されており、終点（およびビア１４８）は、金属トレース１４６、１４７と同じヒーター２０２の側にある。
[0024]図２Ｂおよび２Ｃは、同じくリング導波路１１４の内側に配置するためのものであって、リング導波路１１４の円周の一部に沿って延在する円弧状（略円状）および正方形の金属フィラメントとして実装されるヒーター２１０、２１２を例示する。（例えば、六角形または矩形のフィラメントなどによって形成される）他の凸状のヒーター形状も可能である。ヒーター２１０、２１２は、金属トレース１４６、１４７に接続されている終点を分離する小さい開口部を残して、リング導波路１１４のほぼ一周にわたって延在する。一般に、これらのおよび同様の凸形状ヒーターは、リング共振器構造の中心に対して少なくとも２７０度の角度をカバーし得る。
[0025]図２Ｅおよび２Ｆは、リング導波路１１４の外側に置かれるヒーター２１４、２１６の例を提供し、それらは両方とも、リング導波路１１４の周囲に部分的に延在する（例えば、リング導波路１１４の中心に対して少なくとも１８０度の角度を包囲する）。図２Ｅでは、ヒーター２１４は、リング導波路１１４の周囲に円弧状に延在する単一の幅広の金属フィラメントの形態をとり、ここで、終点は、ヒーターの両側にあり、関連する金属トレース２１８、２１９は、異なる方向から入ってくる。図２Ｆでは、ヒーター２１６は、リング導波路１１４の円周の一部に沿って往復して延在する円弧状のサーペンタインフィラメントであり、ここで、終点および金属トレース１４６、１４７は、ヒーター２１６の同じ側にある。当業者が認識するように、描写される様々なヒーター構造は例にすぎず、他の形状および構成が代替的に使用され得る。一般に、ヒーター１１８は、リング導波路１１４を効率良く加熱するためにリング導波路１１４に十分近くになるように構成される。
[0026]図３Ａ～３Ｇは、図１Ａ～１Ｅに示されているハイブリッドリング変調器１００の、様々な実施形態による、製造中の様々な段階における半導体フォトニック構造の断面側面図である。リング変調器１００は、図３Ａに示される、シリコンハンドル１１０、ＢＯＸ（例えば、シリコン酸化層）１１２、およびシリコンデバイス層１０６を含むＳＯＩ基板１０８上に形成される。リング変調器１００が統合されているより大きなフォトニック回路の任意の他の導波路およびシリコンデバイス構造とともに、図３Ｂに示される、リング導波路１１４の下に延在することとなるチャネルおよびシリコンバス導波路１０２を形成するために、シリコンデバイス層１０６をフォトリソグラフィパターニングおよびエッチングすることから製造が開始する。シリコンバス導波路１０２は、部分エッチングによってシリコンデバイス層１０６に作られるチャネル１２０間で画定されるリブを形成し得る。シリコンデバイス層１０６のそのようなパターニングに続いて、図３Ｃに示されるように、誘電体（例えば、シリコン酸化物）層１１６をシリコンデバイス層１０６の上に適用して、チャネル１２０（および他のエッチングされた特徴）を充填し、パターニングされた基板１０８を平坦化する。
[0027]リング変調器の化合物半導体構造の作成は、図３Ｄに示されるように、シリコンデバイス層１０６に形成されたシリコンバス導波路１０２と横方向に重なるように、適切な層構造を有する化合物半導体ダイ３００を誘電体層１１６に接着することから開始する。この接着は、例えば、アニーリングまたは真空支援型ウェハ接着に続いて接着面のプラズマ活性化を使用することによって、または当業者に既知の他の接着技術を使用することによって達成され得る。様々な実施形態では、ダイ３００は、ＩＩＩ－Ｖ材料から作られており、ｐ－ｉ－ｎダイオード構造１２１のｎ型層、活性層、ｐ型層、およびｐコンタクト層として機能することとなる適切なドープ層および真性層を含む。図３Ｅに示されるように、底部の円形のディスクとその上のリング形状のメサを形成するための一連の交互のフォトリソグラフィパターニングおよびエッチングステップによってダイオード構造１２１がダイ３００に作られ、その後、底部のｎ型層１２２および上部のｐコンタクト層１２６がメタライズされて、ｎコンタクトリング電極１２８およびｐコンタクトリング電極１３０が作られる。
[0028]次いで、ヒーター１１８と、第１の金属ルーティング層および関連するビア１３８の金属リング１３２、１３４および関連するトレースとが、誘電被覆１１９で平坦化し、誘電被覆１１９をパターニングおよびエッチングし、エッチングされた構造を金属で充填して複数の段階で研磨することによって作られる。図３Ｆは、結果として生じる構造を例示する。次いで、第２の金属ルーティング層および関連するビア１４２が、さらなる誘電被覆１１９で平坦化し、第２の金属ルーティング層を第１のルーティング層とヒーター１１８に接続するビア１４２、１４８をエッチングおよび充填し、金属リング１４０および関連するトレース１４４ならびにヒーター１１８のための金属トレース１４６、１４７を含む第２の金属ルーティング層を適用することによって、同様のプロセスで作られる。図３Ｇは、リング変調器１００の結果として生じる最終構造を示す。
[0029]上で説明されたハイブリッドリング変調器１００は、一般に、例えばフォトニック送信機またはトランシーバを含む、ハイブリッド材料プラットフォームで実装される任意のフォトニックシステムにおいて使用され得る。ハイブリッドリング変調器１００によって提供される小さいフットプリントおよび高いチューニング効率は、電界吸収変調器またはマッハツェンダー変調器のような従来の光変調器と比べて、送信機またはトランシーバにおけるより高い（例えば、１６より多い）レーンカウント容易にするのに特に有利である。
[0030]図４は、様々な実施形態による、（例えば、図１Ａ～１Ｅに示されるリング変調器１００によって実装される）ハイブリッドリング変調器４０２を含む例となるフォトニックトランシーバシステム４００の概略ブロック図である。簡略化のために、単一のレーンだけが示されている。しかしながら、描写される構成要素が、マルチレーントランシーバ実施形態を達成するために簡単に複製され得ることは理解されるべきである。フォトニックトランシーバシステム４００は、制御およびデータ処理機能を提供する電子回路４０６とインターフェース接続するＰＩＣ４０４を含む。
[0031]ＰＩＣ４０４は、光キャリア信号を生成するレーザー４０８と、適用される電気信号にしたがってレーザー４０８によって出力される光キャリア信号を増幅変調するリング変調器４０２と、送信機出力ポート４１０とを含む。レーザー４０８、リング変調器４０２、および送信機出力ポート４１０は、一部がリング変調器４０２のバス導波路を形成する送信機経路導波路４１２によって光学結合される。ＰＩＣ４０４は、受信機入力ポート４１８から受信機経路導波路４１６を介して受け取った変調された（データ搬送する）光信号を電気信号に変換するように機能するデータフォトダイオード４１４をさらに含む。送信機出力ポート４１０および受信機入力ポート４１８は、例えば、トランシーバ導波路４１２、４１６と光通信ネットワークの光ファイバとの間で光を結合する光カプラとして実装され得る。レーザー４０８およびフォトダイオード４１４は、リング変調器４０２と同様に、ＩＩＩ－Ｖ族（または他の化合物半導体）材料をそれらのそれぞれの光学活性領域に対して使用して実装され得る。
[0032]ＰＩＣ４０４は、示されるように、送信機経路導波路４１２においてリング変調器４０２の前後にタップ４２０をさらに含み得る。タップ４２０は、送信機経路導波路４１２においてレーザー光のうちの一定のごく一部（例えば、強度で５％）を分離し、その一部を（例えば、同様にＩＩＩ－Ｖ材料を使用して実装される）それぞれのモニタフォトダイオード４２２に向ける。リング変調器４０２の前後で光強度をモニタリングすることによってフィードバックを提供して、較正中にもミッションモード動作中にもターゲット挿入損失を達成するように、ＤＣ電圧およびヒーター電力レベルのような変調器セッティングを調整することができる。そのようなフィードバック制御の詳細は、図７および８を参照して以下に提供される。
[0033]電子回路４０６は、（破線で示される）電子電力／制御およびデータラインを介してＰＩＣの様々な光構成要素と通信する。例えば、電子回路は、（例えば、ＲＦ体制では）電気スイング電圧を印加し、オプションでリング変調器４０２のｐ－ｉ－ｎダイオードにわたってＤＣバイアス電圧を印加する変調器ドライバ４２４を含む。さらに、ヒーターを含むリング変調器の実施形態では、電子回路４０６は、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）回路４２６へのデジタル入力信号によって設定されたレベルで電力を変調器ヒーターに提供するＤＡＣ回路４２６を含む。アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）回路４２８は、モニタフォトダイオード４２２を読み出すように機能する。さらに、ＰＩＣ受信機が受け取った光信号を処理するために、電子回路４０６は、受信機のデータフォトダイオード４１４からのデータ読出しのために、増幅器、エコライザ、および高速ＡＤＣ回路４３０を含む。変調器ドライバ４２４、変調器リングヒーターのためのＤＡＣ回路４２６、モニタフォトダイオード４２２のためのＡＤＣ回路、およびデータフォトダイオード４１４の読出しのための高速ＡＤＣ回路４３０は、すべてがマイクロプロセッサ４３２と通信し得、マイクロプロセッサは、次に、例えば、リング変調器４０２に関連する電圧および電力セッティングを記憶する統合メモリ４３４（例えば、フラッシュメモリ）を含むかまたはそれらにアクセスし得る。
[0034]マルチレーントランシーバシステムを実装するために、様々な光学および電気構成要素が複製され得る。マルチレーントランシーバシステムでは、各レーンが、（適用可能であれば）ヒーターのためにそれ自体のリング変調器４０２および関連する変調器ドライバ４２４およびＤＡＣ回路４２６ならびにそれ自体のデータフォトダイオード４１４を有する。さらに、各レーンは、それ自体のレーザー４０８を含み得るが、代替的に、レーザーの出力もまた、変調の前に複数のレーン間で分離される。同様に、各レーンは、それ自体の送信機出力ポート４１０および受信機入力ポート４１８を有し得るか、または代替的に、異なるレーンからの異なる波長の変調信号が、多重化されて、共有出力ポート４１０を介して伝送され得、共有入力ポート４１６を介して受け取られる多重化到来信号は、複数の関連レーン間に分配される前に逆多重化され得る。様々な実施形態では、本明細書で説明されるようなハイブリッドフォトニックリング変調器は、それらの電力効率および小さいフットプリントのおかげで、他のタイプの光変調器で実現可能なものより高いレーンカウントのフォトニックトランシーバシステムを容易にすることができる。
[0035]ここから変調性能について述べるが、図５Ａおよび５Ｂは、高バイアス電圧での吸収のないおよび吸収のある様々なバイアス電圧レベルにおける、様々な実施形態による、ハイブリッドフォトニックリング変調器の例となるスペクトル変調器応答である。すべての変調器応答（または「伝送カーブ」）は、リング変調器の伝送、すなわち入力光電力に対してデシベルで測定されるバス導波路の出力における光電力を、１２９９．９ｎｍから１３００．５ｎｍまでの範囲にわたるレーザー波長の関数として示す。
[0036]（例えば、レーザー動作波長からの量子井戸フォトルミネンス波長の十分なデチューンにより）リング導波路における吸収において電圧依存の変化がない場合、図５Ａに示されるように、（各伝送カーブのスペクトルピークに対応する）最小伝送電力は、バイアス電圧レベルから独立している。描写される例では、その最小値は、－２０ｄＢよりわずかに少ない値を有し、これは、入力電圧の１％未満の出力電力、ゆえに入力の９９％を超える挿入損失に相当する。図に示すように、共振波長（すなわち、ピークに関連する波長）を含む変調器応答は、屈折率の増加および所与の動作波長における光位相の増加を反映して、電圧の増加に伴いより長い波長にシフトする。この効果は、スイング電圧をバイアス電圧上に重ね合わせることによって伝送を変調するために活用される。スイング電圧の関数としての伝送電力の単調な増加または減少は、動作波長が、例えば、ピークからピークまでが１Ｖの範囲にまたがり得るフルスイング中に（シフトする）ピークのそれぞれ左または右にくるように、変調された光の動作波長に対する変調器応答のスペクトル位置をチューニングすることによって達成され得る。図５Ａからさらに認識されるように、電圧増分あたりの波長シフト、すなわち波長勾配は、電圧が高いほど隣接するカーブ間の広がりが大きい、０Ｖ，１Ｖ、２Ｖ，３Ｖ、４Ｖ、および５Ｖという等距離バイアス電圧のための一連の伝送カーブにおいて、反映されるように、電圧の増加に伴って増加する。このような波長勾配の増加は、より高い電圧でますます支配的になるＱＥＯ効果の結果であり、チューニング効率の増加に対応する。
[0037]実際に、リング導波路における吸収は、ＱＣＳＥにより、より高いバイアスにおいて少なくともわずかに増加するが、この効果は、述べたように、（量子井戸の適切な設計を介して）リング導波路の吸収波長を動作波長から離すことによって低減され得る。図５Ｂは、（量子井戸フォトルミナンスのデチューンが、図５Ａの場合の１５０ｎｍ以上と比べて約１００ｎｍだけであることにより）０Ｖと５Ｖのバイアス電圧間の吸収の増加が著しい場合を例示する。描写される例では、リング変調器は、約２Ｖのバイアスで臨界結合され、０Ｖで疎結合され、４Ｖおよび５Ｖで密結合され得る。疎結合の場合では、バス導波路に再度結合される、リング導波路を一往復した後の光電力は、入力から出力にバス導波路に沿って直接伝送される光電力を上回る。密結合の場合、直接伝送される電力は、リング導波路における高い吸収により、リング導波路を一往復した後の電力を上回る。高い疎結合または高い密結合では、変調効率は低減し、最大変調効率は、変調器が、わずかに疎結合されており、臨界結合に近い場合にのみ発生する。
[0038]ＱＥＯ効果によって得られるチューニング効率の増加と、ＱＣＳＥベースの光吸収の結果として生じる変調効率の減少とのバランスをとると、一般に、動作波長が、高いが高すぎないバイアス電圧（示される例では、図５Ａの約５Ｖまたは図５Ｂの３Ｖのバイアス電圧）に関連する変調器応答のピークの近くになることが望まれる。所望のバイアス電圧についての変調器応答との動作波長のアライメントは、動作波長自体をチューニングすることによって、または動作波長が固定の場合は、リング変調器を加熱することによって達成され得る。加熱は、バイアス電圧の増加と同様に、変調器応答をより長い波長にシフトさせる。ヒーター電力レベルの典型的な範囲にわって、変調器応答は、変調器の複数のそれぞれの共振に関連する複数の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）（ここでは、隣接するスペクトル範囲は、リング導波路において蓄積された光位相が２π異なる）にわたってシフトし得、これにより、ヒーターは、変調器応答に沿った所望のポイントでレーザー波長とアラインされた変調器のＦＳＲを効率的に選択することができる。
[0039]図６は、様々な実施形態によるハイブリッドリング変調器のための例となるＯＭＡおよびアイクロスをヒーター電力の関数として示すグラフである。リング変調器は、この例では、より高いバイアス電圧においてごくわずかな吸収のあるＩＩＩ－Ｖオンシリコンリング変調器である。１Ｖ（ピーク対ピーク）の電圧振幅が、固定のバイアス電圧レベルで印加され、レーザーは固定の動作波長に保たれる。ヒーター電力の増加に伴い、選択されたバイアス電圧についての変調器の伝送カーブは、より長い波長に向かってシフトし、伝送カーブに沿った動作点、これは、レーザー波長によって決定され、電圧振幅の中心（例えば、－０．５Ｖから＋０．５Ｖの振幅ではゼロボルト）に対応する、は、相応して、より低い波長に向かう方向に伝送カーブに対して移動する。ＯＭＡカーブ６００、６０２によって示されるように、伝送カーブのより長い波長または「赤い」エッジの上の動作点から開始して、ヒーター電力が増加し、動作点がカーブの共振ピーク（伝送最小値）に向かって移動すると、ＯＭＡ（カーブ６００）は、最初は増加するが、次に（６０４において）最大値に達し、スイング電圧が伝送最小値を通過すると急速に落下する。ヒーター電力のさらなる増加に伴い、動作点は、伝送カーブのより短い波長にわたってまたは「青い」エッジにわたって移動し、ＯＭＡ（この時点ではカーブ６０２に沿っている）は再度増加し、（６０６において）ピークに達し、その後徐々に減少する。図に示すように、吸収のない変調器の場合、ＯＭＡは、変調器の共振ピークを中心として対象である。
[0040]高いチューニング効率、すなわち所与の電圧振幅に対して高いＯＭＡを達成することに加えて、５０％のアイクロス（そこでは、最大光振幅と最小光振幅との間の中間点がスイング電圧の０Ｖ中間点と一致する）において反映されるように、光変調が電圧振幅の中間点に対して対称的であることが望まれる。図８では、変調器伝送カーブの赤いエッジおよび青いエッジ（それぞれカーブ６０８、６１０）についてのヒーター電力の関数としてアイクロスがプロットされている。直感的に、スイング電圧が変調器の共振ピークを前後に通り過ぎると、カーブ６０８の極めて低いアイクロスレベルおよびカーブ６１０の極めて高いアイクロスレベルで示されるように、光変調は非常に非対称になる。５０％のアイクロスレベルは、正確にＯＭＡピーク６０４、６０６ではないがそれの近くの両方のエッジで達成される。
[0041]図７は、様々な実施形態による、統合されたヒーターを有するハイブリッドフォトニックリング変調器（例えば、図１Ａ～１Ｅのリング変調器１００）を較正する方法７００のフローチャートである。方法７００は、ターゲット動作波長において固定のミッションモード電力に設定（動作７０２）されたレーザーで実行される。ヒーター（例えば、リング変調器１００のヒーター１１８）の電力は、最初に、リング変調器が、レーザーの波長への変調器共振のアライメントに対応して、その伝送最小値（最大挿入損失）に達するまでチューニングされる（動作７０４）。次いで、変調器ｐ－ｉ－ｎダイオードにわたるＤＣバイアス電圧が、ある範囲の電圧にわたってステップ化され（step）、ヒーター電力は、変調器を最大挿入損失に保つように同時に調整される（動作７０６）。各ステップにおいて、リング変調器のチューニング効率が、（例えば、ｎｍ／Ｖで）決定され、最大挿入損失とともに記録される。テストされるＤＣバイアス電圧範囲内で、最大挿入損失を特定の損失カットオフレベル（例えば、２０ｄＢ）の上に保ちつつ最高のチューニング効率にＲＦ電圧振幅を保つバイアスレベルが、次に、ターゲットＤＣバイアス電圧として選択される（動作７０８）。損失カットオフレベルは、一般に、最大ＯＭＡのための特定のデバイス最適化に基づく。述べたように、リング変調器がますます密結合されることになるため、リング導波路における吸収は増加することとなり、最大挿入損失は相応して減少する。損失カットオフレベルは、この高吸収体制を回避するように設定される。
[0042]ターゲットＤＣバイアス電圧が決定されると、ヒーター電力は、変調器応答の（要望に応じて）赤いまたは青いエッジを、動作波長とアラインするように位置付けするように調整される（動作７１０）。より具体的には、レーザーがターゲット波長において固定のミッションモード電力に設定されており、ＤＣバイアス電圧がターゲットレベルに設定されている場合、ミッションモード振幅レベルのＲＦ電圧が印加される。ヒーター電力がチューニングされ（例えば、ゼロ加熱から開始して徐々に増加され）、結果として生じる変調器挿入損失（または伝送）が、変調器応答の対象エッジを見つけるために測定される。赤いエッジの場合、挿入損失は、（電気データ＝「１」が光データ＝「１」に対応するように）ヒーター電力とともに増加し（伝送は減少し）、青いエッジの場合、挿入損失は、（電気データ＝「１」が光データ＝「０」に対応するように）ヒーター電力とともに減少する（伝送は増加する）。次に、ヒーター電力は、段階的に調整され、ターゲットアイクロスポイント（例えば、５０％）を見つけるために、各段階で（例えば、リング変調器４０２、１００の前後のタップ４２０およびモニタフォトダイオード４２２を使用して）アイクロスおよび挿入損失が測定される（動作７１２）。（５０％のアイクロスに対応する）リング変調器のＤＣ電圧バイアス、ヒーター電力、およびターゲット挿入損失のための決定された値は、次に、統合されたメモリ（例えば、マイクロプロセッサ４３２におけるフラッシュメモリのようなメモリ４３４）に記憶される（動作７１４）。ある範囲の温度にわたってＤＣ電圧バイアス、ヒーター電力、およびターゲット挿入損失のターゲット値のためのルックアップテーブルを作るために、複数の温度（例えば、リング変調器を含むＰＩＣを被制御温度環境に置くことによって温度は動作７１６において変更される）で較正が繰り返され得る。
[0043]図８は、様々な実施形態による、統合されたヒーターを有するハイブリッドフォトニックリング変調器（例えば、図１Ａ～１Ｅのリング変調器１００）を動作する方法８００のフローチャートである。ミッションモードでリング変調器を初期化するとき、（例えば、ＰＩＣに統合された温度センサを使用して）変調器の温度が読み取られる（動作８０２）。次いで、ＤＣバイアス電圧およびヒーター電力は、測定された温度についてのルックアップテーブル値に基づいて設定される（動作８０４）。次に、ヒーター電力は、初期の測定温度についてのルックアップテーブルから読み取られるターゲット挿入損失に達するように、（例えば、リング変調器４０２、１００の前後のタップ４２０およびモニタフォトダイオード４２２を使用して）変調器挿入損失の測定値に基づいて微調整される（動作８０６）。リング変調器の動作中、ヒーター電力は、例えばデータ依存型の自己加熱による、温度の任意の変化を補償するために制御ループ８０８において連続して調整され得る（動作８０８）。
[0044]リング変調器にヒーターを含まない実施形態では、この較正および動作方法７００、８００におけるヒーターチューニングは、レーザー波長をチューニングすることによって置き換えられる。ルックアップテーブルは、このケースでは、ある範囲の温度にわたるＤＣ電圧バイアス、レーザー波長、および変調器挿入損失のターゲット値をリストする。
[0045]添付の図面で描写される例となる実施形態とともにハイブリッドフォトニックリング変調器の動作の構造および原理を説明してきたが、以下の数字が付けられている実施例は、実例となる様々な実施形態をさらに定義する。
[0046]＜実施例１＞ハイブリッドフォトニックリング変調器であって、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板のシリコンデバイス層に形成されるシリコンバス導波路と、シリコンデバイス層の上に形成されるリング共振器構造と、ここで、リング共振器構造は、半導体複合材料のｐ－ｉ－ｎダイオード構造と、関連する電極とを備え、ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の活性領域は、バス導波路と横方向に重複するリング導波路を形成し、リング導波路およびシリコンバス導波路は一緒に、重複領域において垂直方向性カプラを形成する、を備えるハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0047]＜実施例２＞リング導波路は、約５μｍから約５０μｍの間である直径を有する、実施例１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0048]＜実施例３＞半導体複合材料は、ＩＩＩ－Ｖ材料である、実施例１または実施例２に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0049]＜実施例４＞活性領域は、量子井戸を備え、量子井戸のフォトルミネセンス波長は、ハイブリッドフォトニックリング変調器によって変調されることとなる光の動作波長から少なくとも１００ｎｍだけデチューンされる、実施例１乃至３のうちのいずれか１つに記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0050]＜実施例５＞ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の近くでシリコンデバイス層の上に配置され、リング導波路の共振波長を効果的に（operatively）調整するヒーターをさらに備える、実施例１乃至４のうちのいずれか１つに記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0051]＜実施例６＞ヒーターは、リング共振器構造の中に配置される、実施例５に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0052]＜実施例７＞ヒーターは、サーペンタイン金属フィラメントまたはリング共振器構造の中心に対して少なくとも２７０度の角度にわたってリング共振器構造に沿って延在する金属フィラメントを備える、実施例６に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0053]＜実施例８＞ヒーターは、リング共振器構造の外に配置される、実施例５に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0054]＜実施例９＞ヒーターは、リング共振器構造の中心に対して少なくとも１８０度の角度にわたってリング共振器構造に沿って延在する、実施例８に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0055]＜実施例１０＞ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって無線周波数（ＲＦ）電圧振幅および逆バイアス電圧を印加するために電極に電気的に接続されている電子ドライバ回路をさらに備える、実施例５乃至９のうちのいずれか１つに記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0056]＜実施例１１＞逆バイアス電圧の値およびヒーターの電力の値を記憶するメモリをさらに備える、実施例１０に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
[0057]＜実施例１２＞フォトニック集積回路（ＰＩＣ）であって、レーザーと、化合物半導体材料から形成されるｐ－ｉ－ｎダイオード構造のリング形状の活性領域に垂直に結合されたシリコンバス導波路と、レーザーの出力に結合されたシリコンバス導波路の光入力と、ＰＩＣの出力ポートに結合されたシリコンバス導波路の光出力とを備えるハイブリッドフォトニックリング変調器とを備えるＰＩＣ。
[0058]＜実施例１３＞光学リング変調器の前後のシリコンバス導波路において光タップを、および、光タップの出力においてフォトダイオードをさらに備える、実施例１２に記載のＰＩＣ。
[0059]＜実施例１４＞リング形状の活性領域は、複数の量子井戸を備え、量子井戸のフォトルミネセンス波長は、レーザーの動作波長から少なくとも１００ｎｍだけデチューンされる、実施例１２または実施例１３に記載のＰＩＣ。
[0060]＜実施例１５＞リング形状の活性領域は、約５μｍから約５０μｍの間の直径を有する、実施例１２乃至１４のうちのいずれか１つに記載のＰＩＣ。
[0061]＜実施例１６＞ハイブリッドフォトニックリング変調器は、リング形状の活性領域の共振波長を効果的に調整するヒーターをさらに備える、実施例１２乃至１５のうちのいずれか１つに記載のＰＩＣ。
[0062]＜実施例１７＞ＰＩＣは、マルチレーンフォトニックトランシーバを実装し、ハイブリッドフォトニックリング変調器および出力ポートは、第１のトランシーバレーンに含まれ、ＰＩＣは、追加の出力ポートに結合された光出力を有する追加のハイブリッドフォトニックリング変調器を各々が含む１つまたは複数の追加のレーンをさらに含む、実施例１２乃至１６のうちのいずれか１つに記載のＰＩＣ。
[0063]＜実施例１８＞シリコン導波路においてガイドされる光を変調する方法であって、シリコン導波路からの光を、シリコン導波路の上に形成された化合物半導体ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の光学活性リング導波路に垂直に結合することと、ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたってスイング電圧を印加し、それによって、リング導波路における屈折率を変調することとを備える方法。
[0064]＜実施例１９＞ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって直流（ＤＣ）バイアス電圧を印加することをさらに備え、ＤＣバイアス電圧の値は、最大の変調器挿入損失についての特定の損失カットオフレベルを超えつつ、変調器チューニング効率を最大化するように較正された記憶値に設定される、実施例１８に記載の方法。
[0065]＜実施例２０＞リング導波路を加熱することをさらに備え、ヒーター電力は、ターゲット交点を達成するように較正された記憶値に設定される、実施例１９に記載の方法。
[0066]本発明の主題は、特定の例となる実施形態を参照して説明されているが、本発明の主題の広い範囲から逸脱することなくこれらの実施形態に対して様々な修正および変更がなされ得ることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［Ｃ１］
ハイブリッドフォトニックリング変調器であって、
シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板のシリコンデバイス層に形成されるシリコンバス導波路と、
前記シリコンデバイス層の上に形成されるリング共振器構造と、ここで、前記リング共振器構造は、半導体複合材料のｐ－ｉ－ｎダイオード構造と、関連する電極とを備え、前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の活性領域は、前記バス導波路と横方向に重複するリング導波路を形成し、前記リング導波路および前記シリコンバス導波路は一緒に、重複領域において垂直方向性カプラを形成する、
を備える、ハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ２］
前記リング導波路は、約５μｍから約５０μｍの間である直径を有する、Ｃ１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ３］
前記半導体複合材料は、ＩＩＩ－Ｖ材料である、Ｃ１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ４］
前記活性領域は、量子井戸を備え、前記量子井戸のフォトルミネセンス波長は、前記ハイブリッドフォトニックリング変調器によって変調されることとなる光の動作波長から少なくとも１００ｎｍだけデチューンされる、Ｃ１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ５］
前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の近くで前記シリコンデバイス層の上に配置され、前記リング導波路の共振波長を効果的に調整するヒーターをさらに備える、Ｃ１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ６］
前記ヒーターは、前記リング共振器構造の中に配置される、Ｃ５に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ７］
前記ヒーターは、サーペンタイン金属フィラメントまたは前記リング共振器構造の中心に対して少なくとも２７０度の角度にわたって前記リング共振器構造に沿って延在する金属フィラメントを備える、Ｃ６に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ８］
前記ヒーターは、前記リング共振器構造の外に配置される、Ｃ５に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ９］
前記ヒーターは、前記リング共振器構造の中心に対して少なくとも１８０度の角度にわたって前記リング共振器構造に沿って延在する、Ｃ８に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ１０］
前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって無線周波数（ＲＦ）電圧振幅および逆バイアス電圧を印加するために前記電極に電気的に接続されている電子ドライバ回路をさらに備える、Ｃ５に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ１１］
前記逆バイアス電圧の値および前記ヒーターの電力の値を記憶するメモリをさらに備える、Ｃ１０に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
［Ｃ１２］
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）であって、
レーザーと、
化合物半導体材料から形成されるｐ－ｉ－ｎダイオード構造のリング形状の活性領域に垂直に結合されたシリコンバス導波路と、前記レーザーの出力に結合された前記シリコンバス導波路の光入力と、前記ＰＩＣの出力ポートに結合された前記シリコンバス導波路の光出力とを備えるハイブリッドフォトニックリング変調器と
を備えるＰＩＣ。
［Ｃ１３］
前記ハイブリッドフォトニックリング変調器の前後の前記シリコンバス導波路において光タップを、および、前記光タップの出力においてフォトダイオードをさらに備える、Ｃ１２に記載のＰＩＣ。
［Ｃ１４］
前記リング形状の活性領域は、複数の量子井戸を備え、前記量子井戸のフォトルミネセンス波長は、前記レーザーの動作波長から少なくとも１００ｎｍだけデチューンされる、Ｃ１２に記載のＰＩＣ。
［Ｃ１５］
前記リング形状の活性領域は、約５μｍから約５０μｍの間の直径を有する、Ｃ１２に記載のＰＩＣ。
［Ｃ１６］
前記ハイブリッドフォトニックリング変調器は、前記リング形状の活性領域の共振波長を効果的に調整するヒーターをさらに備える、Ｃ１２に記載のＰＩＣ。
［Ｃ１７］
前記ＰＩＣは、マルチレーンフォトニックトランシーバを実装し、前記ハイブリッドフォトニックリング変調器および前記出力ポートは、第１のトランシーバレーンに含まれ、前記ＰＩＣは、追加の出力ポートに結合された光出力を有する追加のハイブリッドフォトニックリング変調器を各々が含む１つまたは複数の追加のレーンをさらに含む、Ｃ１２に記載のＰＩＣ。
［Ｃ１８］
シリコン導波路においてガイドされる光を変調する方法であって、
前記シリコン導波路からの前記光を、前記シリコン導波路の上に形成された化合物半導体ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の光学活性リング導波路に垂直に結合することと、
前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたってスイング電圧を印加し、それによって、前記リング導波路における屈折率を変調することと
を備える方法。
［Ｃ１９］
前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって直流（ＤＣ）バイアス電圧を印加することをさらに備え、前記ＤＣバイアス電圧の値は、最大の変調器挿入損失についての特定の損失カットオフレベルを超えつつ、変調器チューニング効率を最大化するように較正された記憶値に設定される、Ｃ１８に記載の方法。
［Ｃ２０］
前記リング導波路を加熱することをさらに備え、ヒーター電力は、ターゲット交点を達成するように較正された記憶値に設定される、Ｃ１９に記載の方法。

Claims (15)

  1. ターゲット動作波長において光を変調するためのハイブリッドフォトニックリング変調器であって、前記フォトニックリング変調器は、
    シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板のシリコンデバイス層に形成されるシリコンバス導波路と、
    前記シリコンデバイス層の上に形成されるリング共振器構造と、ここで、前記リング共振器構造は、化合物半導体材料のｐ－ｉ－ｎダイオード構造と、関連する電極とを備え、前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の活性領域は、前記シリコンバス導波路と横方向に重複するリング導波路を形成し、前記リング導波路および前記シリコンバス導波路は一緒に、重複領域において垂直方向性カプラを形成する、
    前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の近くで前記シリコンデバイス層の上に配置されるヒーターと、
    前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって電圧を印加するために前記電極に電気的に接続されている電子ドライバ回路と、前記電圧は、逆バイアス電圧および無線周波数（ＲＦ）電圧振幅を含む、
    前記逆バイアス電圧のターゲット値および前記ヒーターの電力のターゲット値を記憶するメモリと、
    ここにおいて、前記逆バイアス電圧の前記ターゲット値は、変調器応答の共振波長における最大の変調器挿入損失についての特定の損失カットオフレベルを超えることを条件として、前記印加された電圧の変化によって、前記フォトニックリング変調器の前記変調器応答のスペクトルロケーションをシフトさせるチューニング効率を最大化し、
    ここにおいて、前記ヒーターの前記電力の前記ターゲット値は、前記ターゲット動作波長においてターゲット挿入損失を達成するように、前記逆バイアス電圧の前記ターゲット値における前記変調器応答の前記共振波長と前記ターゲット動作波長との間のオフセットを最適化する、
    を備える、ハイブリッドフォトニックリング変調器。
  2. 前記リング導波路は、約５μｍから約５０μｍの間である直径を有する、請求項１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  3. 前記化合物半導体材料は、ＩＩＩ－Ｖ材料である、請求項１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  4. 前記活性領域は、量子井戸を備え、前記量子井戸のフォトルミネセンス波長は、前記ターゲット動作波長から少なくとも１００ｎｍだけデチューンされる、請求項１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  5. 前記ヒーターは、前記リング共振器構造の中に配置される、請求項１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  6. 前記ヒーターは、サーペンタイン金属フィラメントまたは前記リング共振器構造の中心に対して少なくとも２７０度の角度にわたって前記リング共振器構造に沿って延在する金属フィラメントを備える、請求項５に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  7. 前記ヒーターは、前記リング共振器構造の外に配置される、請求項１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  8. 前記ヒーターは、前記リング共振器構造の中心に対して少なくとも１８０度の角度にわたって前記リング共振器構造に沿って延在する、請求項７に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
  9. フォトニック集積回路（ＰＩＣ）であって、
    動作波長において光を放射するレーザーと、
    ハイブリッドフォトニックリング変調器と
    を備え、前記ハイブリッドフォトニックリング変調器は、
    化合物半導体材料から形成されるｐ－ｉ－ｎダイオード構造のリング形状の活性領域に垂直に結合されたシリコンバス導波路と、前記レーザーの出力に結合された前記シリコンバス導波路の光入力と、前記ＰＩＣの出力ポートに結合された前記シリコンバス導波路の光出力と
    前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の近くで配置されるヒーターと、
    前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって電圧を印加するように構成された関連する電子ドライバ回路および電極と、前記電圧は、逆バイアス電圧および無線周波数（ＲＦ）電圧振幅を含む、
    前記逆バイアス電圧のターゲット値および前記ヒーターの電力のターゲット値を記憶するメモリと、
    ここにおいて、前記逆バイアス電圧の前記ターゲット値は、変調器応答の共振波長における最大の変調器挿入損失についての特定の損失カットオフレベルを超えることを条件として、前記印加された電圧の変化によって、前記フォトニックリング変調器の前記変調器応答のスペクトルロケーションをシフトさせるチューニング効率を最大化し、
    ここにおいて、前記ヒーター電力の前記ターゲット値は、前記動作波長においてターゲット挿入損失を達成するように、前記逆バイアス電圧の前記ターゲット値における前記変調器応答の前記共振波長と前記動作波長との間のオフセットを最適化する、
    を備えるＰＩＣ。
  10. 前記ハイブリッドフォトニックリング変調器の前後の前記シリコンバス導波路において光タップを、および、前記光タップの出力においてフォトダイオードをさらに備える、請求項９に記載のＰＩＣ。
  11. 前記リング形状の活性領域は、複数の量子井戸を備え、前記量子井戸のフォトルミネセンス波長は、前記レーザーの前記動作波長から少なくとも１００ｎｍだけデチューンされる、請求項９に記載のＰＩＣ。
  12. 前記リング形状の活性領域は、約５μｍから約５０μｍの間の直径を有する、請求項９に記載のＰＩＣ。
  13. 前記ＰＩＣは、マルチレーンフォトニックトランシーバを実装し、前記ハイブリッドフォトニックリング変調器および前記出力ポートは、第１のトランシーバレーンに含まれ、前記ＰＩＣは、追加の出力ポートに結合された光出力を有する追加のハイブリッドフォトニックリング変調器を各々が含む１つまたは複数の追加のレーンをさらに含む、請求項９に記載のＰＩＣ。
  14. シリコン導波路においてガイドされる光を変調する方法であって、
    前記シリコン導波路からの動作波長において前記光を、前記シリコン導波路の上に形成された化合物半導体ｐ－ｉ－ｎダイオード構造の光学活性リング導波路に垂直に結合することと、前記リング導波路は、関連する共振波長を有し、
    前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造にわたって電圧を印加し、それによって前記リング導波路における屈折率を変調することと、前記電圧は、直流（ＤＣ）逆バイアス電圧およびスイング電圧を含む、
    前記ｐ－ｉ－ｎダイオード構造をヒーターで加熱することと、
    ここにおいて、前記ＤＣ逆バイアス電圧は、前記共振波長に関連付けられた最大の変調器挿入損失についての特定の損失カットオフレベルを超えることを条件として、前記印加された電圧の変化によって、前記共振波長をシフトさせる変調器チューニング効率を最大化する記憶値に設定され、
    ここにおいて、前記ヒーターの電力は、前記動作波長においてターゲット挿入損失を達成するように、前記ＤＣ逆バイアス電圧の前記設定された値における前記共振波長と前記動作波長との間のオフセットを最適化する値に設定される、
    を備える方法。
  15. 前記メモリは、前記逆バイアス電圧および前記ヒーターの前記電力の複数のターゲット値を記憶し、前記複数のターゲット値は、複数のそれぞれの温度に関連する、請求項１に記載のハイブリッドフォトニックリング変調器。
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