KR101516690B1 - 마이크로 공진기 시스템들 및 그 제조 방법들 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예들은 마이크로 공진기 시스템들 및 마이크로 공진기 시스템들을 제조하는 방법들에 관한 것이다. 일 실시예에서, 마이크로 공진기 시스템(200)은 상부 표면층(204)을 갖는 기판(206) 및 상기 기판 내에 내장되고 상기 기판의 상기 상부 표면층에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 도파관(214, 216)을 포함한다. 마이크로 공진기 시스템은 또한 상부층(218), 중간층(222), 하부층(220), 주변 영역, 및 주변 코팅(224)을 갖는 마이크로 공진기(202, 402)를 포함한다. 상기 마이크로 공진기의 상기 하부층(220)은 상기 기판의 상기 상부 표면층(204)에 부착되어 상기 상부 표면층(204)과 전기적 통신을 한다. 상기 마이크로 공진기는 주변 영역의 적어도 일부분이 상기 적어도 하나의 도파관(214, 216) 위에 위치하도록 배치된다. 상기 주변 코팅(224)은 주변 표면의 적어도 일부분을 덮고, 상기 마이크로 공진기의 상부층, 중간층, 및 하부층보다 비교적 낮은 굴절률을 갖는다.

Description

마이크로 공진기 시스템들 및 그 제조 방법들{MICRORESONANTOR SYSTEMS AND METHODS OF FABRICATING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 마이크로 공진기 시스템들에 관한 것이며, 더 구체적으로, 레이저들, 변조기들, 및 광검출기들로서 이용될 수 있는 마이크로 공진기 시스템들 및 이들 시스템을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년간, 집적 회로들 상의 마이크로 전자 디바이스들의 밀도가 증가함에 따라 이들 디바이스를 상호접속하는 데 이용될 수 있는 금속 신호 라인들의 밀도에 있어서 기술적인 병목 현상이 야기되었다. 또한, 금속 신호 라인들의 이용에 의해 전력 소비가 상당히 증가하고, 대부분의 회로들의 상부에 배치되는 가장 긴 링크들을 동기화하는 데에 어려움을 겪고 있다. 신호 라인들을 통해 전기 신호들로서 정보를 전송하는 것보다, 동일한 정보가 전자기 방사(electromagnetic radiation; "ER")에 인코딩되어 광섬유, 리지 도파관(ridge waveguide), 및 광자 결정 도파관(photonic crystal waveguide)과 같은 도파관들을 통해 전송될 수 있다. 도파관들을 통해 ER에 인코딩된 정보를 전송하는 것은 신호 라인들을 통해 전기 신호들을 전송하는 것에 비해 많은 장점이 있다. 첫째, 신호 라인들을 통해 전송된 전기 신호들보다 도파관들을 통해 전송된 ER에 대해 저하 또는 손실이 훨씬 적다. 둘째, 도파관들은 신호 라인들보다 훨씬 더 높은 대역폭을 지원하도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 단일 Cu 또는 Al 와이어가 오직 단일 전기 신호를 전송할 수 있지만, 단일 광섬유는 약 100개 이상의 상이하게 인코딩된 ER을 전송하도록 구성될 수 있다.
최근에, 재료 과학 및 반도체 제조 기술들의 진전으로 인해, 광자 집적 회로들(photonic integrated circuits; "PICs")을 형성하기 위해 CMOS 회로들과 같은 전자 디바이스들과 집적될 수 있는 광자 디바이스들을 개발하는 것이 가능해졌다. "광자"라는 용어는 전자기 스펙트럼에 걸치는 주파수들을 갖는 고전적으로 특징화된 ER 또는 양자화된 ER과 동작할 수 있는 디바이스들을 지칭한다. PIC들은 전자 집적 회로들의 광자 등가물(photonic equivalent)이며, 반도체 물질의 웨이퍼 상에 구현될 수 있다. PIC들을 효과적으로 구현하기 위해, 수동 및 능동 광자 컴포넌트들이 필요하다. 도파관들 및 감쇠기들은 종래의 에피택셜 및 리소그래픽 방법들을 이용하여 통상적으로 제조될 수 있는 수동 광자 컴포넌트들의 예들이며, 마이크로 전자 디바이스들 사이의 ER의 전파를 지시하는(direct) 데 이용될 수 있다. 그러나, 이들 제조 방법들은 종종 상당한 채널 손실을 일으킬 수 있는 광자 컴포넌트들의 결함을 생성한다. 하나의 공통 손실원은 표면 거칠기(surface roughness)로 인해 산란되는 것이다.
도 1은 예시적인 마이크로디스크(102)의 평면도를 도시한다. 일반적으로, 마이크로디스크는 그의 둘레보다 더 큰 굴절률을 가지기 때문에, 채널들은 마이크로디스크의 원주 근처의 전체 내부 반사의 결과로서 트랩(trap)되게 되고, 마이크로디스크 내에 트랩될 수 있다. 마이크로디스크의 원주 근처에 트랩된 ER의 모드들을 "위스퍼링 갤러리 모드들(whispering gallery modes; WGMs)"이라고 한다. 마이크로디스크(102)의 원주 근처에 위치된 지향성 화살표(104)는 마이크로디스크(102)의 원주 근처에 전파되는 가상적인 WGM을 표현한다. 세기 도표(106)는 WGM의 세기 대 마이크로디스크(102)의 A-A선을 따르는 거리를 도시한다. 점선 세기 곡선들(108 및 110)은 마이크로디스크(102)의 주변 영역에 실질적으로 구속되는(confined) WGM을 도시한다. 마이크로디스크(102)의 직경 위로 연장되는 곡선들(108 및 110)의 부분들은 마이크로디스크(102)의 원주를 따르는 WGM의 에바네센스(evanescence)를 표현한다. 그러나, 마이크로디스크(102)의 가장자리의 확장(112)은 마이크로디스크(102)를 형성하는 데 이용되는 식각 공정에 의해 야기될 수 있는 표면 거칠기를 도시한다. 이 표면 거칠기는 산란 손실을 증가시키고 마이크로디스크(102)의 Q 인수를 감소시킨다. 물리학자들 및 엔지니어들은 광자 컴포넌트들과 연관된 Q 인수를 증가시키고 산란 손실을 감소시키는 광자 컴포넌트 설계 및 제조 방법에 대한 필요성을 인식하였다.
본 발명의 다양한 실시예들은 마이크로 공진기 시스템들 및 마이크로 공진기 시스템들을 제조하는 방법들에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 마이크로 공진기 시스템은 상부 표면층을 갖는 기판 및 상기 기판 내에 내장되고 상기 기판의 상기 상부 표면층에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 도파관을 포함한다. 마이크로 공진기 시스템은 또한 상부층, 중간층, 하부층, 주변 영역, 및 주변 코팅을 갖는 마이크로 공진기를 포함한다. 상기 마이크로 공진기의 상기 하부층은 상기 기판의 상기 상부 표면층에 부착되어 상기 상부 표면층과 전기적 통신을 한다. 상기 마이크로 공진기는 상기 주변 영역의 적어도 일부분이 상기 적어도 하나의 도파관 위에 위치하도록 배치된다. 상기 주변 코팅은 주변 표면의 적어도 일부분을 덮고, 상기 마이크로 공진기의 상기 상부, 중간, 및 하부 층들보다 비교적 낮은 굴절률을 갖는다.
도 1은 예시적인 마이크로디스크의 평면도.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 마이크로 공진기 시스템의 등측도.
도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2a에 도시된, 2B-2B선을 따르는 제1 마이크로 공진기 시스템의 단면도.
도 3a는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 마이크로디스크를 포함하는 층들의 단면도.
도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로디스크의 주변 영역에 배치된 위스퍼링 갤러리 모드의 단면도.
도 4a는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 마이크로 공진기 시스템의 등측도.
도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 4a에 도시된, 4B-4B선을 따르는 제2 마이크로 공진기 시스템의 단면도.
도 5a 내지 도 5j는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템을 제조하는 방법과 연관되는 도면들.
도 6a는 양자 우물 이득 매질(quantum- well gain medium)의 전자 상태들과 연관되는 에너지 레벨도.
도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 레이저로서 동작되는, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템의 개략도.
도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른 변조기로서 동작되는, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템의 개략도.
도 7b는 도 7a에 도시된 마이크로 공진기 시스템과 광자 통신하는 소스로부터 방출되는 전자기 방사의 세기 대 시간의 도표.
도 7c는 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템에 의해 발생되는 변조된 전자기 방사의 세기 대 시간을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광검출기로서 동작되는, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템의 개략도.
본 발명의 실시예들은 마이크로스케일 공진기("마이크로 공진기") 시스템들 및 마이크로 공진기 시스템들을 제조하는 방법들에 관한 것이다. 마이크로 공진기 시스템들은 레이저들, 변조기들, 및 광검출기들로서 이용될 수 있으며, CMOS 회로와 통합될 수 있다. 후술하는 다양한 마이크로 공진기 및 제조 실시예들에서, 동일한 물질들을 포함하는 다수의 구조적으로 유사한 컴포넌트들은 동일한 참조 번호들이 제공되며, 간결성을 위해, 그들의 구조 및 기능의 설명은 반복하지 않는다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 공진기 시스템(200)의 등측도를 도시한다. 마이크로 공진기 시스템(200)은 기판(206)의 상부 표면층(204)에 부착된 마이크로디스크(202), 마이크로디스크(202)의 상부 표면(210)에 인접한 제1 전극(208), 및 상부 표면층(204)에 부착되며 마이크로디스크(202)에 인접하여 배치되는 제2 전극(212)을 포함한다. 마이크로디스크(202)는 마이크로 공진기 시스템(200)의 마이크로 공진기이며, 특정 WGM들을 지원하도록 구성될 수 있다. 기판(206)은 기판(206)을 통해 연장되며 상부 표면층(204)에 인접하여 배치되는 2개의 도파관(214 및 216)을 포함한다. 도파관들(214 및 216)은 마이크로디스크(202)의 주변 영역들 아래에 배치된다. 마이크로디스크(202)는 상부층(218), 하부층(220), 및 상부층(218)과 하부층(220) 사이에 삽입된 중간층(222)을 포함한다. 하부층(220)은 도 2b를 참조하여 후술하는 바와 같이, 상부 표면층(204)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 마이크로디스크(202)의 층들(218, 220, 및 222)은 도 3을 참조하여 더 상세하게 후술한다. 마이크로 공진기 시스템(200)은 마이크로디스크(202)의 주변 표면의 적어도 일부분을 덮는 비교적 얇은 주변 코팅(224)을 포함한다.
도 2b는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2a에 도시된, 2B-2B선을 따르는 마이크로 공진기 시스템(200)의 단면도를 도시한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 도파관들(214 및 216)은 마이크로디스크(202)의 주변 영역들의 부분들 아래에 배치된다. 제2 전극(212)은 상부 표면층(204)을 통해 하부층(220)과 전기적 통신을 한다. 단일 제2 전극(212)만이 상부 표면층(204) 상에 배치되지만, 본 발명의 다른 실시예들에서는 2개 이상의 전극들이 상부 표면층(204) 상에 배치될 수 있다.
상부층(218)은 정공 농도보다 큰 전자를 생성하는 전자 도너(electron donor) 불순물들로 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 반도체일 수 있다. 이러한 반도체를 "n-타입 반도체"라고 한다. 하부층(220)은 전자 농도보다 큰 정공을 생성하는 원소 억셉터(element acceptor) 불순물들로 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 반도체일 수 있다. 이러한 반도체를 "p-타입 반도체"라고 한다. 로마 숫자 Ⅲ 및 Ⅴ는 원소들의 주기율표의 제3 및 제5 컬럼에 있는 원소들을 지칭한다는 것을 주목한다. 중간층(222)은 하나 이상의 양자 우물을 포함한다. 각각의 양자 우물은 Ⅲ-Ⅴ 반도체의 상이한 타입의 2개의 층 사이에 삽입된 비교적 얇은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 층일 수 있다. 도 3a는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 마이크로디스크(202)를 포함하는 층들의 단면도를 도시한다. 도 3a에서, 상부층(218)은 p-타입 InP일 수 있고, 여기서 Zn이 도펀트로서 이용될 수 있으며, 하부층(220)은 n-타입 InP일 수 있고, 여기서 Si가 도펀트로서 이용될 수 있다. 중간층(222)은 InxGa1 - xAsyP1 -y의 3개의 양자 우물(301-303)을 포함하며, 여기서, x와 y는 0과 1 사이의 범위이다. 중간층(222)은 또한 InxGa1 - xAsyP1 -y의 배리어층들(305-308)을 포함하며, 여기서, x와 y는 0과 1 사이의 범위이다. 구성요소들 x 및 y의 선택은 이 기술분야에 잘 알려져 있다. 예를 들어, InP 층들(218 및 220)에 격자 정합되는(latticed matched) 층들의 경우, x 값은 0.47로 선택된다. y의 선택은 양자 우물의 밴드갭 에너지를 결정한다. 양자 우물의 동작은 도 6a를 참조하여 후술한다. 양자 우물들(301-303)은 원하는 파장 λ에서 ER을 방출하도록 구성될 수 있고, 배리어 층들(305-308)은 양자 우물 내로 주입된 캐리어들(즉, 전자들 및 정공들)을 구속하기 위해서 비교적 큰 밴드갭을 갖도록 구성될 수 있다. 층들(306 및 307)은 양자 우물들(301-303)을 분리하고, 층들(305 및 308)은 각각 층들(218 및 220)로부터 양자 우물들(301 및 303)을 분리하는 2개의 비교적 두꺼운 층들이다. 주변 코팅(224)은 InP와 같은 도핑되지 않은(un-doped) 인-기반 반도체일 수 있다. 기판(206)은 SiO2, Si3N4 또는 다른 적절한 유전체 절연 물질로 이루어질 수 있다. 도파관들(214 및 216)은 Si 및 Ge와 같은 컬럼 Ⅳ 원소로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, GaAs, GaP 또는 GaN과 같은 다른 적절한 Ⅲ-Ⅴ 반도체가 이용될 수 있다.
주변 코팅(224)의 두께는 약 5 내지 약 25nm의 범위일 수 있거나, 약 10 내지 약 20nm의 범위일 수 있고, 마이크로디스크(202)의 층들(218, 220, 및 222)과 연관된 굴절률보다 비교적 낮은 굴절률을 갖는다. 또한, 주변 코팅(224)은 층들(218, 220, 및 222)의 외부 표면보다 매끄러운 외부 표면을 갖는다. 결과로서, 주변 코팅(224)은, 마이크로디스크(202)의 주변을 따르는 산란으로 인한 손실량을 또한 감소시키며, 그리고 더 높은 연관된 Q 인수를 야기하는 클래딩 층으로서 역할을 한다. 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로디스크(202)의 주변 영역에 배치된 WGM의 단면도를 도시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 점선 타원들(310 및 312)은 WGM이 점유하는 마이크로디스크(202)의 주변 영역의 부분들을 식별하며, 도파관들(214 및 216) 내로의 WGM의 에바네센트 결합(evanescent coupling)을 도시한다.
본 발명의 마이크로 공진기 시스템 실시예들의 마이크로 공진기들은 마이크로디스크(202)와 같은 원형 마이크로디스크들로 한정되지 않는다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 마이크로 공진기들은 마이크로링들 또는 다른 적절한 마이크로 공진기들일 수 있고, 마이크로 공진기들은 원형, 타원형일 수 있거나, 공진 ER을 생성하는 데 적합한 임의의 다른 모양을 가질 수 있다. 도 4a는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 마이크로 공진기 시스템(400)의 등측도를 도시한다. 마이크로 공진기 시스템(400)은 기판(206)의 상부 표면층(204)에 부착된 마이크로링(402)을 포함하며, 마이크로링(402)의 부분들이 도파관들(214 및 216) 위에 위치하도록 배치된다. 마이크로링(402)의 상부 표면 상에 마이크로링 전극(404)이 배치되고, 마이크로링(402)은 마이크로디스크(202)의 층들(218, 220, 및 222)과 동일한 구성요소를 갖는 상부, 중간, 및 하부 층들을 포함한다. 마이크로링(402)의 하부층은 상부 표면층(204)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 마이크로 공진기 시스템(400)은 또한 마이크로링(402)의 주변 표면을 덮는 비교적 얇은 주변 코팅(406)을 포함한다.
도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 4a에 도시된, 4B-4B선을 따르는 제2 마이크로 공진기 시스템(400)의 단면도를 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 도파관들(214 및 216)은 마이크로링(402)의 부분들 아래에 배치된다. 제2 전극(212)은 상부 표면층(204)을 통해 마이크로링(402)의 하부층과 전기적 통신을 한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 2개 이상의 전극이 상부 표면층(204) 상에 배치될 수 있다.
도 5a 내지 도 5j는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 광자 시스템(200)을 제조하는 방법과 연관되는 등측 및 단면도들을 도시한다. 도 5a는 인-기반 웨이퍼(510)에 의해 지지되는 상부층(502), 중간층(504), 하부층(506), 및 식각 정지층(508)을 포함하는 제1 구조(500)의 등측도를 도시한다. 층들(502 및 506)은 각각 Si 및 Zn으로 도핑된 InP 또는 GaP와 같은 n-타입 및 p-타입 Ⅲ-Ⅴ 반도체들로 이루어질 수 있다. 중간층(504)은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 양자 우물을 포함한다. 식각 정지층(508)은 격자 정합된 In0.53Ga0.47As의 얇은 층일 수 있다. 층들(502, 504, 및 506)은 MBE(molecular beam expitaxy), LPE(liquid phase epitaxy), HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOVPE(metalorganic vapor phase expitaxy) 또는 다른 적절한 에피택시 방법을 이용하여 퇴적될 수 있다. 도 5b는 층들(502, 504, 506, 508) 및 웨이퍼(510)의 단면도를 도시한다.
다음으로, 도 5c의 단면도에 도시된 바와 같이, 스퍼터링을 이용하여 상부층(502) 위에 산화물층(512)을 퇴적할 수 있다. 산화물층(512)은 도 5g를 참조하여 후술하는 바와 같이, 기판(206) 상에의 상부층(502)의 웨이퍼 본딩을 용이하게 하는 데 이용될 수 있다. 층(512)은 SiO2, Si3N4 또는 기판(206)에의 웨이퍼 본딩을 실질적으로 개선하는 다른 적절한 유전체 물질일 수 있다.
도 5d는 산화물 기판층(518) 위에 Si 층(516)을 갖는 SOI(silicon-on-insulator) 기판 웨이퍼(514)를 도시한다. 실리콘 도파관들(214 및 216)은 다음과 같이 Si 층(516)에서 제조될 수 있다. 포토레지스트가 Si 층(516) 위에 퇴적될 수 있고, 도파관들(214 및 216)의 포토레지스트 마스크가 UV 리소그래피를 이용하여 포토레지스트에 패터닝될 수 있다. 도파관들(214 및 216)은 그 다음에 유도성 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; "ICP") 식각기, 및 Cl2/HBr/He/O2에 기초한 화학물을 이용한 저압, 고밀도 식각 시스템과 같은 적절한 식각 시스템을 이용하여 Si 층(514)에 형성될 수 있다. 도파관들(214 및 216)이 Si 층(516)에 형성된 후에, 도 5e에 도시된 바와 같이, 도파관들(214 및 216)을 남기는 포토레지스트 마스크를 제거하기 위해 용제가 이용될 수 있다. 기판(518)과 동일한 산화물 물질로 이루어진 산화물 층이 액상 화학 증기 퇴적(liquid-phase, chemical-vapor deposition)을 이용하여 도파관들(214 및 216) 위에 퇴적될 수 있다. 도 5f에서 기판(206)의 단면도에 도시된 바와 같이, 화학 기계 연마(chemical mechanical polishing; "CMP") 공정들을 이용하여 퇴적된 산화물을 평탄화해서 도파관들(214 및 216)이 내장된 기판(206)을 형성한다.
다음으로, 도 5g에 도시된 바와 같이, 제1 구조(500)가 반전되고(inverted) 웨이퍼 본딩을 이용하여 기판(206)의 상부 표면에 산화물 층(512)을 부착한다. 도 5h에 도시된 제2 구조(520)를 획득하기 위해 층(510)을 제거하는 데 선택적 습식 식각이 이용될 수 있다. 식각 정지층(508)은 식각 공정이 층(506)에 도달하지 못하게 하기 위해 포함될 수 있다. 식각 정지층(508)의 InGaAs와 InP 사이에 식각 선택도가 존재하기 때문에, InP 기반 웨이퍼(510)를 제거하기 위해 염화수소산(Hydrochloric acid)이 또한 이용될 수 있다.
다음으로, 도 5i에 도시된 바와 같이, 마이크로디스크(202)의 형태로 층들(502, 504 및 506)을 식각하기 위해 RIE(reactive ion etching), CAIBE(chemically assisted ion beam etching), 또는 ICP(inductively coupled plasma) 식각이 이용될 수 있다. RIE, CAIBE, 및 ICP는 또한 도 4에 도시된 바와 같은 마이크로링 또는 다른 적절한 마이크로 공진기 모양을 형성하는 데 이용될 수 있다. 기판(206)에 인접한 층(502)의 일부분이 상부 표면층(204)을 형성하기 위해 남는다. 결과로서 생긴 마이크로디스크(202) 구조는 식각 공정으로부터 생긴 거친 외부 표면을 갖는다. 건식 식각 공정은 반응성 원소들에 의한 마이크로디스크(202)의 표면의 충격(bombarding)으로 인해 마이크로디스크(202)의 표면 상에 얇은 손상된 영역이 생기게 한다. 층들(218, 220, 및 222)의 이러한 손상되고 거칠게 된 외부 표면은 이들 층에 구속되는 ER의 더 낮은 Q 및 과도한 손실을 일으킨다. 대량 수송 공정(mass transport process)은 손상을 어닐링 아웃(annealing out)하면서 이러한 거친 표면을 매끄럽게 하는 데 이용된다.
마이크로디스크(202)가 식각에 의해 형성된 후에, 마이크로디스크(202) 및 기판(206)이 인화수소 가스(PH3) 및 수소(H2)의 적절한 분압으로 채워진 반응 챔버에 배치되며, 챔버는 약 400℃ 내지 약 700℃의 범위에 있는 온도로 가열된다. 층들(218, 220, 및 222)에 있는 인듐 원자들이 분리되게 되고 대량 수송을 통해 마이크로디스크(202)의 외부 표면을 덮는 InP의 비교적 얇은 주변 코팅(224)을 형성하는 마이크로디스크(202)의 외부 표면에서 인화수소 가스의 인과 반응할 수 있다. 대량 수송은 표면 에너지 최소화 및 확산으로 인해 뾰족한 볼록면들의 침식 및 오목면들의 채움을 야기한다.
도 5j는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로디스크(202)를 덮는 주변 코팅(224)을 도시한다. 주변 코팅(224)은 약 5nm 내지 약 25nm 또는 약 10nm 내지 약 20nm의 범위에 있는 두께를 가질 수 있고, 클래딩 층으로서 역할을 할 수 있는데, 그 이유는, 주변 코팅(224)의 굴절률이 마이크로디스크(202)를 이루는 층들의 굴절률보다 비교적 낮기 때문이다. 또한, 마이크로디스크(202)의 외부 표면의 확장(524)에 도시된 바와 같이, 주변 코팅(224)은 거친 외부 표면(528)에 의해 생성되는 산란의 양을 감소시키고 마이크로디스크(202)와 연관된 Q 인수를 증가시키는 더 매끄러운 외부 표면(526)을 제공한다. 주변 코팅(224)의 대량 수송된 InP는 마이크로디스크(202)의 식각된 표면 상의 결함들에서의 캐리어들의 표면 재결합으로 인해 손실을 감소시키며, 양자 우물 층(222)의 양자 우물들보다 넓은 밴드갭을 가진다. "헤테로인터페이스(heterointerface)"는 주입된 캐리어들이 마이크로디스크(202)의 표면에 도달하지 못하게 하는 빌트 인 필드(built in field)를 도입한다.
마이크로디스크(202)는 도파관들(214 및 216)에 전송된 코히런트(coherent) ER을 생성하는 레이저로서 이용될 수 있다. 레이저는 3개의 기본 컴포넌트, 즉, 이득 매질 또는 증폭기, 펌프, 및 광 캐비티 내부의 ER의 피드백을 포함한다. 중간층(222)의 양자 우물들은 이득 매질을 포함하며, 전극들(208 및 212)에의 외부 인가 전류 또는 전압은 펌프이며, 중간층(222)의 양자 우물들을 펌핑함으로써 생성되는 WGM이 마이크로디스크(202)의 원주 근처에 전파될 때 전체 내부 반사에 의해 피드백이 생성된다.
이득 매질은 적절한 밴드갭을 갖는 적어도 하나의 양자 우물로 이루어질 수 있다. 양자 우물 사이즈 및 양자 우물을 둘러싸는 벌크 물질은 양자 우물의 전자 상태들의 에너지 레벨 간격을 결정한다. 통상적으로, 양자 우물은 가전자대에서의 비교적 작은 수의 양자화된 전자 에너지 레벨들 및 전도대에서의 약간의(a few) 양자화된 정공 에너지 레벨들을 갖도록 구성된다. 전도대에서의 최저 에너지 레벨들로부터 가전자대에서의 에너지 레벨들로 전이하는 전자들은 이득 매질의 방출 파장 λ을 결정한다. 도 6a는 폭 a의 양자 우물-기반 이득 매질의 양자화된 전자 에너지 상태들과 연관되는 에너지 레벨 도표(600)를 도시한다. 밴드갭 에너지 Eg를 갖는 더 좁은 영역(602)은 양자 우물에 대응하며, 밴드갭 에너지
Figure 112010012782421-pct00001
를 갖는 비교적 더 넓은 영역들(604 및 606)은 양자 우물을 둘러싸는 벌크 물질에 대응한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 양자 우물은 전도대에서 정공 에너지 레벨(608) 및 가전자대에서 3개의 전자 에너지 레벨(610-612)을 갖는다. 이득 매질은 반도체 물질을 포함하기 때문에, 전기적 펌핑과 같은 적절한 전자 자극은 전자들을 가전자대로부터 정공 에너지 레벨(608)과 같은 전도대에서의 양자화된 레벨들로 프로모트(promote)한다. 가전자대의 정공과 전도대의 전자의 자발적인 재결합(spontaneous recombination)은 hc/λ에 의해 주어지는 에너지를 갖는 광자의 방출을 일으키며, 여기서, h는 플랑크 상수(Plank's constant), c는 진공에서의 ER의 속도이다. 자극된 방출은 동일한 에너지 또는 파장에서 더 많은 광자를 생성하기 위해 이득 매질을 자극하는 WGM에서의 광자들의 결과로서 일어난다. 자발적인 및 자극적인 방사 방출들 둘다에서, 방출된 ER의 에너지는 아래와 같다.
Figure 112010012782421-pct00002
여기서, E2는 전도대로 펌핑된 전자들의 에너지 레벨(608)이며, E1은 전도대로부터의 전자와 결합하는 가전자대에서의 정공들과 연관된 에너지 레벨(610)이다. 전기적 펌프가 이득 매질에 인가되는 한, 마이크로디스크(202) 내의 전체 내부 반사에 의해 야기되는 피드백은 WGM의 세기가 증가되게 한다. 이득이 마이크로디스크(202) 내부의 손실과 같을 때 레이저 동작(lasing)이 일어난다. 마이크로디스크(202)는 이득이 있는 광 캐비티(optical cavity)를 형성하고, 도파관들(214 및 216)은 마이크로디스크(202)로부터의 ER을 결합한다.
도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 레이저로서 동작되는, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템(200)의 개략도를 도시한다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극들(208 및 212)은 전류 소스(614)에 접속된다. 마이크로디스크(202)의 양자 우물들은 도 6a를 참조하여 전술한 바와 같이, 마이크로디스크(202)를 펌핑함으로써 이득 매질로서 동작될 수 있고, 적절한 크기의 전류가 전류 소스(614)에 의해 공급된다. 결과로서, 파장 λ을 갖는 WGM이 마이크로디스크(202) 내에서 발생되고, 전체 내부 반사는 WGM의 세기가 증가함에 따라 마이크로디스크(202)의 원주 근처에서 WGM이 전파되게 한다. WGM은 도파관들(214 및 216) 내로 에바네센트 결합하여 도파관들(214 및 216)에서 전파되는 파장 λ를 갖는 ER을 산출한다.
도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른 변조기로서 동작되는, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템(200)의 개략도를 도시한다. 전류 소스(614)는 데이터 소스(702)에 접속되고, 데이터 소스(702)는 중앙 처리 장치, 메모리, 또는 다른 데이터 생성 디바이스일 수 있다. ER 소스(704)는 도파관(216)에 결합되고, 도 7b에 도시된 바와 같이 시간에 대해 실질적으로 일정한 세기를 갖는 ER을 방출한다. 도 7a를 참조하면, 마이크로디스크(202) 내로 결합된 ER의 양은 디튜닝(detuning), 결합 계수(coupling coefficient), 및 마이크로디스크(202)의 내부의 손실들에 의존한다. 소스(704)에 의해 방출된 ER의 파장 λ이 마이크로디스크(202)의 공진으로부터 디튜닝될 때, ER은 도파관(216)으로부터 마이크로디스크(202) 내로 결합하지 않는다. ER의 파장 λ이 마이크로디스크(202)와의 공진에 있을 때, 도파관(216)에서 전파되는 ER의 송신은 ER이 WGM을 생성하는 마이크로디스크(202) 내로 에바네센트 결합하기 때문에 감소된다. 도파관(216)에 전송된 ER의 일부분은 도파관(216) 위에 배치된 마이크로디스크(202)의 주변 영역 내로 에바네센트 결합하고, 파장 λ을 갖는 WGM으로서 주변 영역에서 전파된다. 데이터 소스(702)는 전류 소스(614)에 의해 생성된 전류의 크기를 변조함으로써 WGM에 데이터를 인코딩한다. 전극들(208 및 212) 사이에 전송되는 전류의 크기를 변조하는 것은, 마이크로디스크(202)의 굴절률이 그에 대응하여 변하게 한다. 마이크로디스크(202)의 굴절률이 변경되면, 마이크로디스크(202)의 공진 파장은 도파관(216)에 전송된 ER의 공진 파장으로부터 디튜닝하게 하는 것을 변경한다. 이것은 또한 도파관(216)으로부터 마이크로디스크(202)로의 ER의 전송을 변조하고 후속하여 도파관(216)에 전송된 ER의 세기를 변조한다. 도파관(214)이 존재할 때, ER은 입력 도파관(216)으로부터 마이크로디스크(202)를 통해 도파관(214)으로 전달될 수 있다. 도파관(214)으로 전달된 ER의 양은 결합 강도에 의존한다. 마이크로디스크(202)의 굴절률을 변조하면, 도파관(214)으로 전송된 ER의 세기가 감소한다. 또한, 마이크로링(202) 내부의 손실을 조절함으로써 도파관(216) 내의 ER의 세기를 변조한다. 이것은 인가된 전압의 적용(application)을 통해 양자 우물의 밴드갭을 변조하는 양자 구속 스타크 효과(quantum confined stark effect)를 이용함으로써 실현된다. 마이크로디스크(202)에서의 손실을 증가시키는 것은 도파관들(214 및 216) 내의 마이크로디스크(202)를 지나 전송되는 세기를 변조한다.
도 7c는 변조된 ER의 세기 대 시간을 도시하며, 여기서, 비교적 낮은 세기 영역들(706 및 708)은 마이크로디스크(202) 상에 유발된 비교적 높은 굴절률에 대응한다. 상대적인 세기들은 상대적인 세기들에 이진수를 할당함으로써 정보를 인코딩하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 이진수 "0"은 세기 영역들(706 및 708)과 같은 낮은 세기들에 의해 광자 신호에 표현될 수 있고, 이진수 "1"은 세기 영역들(710 및 712)과 같은 비교적 더 높은 세기들에 의해 동일한 광자 신호에 표현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광검출기로서 동작되는, 도 2에 도시된 마이크로 공진기 시스템(200)의 개략도를 도시한다. 정보를 인코딩하는 변조된 ER
Figure 112010012782421-pct00003
은 도파관(216)에 전송된다. ER은 대응하는 변조된 WGM을 생성하는 마이크로디스크(202)의 주변 영역 내로 에바네센트 결합한다. WGM들의 세기의 변동들은 제1 및 제2 전극들(208 및 212) 사이에 대응하는 변동하는 전류를 유발한다. 변동하는 전류는 계산 디바이스(802)에 의해 처리될 수 있는 변조된 ER에 인코딩된 동일한 데이터를 인코딩하는 전기 신호이다.
전술한 설명은 설명의 목적으로 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 특정 명명법(nomenclature)을 이용하였다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 특정 상세가 요구되지 않는다는 것이 이 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명의 특정 실시예의 전술한 설명들은 예시 및 설명의 목적으로 제시된다. 이들 실시예는 개시된 특정 형태들로 본 발명을 한정하거나 열거하는 것으로 의도되지 않는다. 전술한 교시에 비추어 많은 수정 및 변경이 가능하다는 것이 분명하다. 실시예들은 본 발명의 원리들 및 그의 실제 응용들을 가장 잘 설명함으로써 이 기술분야의 통상의 다른 기술자들이 본 발명 및 고려되는 특정 용도로 적합되는 바와 같이 다양한 수정을 갖는 다양한 실시예들을 가장 잘 활용할 수 있게 하기 위해서 도시되고 설명된 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위 및 그들의 등가물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 마이크로 공진기(microresonator) 시스템(200)으로서,
    상부 표면층(204)을 갖는 기판(206);
    상기 기판(206) 내에 내장되고 상기 기판의 상기 상부 표면층에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 도파관(214, 216); 및
    상부층(218), 중간층(222), 하부층(220), 주변 영역, 및 주변 코팅(224)을 갖는 마이크로 공진기
    를 포함하며,
    상기 마이크로 공진기의 상기 하부층은 상기 기판의 상기 상부 표면층에 부착되어 상기 상부 표면층과 전기적 통신을 하고, 상기 마이크로 공진기는 상기 주변 영역의 적어도 일부분이 상기 적어도 하나의 도파관 위에 위치하도록 배치되고, 상기 주변 코팅은 상기 상부층의 상부 표면의 적어도 일부분 및 상기 상부층, 상기 중간층, 그리고 상기 하부층의 주변 표면들의 적어도 일부분을 덮으며, 상기 마이크로 공진기의 상기 상부층, 중간층, 및 하부층보다 비교적 낮은 굴절률을 갖는, 마이크로 공진기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 공진기의 상기 상부 표면층 상에 배치된 제1 전극(208); 및
    상기 마이크로 공진기에 인접한 상기 기판의 상기 상부 표면층 상에 배치된 적어도 하나의 제2 전극(212)
    을 더 포함하는 마이크로 공진기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중간층은 적어도 하나의 양자 우물(quantum well)(301-303)을 더 포함하는 마이크로 공진기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상부층(218)은 p-타입 반도체를 더 포함하고, 상기 하부층(220)은 n-타입 반도체를 더 포함하는 마이크로 공진기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 주변 코팅(224)은 인-기반 반도체(phosphorus-based semiconductor)를 더 포함하고, 상기 마이크로 공진기를 위한 클래딩 층(cladding layer)으로서 역할을 하는 마이크로 공진기 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 공진기는 마이크로디스크(102) 및 마이크로링(402) 중 하나를 더 포함하는 마이크로 공진기 시스템.
  7. 마이크로 공진기로서,
    상부층(218);
    하부층(220);
    하나 이상의 양자 우물(301-303)을 갖는 중간층(222) - 상기 중간층은 상기 상부층과 상기 하부층 사이에 삽입됨 - ; 및
    상기 상부층의 상부 표면의 적어도 일부분 및 상기 상부층, 상기 하부층, 그리고 상기 중간층의 주변 표면들의 적어도 일부분을 덮는 주변 코팅(224)
    을 포함하며,
    상기 주변 코팅은 상기 상부층, 상기 하부층, 및 상기 중간층보다 비교적 낮은 굴절률을 갖는, 마이크로 공진기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 상부층(218)은 p-타입 반도체를 더 포함하고, 상기 하부층(220)은 n-타입 반도체를 더 포함하는 마이크로 공진기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 주변 코팅(224)은 인-기반 반도체를 더 포함하고, 클래딩 층으로서 역할을 하는 마이크로 공진기.
  10. 제7항에 있어서, 마이크로디스크(202) 및 마이크로링(402) 중 하나를 더 포함하는 마이크로 공진기.
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