KR101869414B1 - 손실 변조 실리콘 소멸파 레이저 - Google Patents

손실 변조 실리콘 소멸파 레이저 Download PDF

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Abstract

손실 변조 실리콘 소멸파 레이저가 개시된다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 손실 변조 반도체 레이저 소자는 제1 기판 상에 존재하되 내부의 반도체 층에 도파관을 포함하는 SOI(semiconductor-on-insulator)구조 및 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층에 결합되는 반도체 구조를 포함하되, 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 적어도 하나의 영역은 반도체 레이저 소자 내의 광자 수명을 제어한다.

Description

손실 변조 실리콘 소멸파 레이저{LOSS MODULATED SILICON EVANESCENT LASERS}
본 발명은 일반적으로는 반도체 소자에 관한 것이고, 구체적으로는 손실 변조 실리콘 소멸파 레이저에 관한 것이다.
연방 지원연구 또는 개발에 대한 진술
본 발명은 DARPA에서 주는 연구보조금 482530-25615호 아래 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 일정 권리를 가질 수도 있다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 이하의 동시 계류중이고 일반 양도된 미국특허출원의 미국법 제35호 (특허법) 제119조(e)에 의거한 이익을 주장한다:
Hohn E. Bowers 및 Daoxin Dai에 의하여 2010년 6월 30일 출원된 미국 실용특허 명세서 일련번호 제 12/827.776호 “손실 변조 실리콘 소멸파 레이저(LOSS MODULATED SILICON EVANESCENT LASERS)”(대리인 문서 번호 제30794.382-US-01호): 상기 출원은 본 명세서의 참조로서 통합된다.
반도체 칩 레벨 결합 소자는 일부 소비자 및 상업적 용도로 사용되는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 반도체 소자들은 단일 재료로 제조되거나, 다른 형태의 물질이 격자 정합 및 호환성 결정 구조를 기반으로 한 기판에서 성장하기도 한다. 이와 같이, 주기율표의 III족 및 V족(III-V족 물질들) 반도체 물질로부터 제조된 소자들은 일반적으로 갈륨비소(GaAs) 또는 다른 화합물 반도체 기판 상에 성장하는 반면에, 실리콘 소자들은 실리콘 기판 상에 성장하거나 제조된다. 실리콘과 III-V족 물질간의 격자 부정합과 비호환성 결정 구조 때문에 III-V족 물질을 바탕으로 한 소자들은 실리콘 상에 제조된 전자 소자들과 통합되기 어렵다.
광 송신기는 임의의 광통신 시스템의 가장 중요한 구성 중 하나이다. 일반적으로, 광 송신기는 예들 들면, 갈륨비소(GaAs)와 같은 주기율표의 III족 및 V족(III-V족) 반도체 물질로 제조된다. 일반적으로 전자통신 시스템에 사용되는 실리콘은 광 방출을 약하게 하는 간접 밴드갭(bandgap)을 가지고 있으며, 따라서 실리콘이 광 송신기에 활용되는 경우 잘 작동하기 않기 때문에, 이러한 물질들이 일반적으로 사용된다. 간접 밴드갭과 그에 따른 실리콘의 낮은 광 배출은 광 송신기 및 Si-기반 광통신 시스템의 핵심 요소인 전기적으로 펌핑되는 Si-기반 레이저의 구현을 제한한다.
실리콘은 다양한 방법으로 쉽게 가공되며, 합리적인 비용으로 고품질에 용이하게 활용할 수 있으며, 통신 시스템용 복합 지원 전자 회로가 실리콘을 쉽게 활용할 수 있기 때문에 실리콘은 반도체 물질로 선호된다.
최근에, 저 비용 광전자 해결책의 잠재성으로 인하여 실리콘 광 소자들(예를 들면, 광자를 방출하는 실리콘 소자)에 대해 광범위하게 연구되고 있다. 상기 제조 공정은 실리콘 기반 전자 기술, 특히 상호보완적 금속산화물 반도체(CMOS) 처리공정과 호환될 수 있기 때문에 실리콘 광 소자는 III-V족 물질에 대한 소자 비용을 감소시킬 수 있다.
최근, III-V족 활성 영역과 실리콘 광 도파관을 결합하는 복합 구조가 전기적으로 펌핑된 Si-기반 레이저의 해결책으로 논의되고 있다. 이러한 소자들은 105℃까지의 온도로 연속 파 레이저 출력(레이징), 30 mW까지의 연속 파 출력 파워, 및 40 Gbit/s 모드 잠금을 포함하는 많은 바람직한 특성들을 가지고 있다. 이러한 복합 III-V족 실리콘 “소멸파(evanescent)”구조는 Si 층에서 트랜치에 의해 정의되는 광 도파로를 구비한, SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼에 결합된 III-V족 양자 우물(quantum-well) 영역을 포함한다. 이와 같은 방법으로, 복합 구조는 역 릿지(ridge) 도파관처럼 작동한다.
소자의 광 모드가 III-V족/실리콘 경계를 가로지름에 따라, 소자 내 III-V족 구조와 실리콘 구조 사이의 전이가 사라진다는 점에서 이러한 기기들은 “소멸파”라고 불린다.
비록 이러한 레이저가 현재 가능하지만, 이러한 소자로 구현되는 광 송신기를 위하여 광 신호의 높은 변조 속도가 마찬가지로 요구될 수 있다. 주입된 펌핑 전류의 직접 변조는 이러한 문제에 대한 단순한 접근법이지만, 주입 전류가 증가함에 따라 소멸률(extinction ratio)이 감소하고, 따라서 적용될 수 있는 주입 전류의 양을 제한할 수 있다. 게다가, 직접 변조는 속도에 있어서 일반적으로 10GHz 이하로 제한되고, 직접 변조에 의해 유도되는 파장 “첩(chirp)”때문에 직접적으로 변조된 신호의 전송 거리가 제한된다. 전류의 직접 변조는 또한 레이저의 광 출력을 다양하게 하는 레이저의 이득을 변화시키는데, 이 모든 것은 통신 시스템에 있어서 바람직한 소자 특징들이 아니다.
외부 변조기들 또한 변조 속도와 전송 거리의 확대를 결정하는 것으로 평가되어 왔다. 큰(밀리미터 크기) 소자인 MZI(Mach-Zender Interferometric) 변조기는, 도파관의 캐리어 공핍을 통하여 변조 속도와 전송 거리를 증가시키는 것으로 나타났으며, 빠른 굴절률 변조를 도입하지만, 이러한 변조기는 상대적으로 큰 크기 때문에 실리콘 및/또는 복합 소자와 통합되기 어렵다.
그래서, 광 전송 시스템에 사용될 수 있는 실리콘 기반 레이저에 대한 기술적 필요성이 존재하는 것으로 보여진다. 또한, 실리콘 기반 레이저와 변조기의 통합에 대한 기술적 필요성이 존재하는 것으로 보여진다. 또한, 반도체 레이저 소자와 더욱 용이하게 통합될 수 있는 변조 기술에 대한 기술적 필요성이 존재하는 것으로 보여진다.
이전 기술에 있어서 한계들을 최소화하고 본 명세서를 독출하고 이해함에 따라 명확하게 될 다른 한계들을 최소화시키기 위해, 본 발명은 손실-변조 레이저를 제조하기 위한 방법 및 손실-변조 레이저 소자를 제공한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 손실-변조 반도체 레이저 소자는 제1 기판 상에 존재하되 내부의 반도체 층에 도파관을 포함하는 SOI(semiconductor-on-insulator)구조 및 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층에 결합되는 반도체 구조를 포함하되, 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 적어도 하나의 영역은 반도체 레이저 소자 내의 광자 수명을 제어한다.
이러한 소자는 상기 도파관에 근접하는 적어도 하나의 도핑 영역인 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 상기 적어도 하나의 영역, 상기 도파관의 제1 측 상의 n-도핑 영역 및 상기 도파관의 제2 측 상의 p-도핑 영역인 상기 도파관에 근접하는 상기 적어도 하나의 도핑 영역, 상기 반도체 층에 존재하며, 상기 반도체 구조의 적어도 일 부분인 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광 모드, 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 분배 손실을 제어하는 상기 n-도핑 영역 및 상기 p-도핑 영역, 및 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광 캐비티 내의 분배 손실을 제어하는 상기 적어도 하나의 도핑 영역을 선택적으로 더 포함한다.
이러한 소자는 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 이득 영역에 결합된 광 피드백 라인인 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 상기 적어도 하나의 영역, 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 상기 이득 영역으로 광 피드백을 제어하기 위하여, 상기 광 피드백 라인에 결합된 변조 구역, 상기 광 피드백 라인 상에서 신호의 상 및 진폭 중 적어도 하나를 제어하는 상기 변조 구역, 및 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 피드백 계수를 제어하여 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자를 변조하는 상기 광 피드백 라인을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 손실-변조 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법은 SOI(semiconductor-on-insulator) 구조 내에 도파관 구조 및 변조 구조를 생성하는 단계, 상기 도파관 구조에 상기 변조 영역을 결합시키는 단계, 및 반도체 구조를 상기 도파과 구조에 접합시키는 단계를 포함하되, 상기 변조 구조는 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광 캐비티 내의 광자 수명을 제어한다.
이러한 방법은 광 피드백 라인을 경유하여 상기 도파관 구조에 결합되는 상기 변조 구역, 상기 SOI 구조의 반도체 층 내에 적어도 하나의 도핑 영역인 상기 변조 구역, 및 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자 내의 분배 손실 및 피드백 계수 중 적어도 하나를 제어하는 상기 변조 구역을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 반도체 레이저는 도파관 및 변조 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 SOI(semiconductor-on-insulator) 영역, 및 상기 SOI 영역의 상기 반도체 층에 접합되는 III족-V족(III-V족) 영역을 포함하되, 상기 변조 영역은 상기 반도체 층 내의 광자 수명을 제어함으로써 상기 반도체 레이저의 출력을 변조한다.
이러한 레이저는 광 전송 시스템 내에서 작동하는 상기 반도체 레이저, 상기 반도체 층 내의 적어도 하나의 도핑 영역인 상기 변조 영역, 실리콘을 포함하는 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층, 광 피드백 라인의 상 지연을 제어하는 상기 변조 영역, 및 광 피드백 라인의 진폭을 제어하는 상기 변조 영역을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 반도체 레이저 소자는 광 캐비티를 갖는 제1 도파관 구조를 포함하되, 상기 반도체 레이저 소자의 상기 광 캐비티 내의 손실은 변조시킨다.
이러한 반도체 레이저 소자는 상기 광 캐비티에 결합된 미러를 이용하여 변조되며, 상기 미러의 유효 반사율을 변조함으로써 변조되는 상기 광 캐비티 내의 상기 손실, 상기 광 캐비티에 결합된 제2 도파관 구조로 변조되는 상기 광 캐비티 내의 상기 손실과 상기 제1 도파관 구조 내의 광과 간섭하는 상기 제2 도파관 구조 내의 광, 및 상기 제1 도파관에 결합되는 제2 도파관으로 연장하는 상기 반도체 레이저 소자의 광 모드와 상기 제2 도파관 내의 손실을 변조함으로써 변조되는 상기 광 캐비티 내의 상기 손실을 선택적으로 더 포함한다.
다른 특징과 장점은 개시된 시스템에 내재하고 있으며, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 본 기술에 숙련된 자에게는 명확할 것이다.
동일한 참조 번호가 이하의 도면 전체에 걸쳐 상응하는 부분을 나타내는 바:
도 1은 종래 기술의 복합 구조의 단면도를 보여주며;
도 2는 본 발명의 손실-변조 복합 레이저의 일 실시예의 단면도를 보여주며;
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예의 전류 흐름과 광학 모드를 보여주며;
도 4는 본 발명의 손실-변조 복합 레이저의 다른 실시예를 보여주며;
도 5는 본 발명에 따른 τp-변조 레이저의 계산된 주파수 응답을 보여주며;
도 6A는 본 발명에 따라 제조된 소자의 한계치 이상의 전류의 제곱근으로 3dB-대역폭을 보여주며;
도 6B는 본 발명에 따라 제조된 소자의 τp-변조 레이저의 시물레이션된 아이-다이아그램(eye-diagrams)을 보여주며;
도 7은 본 발명에 따른 공정도를 보여준다.
이하의 설명에서, 이 문서의 일부를 형성하고, 본 발명의 몇몇 실시예를 통하여 도시된 첨부된 도면들을 참조한다. 다른 실시예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 활용되고 구조적으로 변형될 수 있다.
개요
본 발명은 복합 실리콘 소멸파(evanescent) 레이저의 직접 변조를 기술한다. 본 발명은 레이저로 전류를 변화시키기 보다는, 전류를 상대적으로 고정된 양으로 유지시키고, 캐비티의 손실이 변조된다. 이러한 접근법은 출력의 보다 빠른 변조를 가능하게 할 뿐만 아니라 레이저 출력 조도 균일성(“패턴 효과”로 알려진)과 레이저 출력에서 레이저 출력 주파수(“첩(chirp)”)를 변경 가능하게 한다.
본 발명의 손실 변조 접근법에서, 이득 및/또는 주입 전류는 안정성을 얻도록 출력을 보상하고 또한 원하지 않는 출력 효과를 감소시키도록 가변될 수 있다.
본 발명은, 또한 이전기술 보다 더 쉽게 통합할 수 있는 컴팩트한 실리콘 기반 광 전송기를 얻는 컴팩트한 내부 변조기로 레이저를 변조시키는 것을 고려한다. 본 발명에서 제시된 기술을 통해, 레이저 캐비티 내 광자 수명은 높은 변조 속도를 얻도록 가변되며, 기 설계된 시스템 및 소자 전반에 걸쳐 광 전송기 주파수의 변화를 최소화한다.
여기에서 제시된 기술을 통해 전송기에 존재하는 첩(chirp)을 감소시킴으로써 본 발명은 전원 출력을 안정화시키고 보다 먼 전송 거리를 허용할 뿐만 아니라 신호 전송에 활용할 수 있는 추가적인 밴드 폭을 제공하되 그렇지 않은 경우 광학 시스템에서 보호 밴드 또는 다른 채널 크기 문제가 요구된다. 낮은 첩 시스템에서 비트(bit) 오차율이 감소함에 따라 낮은 첩 시스템은 또한 높은 데이터 처리량을 가능하게 한다.
비록 여기에서는 특정 III족-V족(III-V족) 물질, 즉, 인듐인(InP), 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 등에 관하여 기술하였지만, III-V족 내의 다른 2중, 3중, 4중 또는 다른 다중결합 물질뿐만 나이라 II-VI족 또는 다른 물질도 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 복합 구조를 보여준다.
결합 접촉면(106)에서 III족-V족(III-V족) 영역(104)에 결합된 SOI 영역(102)을 갖는 소자(100)가 도시된다. 비록 다른 물질 또는 다른 플랫폼이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있지만, SOI 영역은 일반적으로 실리콘 기판(108), 매립 산화막(110) 및 실리콘 층(112)(상기 소자(100)의 경우, 실리콘 도파관 층(112))을 포함한다. 기판(108)은 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 원하는 바대로 실리콘 외의 다른 물질로 제조될 수 있다.
실리콘 도파관(112)은 하나 또는 그 이상의 갭들(114)을 가져 도파관(116)이 갭들(114) 사이에 배치된다. 소자(100) 내 광학 신호는 도파관(116)을 따라 진행하고, 소자의 광 모드는 일반적으로 도파관(116) 내에 포함된다.
손실 변조
본 발명은 광자 수명 τp 를 변조한다. 수명-변조를 통한 레이저 출력 제어 방법을 통해 본 발명은 고속의 변조뿐만 아니라 낮은 첩(chirp)을 달성할 수 있다.
이론과 구조
본 발명에서 레이저 내 광자 수명τp 을 변경할 수 있는 여러 가지 방법이 있다. 본 발명은 그룹 속도 υg, 캐비티 길이 l, 피드백 계수 R 및 분배 손실 α 중 하나 또는 그 이상을 통하여 광자 수명을 변경시킨다. 이러한 접근법들 중에서, 2가지 단순하고 효과적인 방법은 분배 손실 α 및 피드백 계수 R을 변경시키는 것이다. 본 발명은 α와 R을 변경시키는 것에 해당하는 2가지 방법을 제시한다.
도 2는 본 발명의 손실-변조 복합 레이저의 일 실시예를 보여준다.
실리콘 층(112) 내에 소자(200)가 도시되며, n-도핑 영역(202)과 p-도핑 영역(204)이 캡(114) 아래에 위치한다. 이것은 τp -변조 복합 III-V족-Si 소멸파 레이저(200)로 일컬어지는 소자(200)로 하여금 소자(200) 내의 분배 손실 α를 변경시킬 수 있도록 한다.
영역들(202, 204)의 추가는 소자(200)내에 추가적인 p-n 접합을 생성한다. III-V족 메사(mesa)에서 층들(120, 124)에 의해 생성된 PN 접합은 이득 구간에 대한 전하 주입기(펌프)로서 사용된다.
상기 영역들(202, 204)에 의해 생성된 SOI 리지(ridge, 206)의 두 측면에서 2차 PN 접합은 상기 영역들(202, 204)을 가로질려 인가되는 외부 신호를 가져서, 상기 영역들(202, 204)이 SOI 릿지(206)내의 캐리어(carrier) 밀도를 고갈시킴으로써 변조 신호를 제공하도록 한다. 본질적으로, 상기 영역들(202, 204)은 소자(200)의 내부에 있으면서 소자(200)의 변조 구역으로서 작용한다. 소자(200)의 이러한 구조 때문에 본 발명은 마이크로-링 캐비티(micro-ring cavity) 또는 Fabry-Perot(FP) 캐비티 접근법에 기반한 고속의 복합 레이저 변조기를 제공한다. 비록 이러한 접근법은 대칭적 자기장을 제공하지 않거나 둘 또는 그 이상의 영역들(202, 204)만큼 제어될 수 없지만, 만일 원한다면 단지 하나의 도핑 영역(202 또는 204), 예들 들면, 도핑 영역(202)이 도파관 내에 변조를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
p-콘택(130)으로부터 n-콘택(134)까지의 전류는 양성자 주입 영역(208)을 통한 클래딩 층(126)과 SCH 층(124)를 통하여 흘러간다. 소자(200)를 위한 전류 흐름(210) 및 광 모드(200)가 도 3에 도시된다.
도 4는 본 발명의 손실-변조 복합 레이저의 다른 실시예를 보여준다.
소자(400)는 이득 구간(402), 피드백 라인(404) 및 변조 구간(406)이 도시되도록 평면도로 보여진다. 이득 구간은 P-콘택(130), p-InGaAs층(128) 및 n-lnP 층(120)이 III-V족 메사(mesa)에서 보인다는 점, n-콘택(134)이 또한 III-V족 메사를 둘러싸고 있는 것으로 나타난다는 점, 그리고 실리콘 층(112)가 상면 사시도로 보인다는 점에서 도 2 및 3에 도시된 것과 비슷하다.
소자(400)내에서, (실리콘 층(112)내에 있는) 피드백 라인(404)은 종래 기술의 마이크로-링 레이저 구조 내에 사용되는 것과 유사한 이득을 제공하는 이득 구간(402)를 통해 마이크로-링 광 피드백 라인이 된다. 변조 구간(406) 내의 피드백 라인(404)에 광파장의 상 지연 및/또는 진폭을 변경시킴으로써 피드백 계수(R)은 변경되고, 이에 따라 τp-변조도 소자(400)내에서 얻어진다.
상 지연 및/또는 진폭은, 예를 들어 실리콘 층(112)에 PN 접합을 배치하고 상기 영역들(202, 204)에 관하여 설명한 바와 같이 PN 접합에 캐리어를 주입하거나/소멸시킴으로써; III-V족 층에 캐리어를 주입시키거나 소멸시킴에 따라 광학 영역이 한정되는 영역의 전하 밀도를 변경시킬 수 있어서 소자(400)의 흡착력 뿐만 아니라 소자(400)의 굴절률을 변화시키는 실리콘 층(112) 상에 전기적-흡착 영역, 예를 들어, III-V족 층을 배치함으로써; 그리고 광전 물질을 실리콘 도파관과 결합(여기에서 광전 물질에 전기 장을 인가하여 광전 물질의 굴절률를 변화시킴으로써 도파관 내 광의 상을 변조시킨다)시킴으로써 변경될 수 있다. 이러한 구조는 여기서 설명한 바와 같이, 복합 III-V족 Si 플랫폼 소자 뿐만 아니라 InGaAsP 레이저와 같은 다른 물질 기반 플랫폼으로도 사용될 수 있다.
측정 및 계산된 소자 특징들
도 5는 본 발명에 따른 τp-변조 레이저의 계산된 주파수 응답을 보여준다.
그래프(500)는 본 발명의 소자(200-400)의 주파수 응답을 부여하는 10 log[s(ω)s(0)]의 소-신호 모델링 그래프를 데시벨(decibel) 대비 주파수 관계를 보여준다. I=5Ith(Ith는 소자의 문턱 전류 값이다)와 I=10Ith의 경우를 위한 다양한 입실론 ε 값이 보여진다. 그래프(500)는 본 발명의 소자(200-400)의 밴드폭이 높은 밴드폭(>100GHz)을 가질 수 있다는 것을 보여준다.
도 6A는 문턱값 이상의 전류의 제곱근으로 3dB-대역폭을 보여준다. 그래프(600)는 본 발명의 소자(200-400)에 대한 밴드폭을 보여주고, 그래프(602)는 비교를 위해 종래 기술의 직류-변조 레이저를 위한 밴드폭을 보여준다. 도 6A는 τp -변조 레이저를 위한 3dB-밴드폭(100 GHz 이상)이 같은 소자 구조를 위한 직류-변조의 경우(<10 GHz)보다 훨씬 더 높은 것을 보여준다.
시간 도메인에서 응답에 대한 수치 시물레이션을 이용하여, 도 6B에 도시된 바와 같이, 본 τp -변조 레이저에 대한 시물레이션된 아이-다이아그램(604)을 얻는다. 이 계산을 위해, 광자 수명은 비트 전송 속도가 50 Gb/s인 가우시안-형태 펄스(Gaussian-type pulse) 변조를 가진다. 소자의 온(on) 및 오프(off) 상태를 위한 τp-on=1.073ps 와 τp - off=1.788ps를 가지고 주입 전류가 정전류(I0=0.15A)를 유지함으로, 도 6B는 50 Gb/second에서 동작을 위하여 아이-다이아그램(604)의 아이(eye)가 개방되어 있는 것을 보여준다. 도 6A는 본 발명에서 높은 비트 전송 속도 또한 가능하다는 것을 나타낸다. 비교를 위해, 비트 전송 속도 10Gb/second를 가진 종래의 I-변조 레이저를 위한 아이다이아그램(606)은 온(on) 및 오프(off) 상태를 위한 전류는 Ion=0.15A 와 Ioff=0.05A로 각각 선택되는 것으로 나타난다. 시물레이션 결과는 4~5 Gbps의 데이터 속도를 달성할 수 있는 것으로 나타난다. 그러나, 아이-다이아그램(606)은 상대적으로 높은 비트 전송 속도(예를 들면, 10Gb/second)를 위하여 닫힌다.
대안적인 구조
다른 구조들도 본 발명에서 논의된 손실 변조를 제공할 수 있다.
예를 들면, 한정의 방법이 아니라, 레이저 구조는 DBR(분배 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector)) 및 상술한 바와 같이, SOI 리지(206)/광 캐비티에서 손실을 변조시키도록 영역들(204, 202)을 이용하는 것과 유사하게, 레이저 캐비티/SOI 리지(206)에서 손실을 변조시키도록 미러의 유효 반사율이 변조될 수 있는 다른 레이저 구조에서 일반적인 이득 영역(MQW 122)과 미러 구조를 포함한다. 이러한 변조는 여러 방법으로 제어될 수 있다, 예를 들면, 제2 도파관내 광은 중첩 및/또는 간섭을 통해 광 캐비티(210) 내 광을 변조시키거나, SOI 리지의 광 모드의 일부가 여기서 설명된 바와 같이 손실이 변조될 수 있는 제2 도파관/SOI 릿지(206)로 연장될 수 있는 광 캐비티에서 도파관/SOI 리지(206)에 결합된 제2 도파관을 이용하여 제어될 수 있다. 이러한 구조는 예를 들면, 미국 특허 명세서 번호 제11/534,560호에 나타나며, 여기에서 참고문헌으로 포함되어 있다. 다른 구조들 또한 본 발명의 기술을 부여함으로써 가능하다.
공정도
도 7은 본 발명에 따른 공정도를 보여준다.
박스(700)는 SOI(semiconductor-on insulator)구조 내의 도파관 구조 및 변조 구조를 생성하는 것을 보여준다.
박스(702)는 변조 영역을 도파관 구조에 결합하는 것을 보여준다.
박스(704)는 반도체 구조를 도파관 구조에 접합시키는 것을 보여주며, 여기서 변조 구조는 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광학 공동내 광자 수명을 제어한다.
참고문헌
다음의 참조문헌들은 여기에 참조로서 통합된다:
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결론
요약하면, 본 발명의 실시예들은 손실-변조 레이저 및 손실-변조 레이저 소자를 제조하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 손실-변조 반도체 레이저 소자는 제1 기판 상에 존재하는 SOI(semiconductor-on-insulator)구조를 포함하되, 상기 SOI 구조의 반도체 층 내에 도파관을 포함하고, 그리고
상기 SOI 구조의 상기 반도체 층에 결합되는 반도체 구조를 포함하되, 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 적어도 하나의 영역은 반도체 레이저 소자 내의 광자 수명을 제어한다.
이러한 소자는 상기 도파관에 근접하는 적어도 하나의 도핑 영역인 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 상기 적어도 하나의 영역, 상기 도파관의 제1 측 상의 n-도핑 영역 및 상기 도파관의 제2 측 상의 p-도핑 영역인 상기 도파관에 근접하는 상기 적어도 하나의 도핑 영역, 상기 반도체 층에 존재하며, 상기 반도체 구조의 적어도 일 부분인 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광 모드, 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 분배 손실을 제어하는 상기 n-도핑 영역 및 상기 p-도핑 영역, 및 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광 캐비티 내의 분배 손실을 제어하는 상기 적어도 하나의 도핑 영역을 선택적으로 더 포함한다.
이러한 소자는 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 이득 영역에 결합된 광 피드백 라인인 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층 내의 상기 적어도 하나의 영역, 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 상기 이득 영역으로 광 피드백을 제어하기 위하여, 상기 광 피드백 라인에 결합된 변조 구역, 상기 광 피드백 라인 상에서 신호의 상 및 진폭 중 적어도 하나를 제어하는 상기 변조 구역, 및 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 피드백 계수를 제어하여 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자를 변조하는 상기 광 피드백 라인을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 손실-변조 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법은 SOI(semiconductor-on-insulator) 구조 내에 도파관 구조 및 변조 구조를 생성하는 단계, 상기 도파관 구조에 상기 변조 영역을 결합시키는 단계, 및 반도체 구조를 상기 도파과 구조에 접합시키는 단계를 포함하되, 상기 변조 구조는 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광 캐비티 내의 광자 수명을 제어한다.
이러한 방법은 광 피드백 라인을 경유하여 상기 도파관 구조에 결합되는 상기 변조 구역, 상기 SOI 구조의 반도체 층 내에 적어도 하나의 도핑 영역인 상기 변조 구역, 및 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자 내의 분배 손실 및 피드백 계수 중 적어도 하나를 제어하는 상기 변조 구역을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 반도체 레이저는 도파관 및 변조 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 SOI(semiconductor-on-insulator) 영역, 및 상기 SOI 영역의 상기 반도체 층에 접합되는 III족-V족(III-V족) 영역을 포함하되, 상기 변조 영역은 상기 반도체 층 내의 광자 수명을 제어함으로써 상기 반도체 레이저의 출력을 변조한다.
이러한 레이저는 광 전송 시스템 내에서 작동하는 상기 반도체 레이저, 상기 반도체 층 내의 적어도 하나의 도핑 영역인 상기 변조 영역, 실리콘을 포함하는 상기 SOI 구조의 상기 반도체 층, 광 피드백 라인의 상 지연을 제어하는 상기 변조 영역, 및 광 피드백 라인의 진폭을 제어하는 상기 변조 영역을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 반도체 레이저 소자는 광 캐비티를 갖는 제1 도파관 구조를 포함하되, 상기 반도체 레이저 소자의 상기 광 캐비티 내의 손실은 변조시킨다.
이러한 반도체 레이저 소자는 상기 광 캐비티에 결합된 미러를 이용하여 변조되며, 상기 미러의 유효 반사율을 변조함으로써 변조되는 상기 광 캐비티 내의 상기 손실, 상기 광 캐비티에 결합된 제2 도파관 구조로 변조되는 상기 광 캐비티 내의 상기 손실과 상기 제1 도파관 구조 내의 광과 간섭하는 상기 제2 도파관 구조 내의 광, 및 상기 제1 도파관에 결합되는 제2 도파관으로 연장하는 상기 반도체 레이저 소자의 광 모드와 상기 제2 도파관 내의 손실을 변조함으로써 변조되는 상기 광 캐비티 내의 상기 손실을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 전술한 설명은 예증 및 설명의 목적을 위하여 제시되었다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 형태로 완전해지거나 한정되는 것으로 의도되는 것은 아니다. 상술한 기술에 비추어보면 많은 변형 및 변화가 가능하다. 본 발명의 범위는 본 상세한 설명에 한정되는 것이 아니라, 여기에 첨부된 특허청구범위 및 특허청구범위의 등가물의 최대 범위에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (24)

  1. 손실-변조 반도체 레이저 소자에 있어서,
    제1 기판상에 존재하되 내부의 반도체 층에 포함된 도파관 및 상기 도파관을 상기 반도체 층의 면내 방향으로 배치된 한 쌍의 갭을 포함하는 SOI(semiconductor-on-insulator) 구조;
    상기 SOI 구조의 상기 반도체 층상에 결합되는 반도체 구조이며, 상기 반도체 구조는 양자 우물층 및 상기 양자 우물층 상에 형성된 III-V족 반도체 층 또는 II-VI족 반도체 층을 포함하고, 상기 반도체 구조는 상기 도파관 및 상기 한 쌍의 갭 상에 결합하고, 상기 반도체 구조와 상기 도파관은 레이저 캐비티의 적어도 일부를 형성(define)하는 반도체 구조; 및
    상기 레이저 캐비티 내의 손실을 제어하도록 동작하는 변조기이며, 상기 변조기 전체가 상기 레이저 캐비티 내에 배치되어 상기 변조기가 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 그룹 속도, 캐비티 길이 및 분배 손실의 적어도 하나를 제어함에 따라 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자 내의 광자 수명을 제어하도록 동작 가능하고, 상기 변조기가 상기 도파관에 근접한 n-도핑 영역 및 p-도핑 영역을 포함하고 상기 n-도핑 영역이 상기 한 쌍의 갭 중 한쪽 갭의 하단에, 상기 p-도핑 영역이 상기 한 쌍의 갭 중 다른 쪽 하단에 변조기를 포함하는 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 n-도핑 영역 및 상기 p-도핑 영역의 최소 1개가 상기 반도체 층 사이에 배치된 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 층이 실리콘을 포함하는 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 손실-변조 반도체 레이저 소자의 광학 방식이 상기 반도체 층 및 상기 반도체 구조의 적어도 일부의 내부에 존재하는 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 변조기가 상기 도파관의 제1 부분을 더 포함하고, 상기 n-도핑 영역 및 상기 p-도핑 영역이 상기 제1의 부분 내의 캐리어 밀도를 제어하도록 작동 가능한 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변조기가 상기 레이저 캐비티 내 분포 손실을 제어하도록 작동 가능한 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 층이 실리콘을 포함하고, 상기 반도체 층 사이의 도파관이 상기 반도체 구조와 에바네센트(evanescent)하게 결합된 손실-변조 반도체 레이저 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 층이 실리콘을 포함하고, 상기 반도체 층 사이의 상기 도파관이 상기 반도체 구조와 에바네센트(evanescent)하게 결합된 손실-변조 반도체 레이저소자.
  9. 손실-변조 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    이득 영역 및 상기 이득 영역상에 형성된 III-V족 반도체 층 또는 II-VI족 반도체 층을 포함하는 반도체 구조 및 제1 도파관 및 상기 제1의 도파관을 상기 반도체 층의 면내 방향으로 배치된 한 쌍의 갭을 포함한 SOI 구조의 반도체 층을 접합하고, 상기 접합된 반도체 구조 및 상기 반도체 층이 레이저 캐비티를 가진 하이브리드 레이저 구조의 적어도 일부를 선택적으로 형성(define)하는 단계; 및
    상기 제1 도파관에 근접한 n-도핑 영역 및 p-도핑 영역을 형성하되 상기 n-도핑 영역이 상기 한 쌍의 갭 중 한쪽의 갭의 하부에 배치되고 상기 p-도핑 영역이 상기 한 쌍의 갭 중 다른 갭의 하부에 배치되고, 상기 n-도핑 영역, 상기 p-도핑 영역 및 상기 제1 도파관은 상기 레이저 캐비티 내에 전체적으로 배치된 변조기를 형성하고 상기 레이저 캐비티 내 손실을 제어하도록 하는 단계를 포함한 손실-변조 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 변조기가 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자 내의 그룹 속도, 캐비티 길이 및 분배 손실 중 적어도 1개를 제어함으로써 상기 손실-변조 반도체 레이저 소자 내의 광자 수명을 제어하도록 하는 손실-변조 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 SOI구조의 상기 반도체 층이 실리콘을 포함하도록 제공하는 단계를 더 포함하는 손실-변조 반도체 레이저 소자를 제조하는 방법.
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