KR20010012730A - 반도체 마이크로 공진기 장치 - Google Patents

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KR20010012730A
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인드래니 머캐르지
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Abstract

광학적 반도체 마이크로 공진기 (micro-resonator) 디바이스는 마이크로 캐비티 공진기 (microcavity resonator)(12)와 한쌍의 인접 도파관 (waveguide) (14, 16)을 포함한다. 마이크로 캐비티 공진기는 대략 56000*lambda.lg/n.res 이하의 곡선 직경을 갖고, 여기서 lambda.lg는 광의 가장 긴 동작 파장이고, n.res는 전파 굴절률이다. 마이크로 캐비티 공진기에 공진인 파장으로 제1 도파관(14)에서 전파되는 광은 제2 도파관(16)에 결합되어 그로부터 출력된다. 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌 파장으로 제1 도파관(14)에서 전파되는 광은 계속하여 제1 도파관(14)에서 전파되어 그로부터 출력된다.

Description

반도체 마이크로 공진기 장치 {SEMICONDUCTOR MICRO-RESONATOR DEVICE}
본 연구는 NSF Faculty Early Career Development Award ECS-9502475 및 계약 F49620-96-1-0262하의 ARPA에 의해 지지되었다.
"New Integrated Ring Resonator In Glass", W. J. Wang, Elec. Lett., Vol. 28, no. 28, 1967-1968쪽, 1992년 10월 8일에서 설명된 바와 같이 공지된 광학적 공진기는 다양한 광학 주파수에 대해 동조가능한 파장 선택 필터로 사용되는 유리로 형성된 대형 고리 공진기 (ring resonator)이다. 유리 공진기의 경로 길이는 12 cm 정도이고, 5의 낮은 피네스 (finesse)를 갖는다. 이러한 유리 고리 공진기는 칩상에서 반도체 디바이스와 집적되기에 적절하지 않다.
더 작은 크기로 더 큰 피네스를 갖는 공지된 또 다른 공진기는 "An Optical FDM Distribution Experiment Using A High Finesse Waveguide-Type Double Ring Resonator", K. Oda, IEEE Photonics Tech. Lett., Vol. 6, no. 8, 1031-1034쪽, 1994년 8월에서 기술된다. 본 논문의 주파수 분할 다중화 분포 구조는 3500 μm의 직경과 200의 피네스를 갖는 GeO2-도핑된 실리카 이중 고리 공진기를 사용한다. 비록 이중 고리 공진기의 직경이 유리 공진기와 비교해 작지만, 이 공진기의 제2 고리에서의 높은 휘어짐 손실로 그 크기가 감소되지 못한다. 또한, 디바이스의 비교적 높은 FSR (free spectral range)를 구하기 위해 요구되는 제2 고리는 제작 처리과정을 복잡하게 만든다.
본 출원은 1995년 5월 25일 출원된 08/450,284의 연속인 1996년 5월 24일 출원된 미국 특허 출원 08/653,585의 연속이다.
본 발명은 광학적 반도체 마이크로 공진기 (micro-resonator)에 관한 것으로, 특히 반도체 마이크로 캐비티 (microcavity) 공진기, 제1 도파관, 및 제2 도파관을 포함하는 디바이스에 관한 것이다. 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌(off resonance) 파장을 갖는 제1 도파관에서 전파되는 광은 제1 도파관으로부터 출력되는 반면, 마이크로 캐비티 공진기에서 공진인(on resonance) 파장을 갖는 제1 도파관에서 전파되는 광은 마이크로 캐비티 공진기에 결합되어 광이 출력되도록 제2 도파관에 결합된다.
도 1a는 마이크로 캐비티 공진기 (microcavity resonator) 및 인접한 도파관 (waveguide)을 갖는 본 발명의 반도체 마이크로 공진기 (micro-resonator)의 기하형을 설명하는 도면.
도 1b는 도 1a의 마이크로 캐비티 공진기 및 도파관을 형성하는 반도체 물질의 단면도.
도 2a는 도 1a에서 제1 도파관의 포트 Z로부터의 출력을 적외선 비디콘 (vidicon) 카메라로 촬영한 영상을 설명하는 도면.
도 2b는 제1 도파관에 입력되는 광이 마이크로 캐비티 공진기 디스크 (disk)에서 공진이 될 때 도 1a에서 제2 도파관 및 제1 도파관 각각의 포트 Y 및 Z로부터의 출력을 적외선 비디콘 카메라로 촬영한 영상을 설명하는 도면.
도 2c는 제1 도파관에 입력되는 광의 파장이 마이크로 캐비티 공진기 디스크에서 공진에 동조될 때 제2 및 제1 도파관의 각 포트 Y 및 Z로부터의 출력을 적외선 비디콘 카메라로 촬영한 영상을 설명하는 도면.
도 3a 내지 도 3d는 10 μm 마이크로 캐비티 디스크, 10 μm 마이크로 캐비티 고리 (ring), 20 μm 마이크로 캐비티 디스크, 및 20 μm 마이크로 캐비티 고리 각각의 반사도를 설명하는 그래프.
도 4a 및 도 4b는 10.5 μm 마이크로 캐비티 디스크에 대해 제2 도파관의 출력 포트로부터 측정된 비표준화 투과율의 그래프 및 전송 피크에서 최대치의 1/2인 전체폭 ΔλFWHM을 도시하는 도면.
도 5는 도파관이 고리 또는 디스크로 형성된 마이크로 캐비티 공진기의 각 일부에 대해 부분적으로 휘어진 본 발명의 반도체 마이크로 공진기 디바이스에 대한 제 2 실시예를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명에 따라 약한 유도 디바이스에서 마이크로 캐비티 공진기 및 도파관을 형성하는 반도체 웨이퍼층 (wafer layer)의 예를 설명하는 도면.
도 7은 본 발명에 따라 강한 유도 디바이스에서 마이크로 캐비티 공진기 및 도파관을 형성하는 반도체 웨이퍼층의 또 다른 예를 설명하는 도면.
도 8은 특정한 아크 (arc) 각도에 대해 제1 도파관과 마이크로 캐비티 공진기 사이의 위상 부정합을 설명하는 도면.
도 9는 본 발명의 마이크로 캐비티 공진기를 사용한 파장 디멀티플렉싱 구조의 한 실시예를 설명하는 도면.
도 10은 다수의 다양한 응용에서 사용될 수 있는 전기적으로 조정가능한 광학적 필터의 실시예를 설명하는 도면.
도 11a 및 도 11b는 임의로 휘어진 원주를 갖는 디스크 및 고리 폐쇄 루프 마이크로 캐비티 공진기 각각의 기하형을 설명하는 도면.
도 12a 내지 도 12c는 약한 유도 디바이스의 마이크로 캐비티 공진기 및 도파관을 형성하도록 웨이퍼의 층을 다양하게 에칭 (etching)하는 것을 설명하는 도면.
도 13a 내지 도 13c는 강한 유도 디바이스의 마이크로 캐비티 공진기 및 도파관을 형성하도록 웨이퍼의 층을 다양하게 에칭하는 것을 설명하는 도면.
도 14는 다수의 출력 도파관을 갖춘 본 발명의 실시예를 설명하는 도면.
본 발명에 따라, 종래 광학적 공진기 디바이스의 불편한 점들이 극복된다. 본 발명의 광학적 공진기는 종래 광학적 공진기 보다 크기가 훨씬 더 작은 반도체 마이크로 공진기 (micro-resonator) 디바이스이다. 크기가 작기 때문에, 공동 (cavity)의 질적 계수 Q 및 디바이스의 피네스 (finesse) F가 잠재적으로 종래 공진기 보다 훨씬 더 크다. 부가하여, 자유 스펙트럼 범위 (free spectral range)라 칭하여지는 공동의 인접 공진 사이의 주파수 공간이 또한 더 크다. 또한, 본 발명의 공진기 디바이스는 반도체 물질로 제작되기 때문에, 반도체 레이저와 같은 다른 반도체 디바이스와 칩상에 집적되기에 적절하다. 특별히, 본 발명에 따라, 종래 디바이스와 같이 수백 또는 수천 마이크로미터 정도의 공진기 크기 대신에 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 공진기 크기를 가질 수 있으므로, 현재 공지된 디바이스에서 가능한 것 보다 수십 내지 수만배 더 높은 구성성분 밀도로 초고밀도 광자 집적 회로를 실현하는 것이 가능해진다.
특히, 본 발명의 마이크로 공진기 디바이스는 반도체 물질로 형성되고 대략 56000 λlg/nres이하의 직경을 갖는 마이크로 캐비티 공진기를 포함하고, 여기서는 디바이스가 광 파장과 연관된 동작 범위를 갖도록 설계되고; λlg가 μm의 단위로 광의 가장 긴 동작 파장을 나타내고; 또한 nres가 마이크로 캐비티 공진기에서 광의 실제 전파 굴절을 나타낸다. 상기 디바이스는 또한 반도체 물질로 형성된 제1 도파관을 포함하고, 제1 도파관의 일부는 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치된다. 반도체 물질로 형성된 제2 도파관의 일부는 또한 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치된다. 마이크로 캐비티 공진기에서 공진인 파장을 갖는 제1 도파관에서 전파되는 광은 마이크로 캐비티 공진기에 결합되고, 마이크로 캐비티 공진기로부터의 광은 출력되도록 제2 도파관에 결합된다. 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌 파장을 갖는 제1 도파관에서 전파되는 광은 마이크로 캐비티 공진기에 결합되지 않고 계속하여 제1 도파관에서 전파되어 출력된다. 2개의 평행한 거울이나 2개 세트의 반사 회절격자로 형성된 것과 같은 패브리-페롯형 (Fabry-Perot type) 공진기와 다르게, 본 발명의 마이크로 공진기에서는 공진이 아닌 광의 피드백 (feedback)이 없다.
본 발명의 반도체 마이크로 공진기 디바이스는 약한 유도 디바이스나 강한 유도 디바이스가 될 수 있다. 약한 유도 디바이스로 형성될 때는 마이크로 캐비티 공진기의 직경이 560 λlg/nresμm 내지 56000 λlg/nresμm의 범위이다. 강한 유도 디바이스로 형성될 때는 마이크로 캐비티 공진기가 λlg/nres미크론 내지 560 λlg/nresμm 정도로 작은 직경을 갖는다.
반도체 마이크로 공진기 디바이스는 여러 다른 응용 중에서 전자-광학 변조기, 스위치, 강도 변조기, 가변 광학 필터, 위상 변조기, 파장-분할 멀티플렉서 및 디멀티플렉서로 사용될 수 있다. 본 발명의 높은 F는 특히 공진기가 잠재적으로 공동 길이내에서 π 위상 쉬프트 대신에 π/F 위상 쉬프트만을 요구하고, 그에 의해 F 계수 만큼 스위칭 전압을 줄이므로, 다수의 응용에서 유리하다. 또한, 본 발명의 마이크로 공진기 디바이스에서, 높은 피네스 및 높은 자유 스펙트럼 범위는 디멀티플렉싱 응용을 위한 높은 파장 분해능 (resolution)를 허용하고, 상기 디바이스가 통신 네트워크 등에서 사용될 때 특히 중요한 조밀 파장-분할 멀티플렉스 구조를 허용한다.
본 발명의 이점 및 다른 이점과 새로운 특성 뿐만 아니라 설명되는 실시예의 상세한 내용들은 다음의 설명 및 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같은 광학적 반도체 마이크로 공진기 (micro-resonator) 디바이스(10)는 마이크로 캐비티 (microcavity) 공진기(12) 및 한쌍의 도파관 (14, 16)을 포함한다. 마이크로 캐비티 공진기는 광의 동작 파장 범위를 갖고 대략 56000 λlg/nres이하의 직경을 갖는다. 여기서, λlg는 μm의 단위로 광의 가장 긴 동작 파장이고, nres는 공진기에서 광의 실제 전파 굴절률이다. 예를 들면, λlg= 1.5 μm에 대해, 초소형 공진기의 직경은 28000 μm 이하가 될 수 있다. 초소형 공진기는 디스크나 고리와 같이 폐쇄루프의 공진기로 형성될 수 있다. 그러나, 폐쇄루프 공진기는 또한 도 11a 및 도 11b에 각각 도시된 바와 같이 찌그러진 디스크나 고리의 형태로 임의의 곡선의 원주를 가질 수 있다. 찌그러진 디스크나 고리의 경우에, 마이크로 캐비티 공진기의 실제 직경은 공지기(12)의 전체 면적이 구해질 수 있는 가장 작은 원의 직경이다. 또한, 고리 공동의 폭은 균일할 필요없이 고리를 따라 변할 수 있음을 주목하여야 한다.
도파관(14)은 (X)라 칭하여지는 입력 포트(18)와 (Z)라 칭하여지는 출력 포트(20)를 갖는다. 도파관(16)은 Y라 칭하여지는 출력 포트(24)를 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도파관(14)의 일부는 마이크로 캐비티 공진기(12)에 대해 접하여, 즉 탄젠트 (tangent) 방향으로 인접한다. 유사하게, 도파관(16)의 일부는 마이크로 공진기(12)에 대해 접하여 인접한다. 마이크로 캐비티 공진기(12)에 인접한 각 도파관 (14, 16)의 일부는 각각 접할 필요없이 도 8을 참고로 이후 설명될 바와 같이 마이크로 캐비티 공진기(12) 일부 주위에서 곡선화될 수 있음을 주목하여야 한다. 또한, 마이크로 캐비티 공진기(12)는 도파관의 측면벽 일부과 공통되는 측면벽 일부를 가질 수 있다. 다른 방법으로, 마이크로 캐비티 공진기(12)와 도파관은 갭 (gap)을 두고 분리될 수 있다. 마이크로 캐비티 공진기(12)와 도파관 (14, 16) 사이의 갭은 공기 또는 공기 보다 높은 굴절률을 갖는 하나 이상의 물질로 채워진다. "갭"을 채우는 물질이 마이크로 캐비티 공진기(12) 및 도파관 (14, 16)의 벽 또는 그 일부를 형성하는 물질과 같은 실시예에서는 공진기(12) 및 도파관 (14, 16)이 공통된 측면벽 부분을 갖는다고 말하여지고, 그 "갭"의 두께는 공통 측면벽 부분의 두께와 똑같다.
마이크로 캐비티 공진기(12)에서 공진이 아닌인 파장을 갖는 도파관(14)에서 전파되는 광은 제1 도파관(14)의 출력 포트(20)에서 출력된다. 마이크로 캐비티 공진기(12)에서 공진인 파장을 갖는 도파관(14)에서 전파되는 광은 공진기(12)에서의 전파를 위해 결합된 공진 도파관을 통해 마이크로 캐비티 공진기에 결합된다. 마이크로 캐비티 공진기(12)에서 전파되는 광은 유사하게 도파관(16)에 결합된다. 마이크로 캐비티 공진기(12)로부터 도파관(16)에 결합된 광은 이들 구성성분의 각 방향성으로 인해 도파관(14)에서 이동되는 광과 반대 방향으로 도파관(16)에서 전파된다. 마이크로 캐비티 공진기(12)을 통해 도파관(14)으로부터 결합된 공진인 광이 제1 도파관(14)의 출력 포트(20)로부터 전파되는 공진이 아닌 광공진이 아닌 광으로 도파관(16)의 포트(24)에서 출력되도록, 도파관(16)은 출력 포트(24)를 갖는 직선 부분(22)으로 확장되는 곡선 부분(21)으로 확장되어 공진기(12)에 인접하는 부분(19)으로 형성된다.
마이크로 공진기 디바이스(10)는 반도체 레이저와 같은 다른 반도체 디바이스와 칩상에 집적되도록 도 1b에 도시된 바와 같이 반도체 물질로 형성된다. 기판상에 디바이스(10)의 다양한 반도체층을 형성하는데는 웨이퍼 에피택셜 성장 (wafer epitaxial growth) 처리가 사용된다. 도 1b의 실시예에 도시된 바와 같이, AlxGa1-xAs (x = 0.4)의 제1 클래딩층 (cladding layer)(28)은 GaAs의 기판(26)상에 형성된다. GaAs의 유도층(30)은 제1 클래딩층(28)상에 형성되고, AlxGa1-xAs (x = 0.4)의 제2 클래딩층(32)은 유도층(30)상에 형성된다. 본 실시예에서, 기판은 n4= 3.37의 굴절률을 갖는다. 제2 클래딩층(32) 및 제1 클래딩층(28)의 각 굴절률 n1및 n3은 3.2이고, 유도층(30)의 굴절률 n2는 3.37이다. 굴절률 n = 1.0은 공기의 굴절율을 나타낸다. 본 예에서, 층의 두께는 2.0 μm이고, 유도층(30)의 두께는 0.45 μm, 또한 상단 클래딩층의 두께는 0.25 μm이다.
웨이퍼는 상술된 바와 다른 물질로 형성될 수 있음을 주목하여야 한다. 예를 들면, 유도층(30)에 적절한 다른 물질은 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1) 및 InxGa1-x-yAsyP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1)을 포함한다. 제1 및 제2 클래딩층에 적절한 물질은 AlxGa1-xAs와 AlxGa1-xN (0 ≤ x ≤ 1) 및 InxGa1-x-yAsyP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1)을 포함한다. 또한, 제1 및 제2 클래딩층은 유도층의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 갖는 절연 물질 또는 InSnO2와 같은 투명 도체가 될 수 있다. 유사하게, 기판에 대해서도 다양한 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, InP는 적절한 또 다른 기판 물질이다.
반도체 웨이퍼가 형성된 이후, 웨이퍼상에는 SiO2의 박막이 피착되어, 막의 두께가 대략 2000 Å인 CAIBE (chemically assisted ion beam etching)을 견딜 수 있는 내구성 마스크를 제공한다. SiO2층은 PMMA 레지스트층 (resist layer)으로 코팅된다. 전자빔 석판술은 PMMA 레지스터에서 마이크로 캐비티 공진기(12) 및 도파관 (14, 16)을 정의하는 패턴을 생성하는데 사용된다. 마이크로 캐비티 공진기가 고리로 형성될 때는 이 과정이 마이크로 캐비티 고리의 내부벽을 정의하는데 사용됨을 주목하여야 한다. 전자빔 석판술 노출 조건은 예를 들면, 다음과 같이 설정된다: 300-pA 프로브 (probe) 전류, 50 keV 가속, 80 μm x 80 μm 필드, 및 11-mm 작동 거리.
이와 같이 형성된 PMMA 마스트는 반작용 이온 에칭을 사용해 아래에 있는 SiO2층에 전달된다. 결과의 SiO2층은 CAIBE 처리를 견딜 수 있는 내구성 마스크를 제공한다. 본 예에서, CAIBE 매개변수는 다음과 같이 설정된다: 500 V의 빔 전압, 0.14 mA/cm2의 빔 전류 밀도, 15 sccm의 염소 흐름 비율, 2 sccm의 아르곤 흐름 비율, 및 100 ℃의 상승 기판 온도. 상기의 예에서, 마이크로 공진기 디바이스(10)는 0.1 μm/min의 에칭 비율로 2.2 μm의 깊이까지 에칭된다. CAIBE 에칭으로, 마이크로 캐비티 공진기(12) 및 도파관 (14, 16)의 외부벽을 정의하는 홈이 생기게 되고, 여기서는 한 예로 λlg= 1.5 μm에 대해 공진기(12)의 직경이 10.5 μm이고 공진기(12)에 인접한 도파관의 폭이 0.5 μm이다. 도파관의 폭은 균일할 필요없이 광을 디바이스(10)와 결합시키는데 도움이 되도록 입력 및/또는 출력 포트 중 하나 또는 둘 모두에 가까운데서 더 넓어질 수 있음을 주목하여야 한다. 예를 들면, 도파관 (14, 16)은 각 포트에서 2 μm의 폭이지만, 점차적으로 마이크로 캐비티 공진기(12) 부근에서 0.5 μm로 경사질 수 있다. 마이크로 캐비티 공진기(12)와 도파관 (14, 16)의 외부벽을 정의하는 홈은 1 μm 정도이다. 그러나, 본 예에서, 도파관(14)의 인접 부분과 마이크로 캐비티 공진기(12) 사이의 갭은 단지 이후 더 상세히 논의될 바와 같이 효율적인 공진 도파관 결합을 위해 도파관(16)의 인접 부분과 마이크로 캐비티 공진기(12) 사이의 갭과 같은 0.1 μm 정도이다. 에칭 깊이는 정확하게 제어되기 어려울 수 있으므로, 이 버퍼층(28)으로 확장된다. 제1 클래딩층(28)은 기판으로부터 유도층(30)을 절연시키고 누설 손실을 최소화하도록 동작된다.
몇가지 주요한 마이크로 공진기 설계 매개변수로는 결합 효율성, 도파관 산란 손실, 및 도파관 대 기판 누설 손실이 포함된다. 결합 효율성은 결합 길이, 도파관 구조, 및 갭 크기의 함수이다. 강한 도파관 한계와 560 λgl/nresμm 보다 작거나 같은 직경을 갖는 도파관 구조에서, 충분한 결합 효율성을 위해서는 상기의 예에서 설명된 바와 같이 도파관과 마이크로 캐비티 공진기 사이에 작은 갭이 요구된다. 상기에 기술된 바와 같이, "갭" 구역은 공기 또는 공기보다 더 큰 굴절률을 갖는 물질로 채워질 수 있다. 마이크로 캐비티 공진기, 도파관쌍, 및 갭 영역을 둘러싼 물질은 전형적으로 도파관과 공진기에서 광의 한계를 용이하게 하도록 마이크로 캐비티 공진기의 유도층의 굴절율보다 더 작은 굴절률을 갖는다. 양호한 전송 특성을 위해, 공진기 결합은 공진기의 왕복 공동 손실보다 더 커야 한다. 원하는 결합 범위는 주로 마이크로 공진기(10)의 측면벽 거칠기로 인한 산란 손실 또는 도파관 전파 손실에 의존해 전형적으로 0.5% 내지 3%이다. 도파관 폭이 0.5 μm, 도파관 두께가 0.45 μm, 또한 갭 크기가 0.1 μm일 때, 계산된 결합 효율성은 1 μm의 실제 결합 길이에 대해 1.5 μm의 동작 길이로 2.5%이다. 일반적으로,보다 크지 않은 갭 크기를 갖는 것이 바람직하고, 여기서 ngap은 갭의 전파 굴절율이다.
상기의 예에서, 각 도파관의 끝면으로부터 측정된 전송 파브리-페로 공진 (Fabry-Perot resonance)으로부터, TM 도파관 강도 전파 또는 산란 손실 α는 0.5 μm 도파관에 대해 3.2 /cm이다. 이 값으로부터, 10.5 μm의 직경을 갖는 마이크로 캐비티 고리 공진기(12)에서는 1.2% 왕복 공동 손실이 측정된다. 디스크 형태의 마이크로 캐비티 공진기(12)는 마이크로 캐비티 고리 공진기의 경우 외부 측면벽 및 내부 측면벽 모두가 에칭되는 것에 반하여 디스크의 외부 측면벽만이 에칭되므로 마이크로 캐비티 고리보다 더 작은 도파관 산란 손실을 갖는 이점이 있다. 마이크로 캐비티 디스크 공진기의 산란 손실은 잠재적으로 마이크로 캐비티 고리 공진기의 반 정도이다.
광원으로부터의 광은 도파관 입력 포트(18)에 입력광의 초점을 마추는 렌즈를 통해 격리된 도파관(14)의 끝면으로 결합된다. 렌즈는 또한 도파관 (14, 16)의 각 출력 포트 (20, 24)로부터 출력된 광을 재조준하는데 사용된다. 마이크로 공진기에 대한 광원은 예를 들면 가변 레이저 다이오드가 될 수 있다. 공진기의 입력 및 출력 포트에서 사용되는 렌즈는 예를 들면, 0.55의 수적 구경 (aperture)와 4.5 mm의 초점 길이를 갖는다. 기본 모드로 도파관(14)에서 전파하는 광을 여기시키는데는 소정의 주파수의 캐리어 레이저를 변조하는 광대역 가우시언 (Gausian) 펄스가 사용된다. 초소형디스크 공진기에서, 인접 도파관에 의해 지지되는 모드 크기는 초소형디스크 공진기(12)에서 전파되는 WGM (whispering gallery mode) 폭과 정합되어야 한다. 적절한 모드 정합은 마이크로 캐비티 디스크내에서 단일-모드 작동을 지지하고 도파관과 마이크로 캐비티 디스크 사이의 결합을 최적화하는데 사용된다. 최저차 WGM 폭을 계산하는데는 등각 변환 (conformal transformation)이 사용될 수 있다. 10.5 μm 및 20.5 μm의 직경을 갖는 마이크로 캐비티 디스크에서, 계산된 각 WGM 폭은 0.5 및 0.6 μm이다.
도 2a는 도파관(14)에서 전파되는 광이 마이크로 캐비티 공진기(12)에서 공진이 아닌 경우에 도파관(14)의 출력 포트(20)로부터의 광을 적외선 비디콘 카메라 (vidicon camera)로 촬영한 영상을 도시한다. 레이저 다이오드가 공진 쪽으로 동조됨에 따라, 도파관(14)에서 전파되는 광은 마이크로 캐비티 공진기(12) 및 도파관(16)으로 결합되기 시작하여, 도 2b의 광점(34)으로 나타내지는 바와 같이, 공진광이 도파관(16)의 출력 포트(24)에서 나타나기 시작한다. 도파관(14)에서 전파되는 광이 마이크로 캐비티 공진기(12)에서 공진일 때, 마이크로 캐비티 공진기(12)를 통해 입력 도파관(14)으로부터 도파관(16)에 결합된 공진 광은 도 2c에 도시된 바와 같다. 특히, 도파관(16)의 출력 포트(24)에서의 공진 광은 광점(36)으로 나타내지고, 이는 포트(18)에서 도파관(14)에 입력된 광의 40% - 50%이다.
도 3a 내지 도 3d는 각각 10 μm 직경의 마이크로 캐비티 디스크, 10 μm 마이크로 캐비티 고리, 20 μm 마이크로 캐비티 디스크, 및 20 μm 마이크로 캐비티 고리의 형태인 마이크로 캐비티 공진기(12)에 대해 도파관(14)의 출력 포트(20)에서 측정된 반사력을 나타낸다. 10.5 μm 마이크로 캐비티 디스크에 대해 도 3a에서 도시된 바와 같이, 공진 파장은 1534.4 nm, 1555.6 nm, 및 1577.2 nm이다. 이 그래프에서 도시된 잡음은 레이저 다이오드 출력의 10% - 20%, 1 nm 변조 및 도파관(14)에서 파브리-페로 공진을 제거하는데 요구되는 표준화로부터 발생된다. 공진 파장 사이의 공간을 나타내는 측정된 자유 스펙트럼 범위 (FSR)는 10.5 μm 직경의 마이크로 캐비티 디스크에서 21.6 nm이다. 본 예에서, 측정된 반사력은 다음의 식으로 주어진다:
1 - tmax/ (1 + Fsin2(2πnl/λ0))
여기서, 마이크로 캐비티 공진기(12)의 공동에서 산란 및 결합 손실을 설명하는 피네스 (finesse), F는 F = 4RA / (1 - RA)2로 주어지고; 최대 전송 tmax는 tmax= (1 - R)2A / (1 - RA)2로 주어지고; 손실은 A = exp(-αl) (여기서, l = πD/2)로 설명되고; D는 마이크로 캐비티 공진기(12)의 외부 직경이고; R은 (1 - 결합 효율성)과 같고; 또한 α는 도파관 전파 또는 산란 손실이다. 계산된 FSR, Δλ는 식 Δλ = λ2/πDeffng이고, 여기서 Deff는 마이크로 캐비티 공진기(12)의 실효 직경이고, ng는 모드 그룹 굴절률로서 ng= neff+ λ(dn/dλ)로 주어진다. 10.5 μm 마이크로 캐비티 디스크의 경우에서, 계산된 FSR은 0.5 μm 폭의 모드 중심으로 이동하는 경로에 대응하는 10 μm의 측정 Deff로 Δλ = 21.8 nm이다.
도 4a는 10.5 μm 직경 마이크로 캐비티 디스크에 대해 도파관(16)의 출력 포트(24)로부터 출력된 비표준화 투과율을 도시한다. 1555.6 nm의 파장에 중심을 둔 전송 피크에 걸쳐 취해진 섬세한 범위의 주사를 나타내는 도 4b에 도시된 바와 같이, 최대치의 1/2에서의 전체 폭, ΔλFWHM은 0.003 nm 분해능으로 0.18 nm이다.
강한 도파관 제한이나 유도가 있을 때, 마이크로 캐비티 공진기(12)와 도파관 (14, 16) 사이의 갭은 충분한 결합 효율성을 위해 매우 작아야 함을 주목하여야 한다. 그러나, 소정의 갭 폭에 대해, 결합력은 한정된 거리 만큼 마이크로 캐비티 공진기(12)를 따라 도파관을 구부러지게함으로서 증가된다. 도 5 및 도 8은 각각 이러한 마이크로 공진기 설계를 나타낸다. 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 마이크로 캐비티 공진기(52)에서 공진인 도파관(50)에서 전파되는 광은 Δs1의 광학 경로 길이를 통한 마이크로 캐비티 공진기(52)를 따라 구부러진 광학 경로 길이 Δs2를 통해 결합된다. 도파관(53)은 유사하게 마이크로 캐비티 공진기(52)에 대해 구부러진다. 5 μm의 직경을 갖고 마이크로 캐비티 고리 형태인 마이크로 캐비티 공진기(52)에서, 도파관(53)의 광이 마이크로 캐비티 고리와 동위상이라고 가정하는 경우, 결합 길이가 1 μm (λ0 = 1.55 μm), 도파관 폭 a = 0.4 μm, 도파관 두께 b = 0.2 μm, 또한 갭 촉 c = 0.3일 때는 결합 효율성이 1%로 계산된다. 그러나, 도파관(50)과 마이크로 캐비티 공진기(52)에서 전파되는 광은 특정한 각도 Θ 이후에 광학 경로 길이의 차이 Δs2- Δs1로 인해 위상을 벗어날 수 있다. 위상 부정합을 π/2로 제한하는 것은 Θ ＜ (λ/2n)/(r2- r1)이 되게 하고, 여기서 r1및 r2는 각각 도파관(50) 및 마이크로 캐비티 공진기(52)의 곡률 반직경이다. 또한, Δs2- Δs1= Θ(r2- r1)이다. 본 예의 매개변수에 대해, 결합 길이는 위상 부정합을 π/2 이하로 제한하기 위해 디스크 원주의 대략 1/10을 넘지 말아야 한다.
도 5 및 도 8에 도시된 실시예에서, 공진 광은 도파관(50)의 포트(Z)로부터 출력되는 공진이 아닌 광의 방향과 반대 방향으로 도파관(53)의 출력 포트(Y)로부터 출력됨을 주목하여야 한다. 그러나, 도파관(53)은 원하는 방향으로 광을 출력하도록 구부러질 수 있다.
도 6은 560 λlg/nresμm - 56000 λlg/nresμm의 직경을 갖는 마이크로 캐비티 고리 공진기 또는 마이크로 캐비티 디스크 공진기로 형성될 수 있는 약한 유도 마이크로 공진기 디바이스(10)의 단면도를 나타낸다. 본 실시예에서는 GaAs 기판(58)상에 3 - 4 μm AlGaAs 제1 클래딩층(56)이 형성된다. 제1 클래딩층(56)상에는 1.5 μm AlGaAs 유도층(60)이 형성되고, 유도층(60)상에는 AlGaAs의 1.5 μm 제2 클래딩층(62)이 형성된다. 약하게 한정된 마이크로 캐비티 공진기에서는 높은 휘어짐 손실 (bending loss)이 있기 때문에, 마이크로 캐비티 공진기(12)의 직경은 대략 560 λlg/nresμm - 56000 λlg/nresμm의 범위에 있다. 본 실시예에서, 약한 유도 마이크로 캐비티 공진기(12)와 도파관 (14, 16)은 낮은 산란 손실이 생기도록 제2 클래딩층(62)을 에칭함으로서 생성될 수 있다. 유도층(60)이 에칭되지 않으면, 마이크로 캐비티 공진기(12)는 모드 한계를 증가시키지만 산란 손실을 증가시키지 않도록 디스크 대신에 고리로 형성된다. 약한 유도 마이크로 캐비티 공진기에서, 마이크로 캐비티 공진기로부터 도파관을 분리시키는 갭은 강한 유도 마이크로 캐비티 공진기를 갖는 마이크로 공진기(10)에서 사용되는 것보다 더 크다. 도파관 폭 a = 1.4 μm, 두께 b = 1.5 μm, 또한 갭 c = 5 μm (λlg = 1.5 μm)일 때, 도파관 결합에 대한 마이크로 캐비티 디스크 공진기의 1%는 디스크 직경이 1700 μm인 경우 370 μm 결합 길이를 통해 이루어진다.
도 12a 내지 도 12c는 약한 유도 구조의 다른 실시예를 나타낸다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 에칭은 제2 클래딩층의 두께 보다 작은 깊이까지 제2 클래딩층으로만 확장된다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 에칭은 유도층으로 확장되어 유도층 두께의 대략 1/2 깊이가 될 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 제2 또는 상단 클래딩층은 없고, 에칭은 유도층까지 이르러 유도층 두께의 대략 1/2 깊이가 될 수 있다.
도 7은 강하게 유도되는 마이크로 캐비티 공진기의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 마이크로 캐비티 공진기의 직경은 대략 560 λlg/nresμm와 같거나 작다. GaAs 기판(66)상에는 2 μm AlGaAs 클래딩층(64)이 형성되고, 클래딩층(64)의 상단에는 1 μm AlGaAs 유도층(68)이 형성된다. 상기에 논의된 바와 같이, 강한 유도 마이크로 공진기 구조에서, 모드는 마이크로 캐비티 공진기(12)가 매우 작은 직경을 가질 수 있도록 매우 엄격히 한정된다. 그러나, 작은 직경 및 엄격한 한계로, 마이크로 캐비티 공진기(12) 및 인접한 도파관 (14, 16) 사이의 결합 효율성이 낮아진다. 그래서, 충분한 결합을 위해서는 1 μm (λlg= 1.5) 보다 작은 갭 분리가 바람직하다. 도 7의 강한 유도 경우에서, 도파관 측면벽은 유도층 두께의 1/2보다 더 깊게 에칭되어 제1 클래딩층(64)에 이를 수 있다. 이는 에칭이 상단으로부터 측정되어 많아야 유도층 두께의 대략 1/2에 이르는 도 12a 내지 도 12c에 도시된 약한 유도 구조의 경우와 반대된다. 도 7에 도시된 예에서, 강한 유도 마이크로 캐비티 디스크 공진기(12)와 도파관 폭 a = .94 μm, 두께 b = 1 μm, 및 갭 c = 0.2 μm를 포함하는 마이크로 공진기에 대해, 결합은 λlg= 1.5인 경우 11 μm의 결합 길이에서 1%이다.
강한 유도 구조의 다른 실시예는 도 13a 내지 도 13c를 포함한다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 유도층(68)상에는 제2 클래딩층(69)이 형성되고, 에칭은 상단으로부터 유도층 두께의 1/2 보다 큰 깊이까지 유도층에 이른다. 도 13c에서, 에칭은 제1 클래딩층이 전체적으로 또는 부분적으로 에칭되도록 제1 클래딩층(64)으로 확장된다.
반도체 마이크로 공진기 디바이스(10)는 전자-광학 공진기, 스위치, 가변 광학 필터, 파장 분할 멀티플렉서 및/또는 디멀티플렉서 뿐만 아니라 다른 잠재적인 응용으로도 사용될 수 있다. 본 발명의 피네스 F는 공진기가 π 위상 쉬프트 대신에 π/F 위상 쉬프트만을 요구하고, 그에 의해 F 계수 만큼 요구되는 전압 스위칭을 줄이게 되므로. 다수의 응용에서 특히 유리하다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 마이크로 공진기는 높은 피네스와 높은 자유 스펙트럼 범위를 갖기 때문에, 그 디바이스는 에르븀-도핑 섬유 증폭기 (Erbium-doped fiber amplifier)의 전체 대역폭에 이를 수 있는 넓은 파장 동조 범위와 높은 파장 분해능을 갖는 디멀티플렉서로 사용될 수 있다. 이러한 요소들은 또한 본 발명의 공진기가 광섬유 통신 네트워크에서 사용될 때 특히 중요한 조밀 파장-분할 다중화 구조에서 사용될 수 있도록 허용한다. 도 9 및 도 10은 이와 같은 몇가지 다양한 응용들을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 반도체 마이크로 공진기 디바이스를 사용한 디멀티플렉서의 한 실시예를 나타낸다. 광원(70)으로부터의 광은 렌즈(72)에 의해 도파관(76)의 입력 포트(74)로 초점이 맞추어진다. 다수의 (설명을 위해 3개만이 도시된) 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)는 그 길이를 따라 도파관(76)에 인접하게 배치된다. 도 9에서는 도파관(76)이 직선으로 나타내지지만, 상기에서 논의된 바와 같이, 각 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)의 일부에 대해 도파관의 연속적인 길이를 휘어지게 함으로서 결합 효율성이 잠재적으로 증가될 수 있다. 각 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)는 상기에 논의된 바와 같이 마이크로 캐비티 디스크 또는 마이크로 캐비티 고리로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 각 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)는 각 공진기가 다른 공진을 갖도록 다른 굴절률 및/또는 다른 광학 경로의 원주로 형성된다. 각 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)의 공진은 마이크로 캐비티 공진기의 광학 경로 원주와 마이크로 캐비티 공진기의 굴절률에 대한 함수인 광학 경로 길이의 함수이다. 각 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)에 인접하게 또 다른 도파관 (88, 92, 98)이 주어진다. 상기에 논의된 바와 같이, 도파관(76)의 포트(78)로부터 출력되는 것과 같은 방향으로 도파관 (88, 92, 98)에서 광이 출력되게 하기 위해, 각 도파관 (88, 92, 98)은 도 9에 도시된 바와 같이 휘어진다. 렌즈 (80, 90, 96, 100)는 각 도파관으로부터 출력되는 광을 조준하도록 연관된 도파관 출력 포트 (78, 89, 94, 99)에 대해 배치된다. 비록 도 9에서는 렌즈가 입력 및 출력 포트에 도시되지만, 렌즈가 반드시 요구되지는 않음을 주목하여야 한다.
동작시, 마이크로 캐비티 공진기(82)에서 공진으로 도파관(76)에서 전파되는 광은 공진 도파관 결합을 통해 그에 결합되고, 출력 포트(89)를 통해 출력되도록 마이크로 캐비티 공진기(82)에서 도파관(88)으로 결합된다. 유사하게, 마이크로 캐비티 공진기(84)에서 공진으로 도파관(76)에서 전파되는 광은 마이크로 캐비티 공진기(84)에 결합되고, 그로부터의 광은 도파관(92)을 통해 출력 포트(94)에 결합된다. 마이크로 캐비티 공진기(86)에서 공진으로 도파관(76)에서 전파되는 광은 마이크로 캐비티 공진기(86)에 결합되고, 그로부터 도파관(98)을 통해 출력 포트(99)에 결합된다. 그러므로, 다른 공진 파장으로 마이크로 캐비티 공진기 (82, 84, 86)를 형성함으로서, 이들 디바이스는 각각 연관된 출력 도파관 (88, 92, 98)을 통해 출력되도록 도파관(76)에서 전파되는 광의 특정한 파장을 선택하는데 사용될 수 있다. 각 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌, 도파관(76)에서 전파되는 광은 도파관(76)의 출력 포트(78)를 통해 출력된다.
출력 도파관의 수는 1 이상의 될 수 있다. 예를 들면, 도 14에 도시된 바와 같이 2개의 출력 도파관 (114, 116)이 각각의 출력 포트 (118, 120)을 갖는다. 입력 도파관(122), 마이크로 캐비티 공진기(124), 및 출력 도파관 (118, 120)은 상술된 바와 같은 구조를 가질 수 있다. 출력 도파관 (118, 120)에 대한 결합량은 각각 다를 수 있고, 각 도파관 (118, 120)과 마이크로 캐비티 공진기(124) 사이의 다른 갭 크기로 조정된다.
도 10은 전기적으로 제어되는 가변 광학 필터 (tunable optical filter)를 나타낸다. 그 디바이스는 도파관(14)의 입력 포트(18)로 광의 초점을 맞추기 위한 렌즈(104), 도파관(14)의 출력 포트(20)로부터의 광을 조준하기 위한 렌즈(106), 및 도파관(16)의 출력 포트(24)로부터 출력하는 광을 조준하기 위한 렌즈(108)와 함께 도 1에 도시된 마이크로 공진기 구조를 사용한다. 상기에 기술된 바와 같이, 렌즈는 특히 레이저광이 디바이스(10)와 같은 칩상의 또 다른 반도체 디바이스로부터 디바이스(10)에 직접 결합될 때는 요구되지 않는다. 공진 제어기(110)는 마이크로 캐비티 공진기(12)에 인가되는 가변 전기장을 생성하는 가변 전압을 출력한다. 인가된 전기장에서의 변화는 마이크로 캐비티 공진기(12)의 굴절률 변화를 유도한다. 그래서, 공진 제어기(110)의 출력 전압을 통해 전기장을 변화시킴으로서, 제어기(110)에 의해 제어되는 공진 파장에 의존해 도파관(14)에서 전파되는 광의 선택 파장이 마이크로 캐비티 공진기(12)에 결합되고 포트(24)를 통해 출력되기 위해 도파관(16)에 연속하여 결합되도록 마이크로 캐비티 공진기(12)는 다양한 공진 파장으로 동조될 수 있다. 이와 같은 마이크로 캐비티 공진기(12)의 굴절률 변화는 반도체 유도층에서 양자 웰 (quantum well)을 가짐으로서 증진될 수 있다. 유도층내에 pn 접합을 더 피착하는 것도 또한 인가된 전압으로부터 pn 접합에서 주입 전류에 의해 생기는 캐리어 (carrier)를 통한 굴절률 변화를 증진시킬 수 있다.
본 발명의 반도체 마이크로 공진기 디바이스는 수많은 응용을 가질 수 있고, 상기에는 단지 몇가지만이 열거되었다. 기술된 실시예에 대해 설명된 특정한 매개변수는 단순히 예임을 주목하여야 한다. 매개변수들은 본 발명의 지시 또는 범위로부터 벗어나지 않고 변화될 수 있다. 또한, 상술된 것과 다른 반도체 물질이 본 발명의 마이크로 공진기 디바이스(10)를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, As (arsine) 대신에 N (nitrogen)을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이와 같이, 첨부된 청구항의 범위내에서, 본 발명은 여기서 상술된 바와 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (90)

  1. 가장 긴 광의 파장 λlg을 포함하는 광의 동작 파장 범위(operating wavelength)를 갖는 반도체 마이크로 공진기 (micro-resonator) 장치에 있어서,
    광을 전파할 수 있고, 대략 56000 λlg/nres이하의 직경을 갖는 반도체 물질로 형성된 마이크로 캐비티 공진기 (microcavity resonator) - nres는 상기 마이크로 캐비티 공진기내에서 광의 전파 굴절률임 -;
    반도체 물질로 형성되고 입력 포트 및 출력 포트를 갖는, 광을 전파하기 위한 입력 도파관 - 상기 입력 도파관의 일부는 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치된 - ; 및
    반도체 물질로 형성되고 출력 포트를 갖는, 광을 전파하기 위한 출력 도파관 - 상기 출력 도파관의 일부는 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치됨 -
    을 구비하고,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌(off resonance) 파장으로 상기 입력 도파관에서 전파되는 광은 상기 입력 도파관의 상기 출력 포트로부터 출력되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기에서 공진인(on resonance) 파장으로 상기 입력 도파관에서 전파되는 광은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 결합되고 상기 마이크로 캐비티 공진기로부터 상기 출력 도파관에 결합되어 상기 출력 도파관의 출력 포트로부터 출력되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres내지 56000 λlg/nres범위의 외부 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 고리 (ring)인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres내지 56000 λlg/nres범위의 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 디스크 (disk)인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 대략 560 λlg/nres과 같거나 작은 외부 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 고리인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입력 및 출력 도파관은 각각 ngap인 광의 전파 굴절률을 갖는 갭 (gap) 만큼 공진기로부터 분리되고, 도파관들과 마이크로 캐비티 공진기 사이의 갭은 각각보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 대략 560 λlg/nres과 같거나 작은 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 디스크인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres범위의 직경내에 한정된 임의의 곡선 원주를 갖는 반도체 폐쇄 루프 공진기인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres내지 56000 λlg/nres범위의 직경을 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판의 상단에 배치된 제1 클래딩층 (cladding layer), 상기 제1 클래딩층의 상단에 배치된 유도층 (guiding layer), 및 상기 유도층의 상단에 배치된 제2 클래딩층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 유도층은 제1 및 제2 클래딩층 각각의 굴절률보다 더 높은 굴절률 nres을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부벽을 정의하는 패턴에서 전체적으로 또는 부분적으로 상기 제2 클래딩층을 에칭 (etching)함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres내지 56000 λlg/nres범위의 직경을 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판상에 배치된 클래딩층, 및 상기 클래딩층상에 배치된 유도층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 상기 유도층은 클래딩층의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부벽을 정의하는 패턴에서 전체적으로 또는 부분적으로 상기 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres보다 작은 직경을 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판의 상단에 배치된 클래딩층, 및 상기 클래딩층의 상단에 배치된 유도층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 유도층은 클래딩층의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 화학적으로 보조되는 이온빔 에칭(chemical-assisted ion beam etching)을 사용하여 상기 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres보다 작은 직경을 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판의 상단에 배치된 제1 클래딩층, 상기 제1 클래딩층의 상단에 배치된 유도층, 및 상기 유도층의 상단에 배치된 제2 클래딩층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 유도층은 상기 제1 및 제2 클래딩층 각각의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 다층 반도체의 웨이퍼 (wafer)로 형성되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부 측면벽은 원하는 기하형으로 상기 웨이퍼의 상기 제2 클래딩층 및 상기 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 에칭은 상기 제1 클래딩층으로 확장되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 InP로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 클래딩층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제1 클래딩층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 제2 클래딩층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 제2 클래딩층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 클래딩층은 투명 도체인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 클래딩층은 InSnO2인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  27. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 클래딩층은 유전체 물질인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  28. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 인가된 전압에 의해 가변하는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  29. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 상기 마이크로 공진기 장치의 공진을 동조시키는 주입 전류에 의해 가변하는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  30. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 양자 웰 (quantum well)을 갖는 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  31. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 pn 접합을 갖는 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접한 입력 및/또는 출력 도파관의 상기 일부분은 일반적으로 직선이면서 상기 마이크로 캐비티 공진기에 접하는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접한 입력 및/또는 출력 도파관의 상기 일부분은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 대해 부분적으로 휘어지는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    도파관의 상기 휘어진 부분은 마이크로 캐비티 공진기와 도파관내의 광 사이의 위상 부정합을 π/2 미만으로 제한하도록 제한된 아크 각도 (arc angle)에 걸쳐서만 휘어지는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치된 다수의 출력 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  36. 가장 긴 광의 파장 λlg을 포함하는 광의 동작 파장 범위를 갖는 반도체 마이크로 공진기 장치에 있어서,
    광을 전파할 수 있고, 대략 560 λlg/nres이하의 직경을 갖는 반도체 물질로 형성된 마이크로 캐비티 공진기 - nres는 그 공진기내에서 광의 전파 굴절률임 -;
    반도체 물질로 형성되고 입력 포트 및 출력 포트를 갖는, 광을 전파하기 위한 입력 도파관 - 상기 입력 도파관의 일부는 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치되지만 그로부터(ngap은 갭의 전파 굴절률임) 보다 작은 연관 굴절률로 형성된 갭 만큼 분리됨 -; 및
    반도체 물질로 형성되고 출력 포트를 갖는, 광을 전파하기 위한 출력 도파관 - 상기 출력 도파관의 일부는 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치되지만 그로부터(ngap은 갭의 굴절률임) 보다 작은 갭 만큼 분리됨 -
    을 구비하고,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌 파장으로 상기 입력 도파관에서 전파되는 광은 상기 입력 도파관의 상기 출력 포트로부터 출력되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기에서 공진인 파장으로 상기 입력 도파관에서 전파되는 광은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 결합되고 상기 마이크로 캐비티 공진기로부터 상기 출력 도파관에 결합되어 상기 출력 도파관의 출력 포트로부터 출력되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 반도체 마이크로 캐비티 고리인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 반도체 마이크로 캐비티 디스크인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기는 임의의 곡선 원주를 갖는 반도체 폐쇄 루프 공진기인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  40. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판의 상단에 배치된 제1 클래딩층, 상기 제1 클래딩층의 상단에 배치된 유도층, 및 상기 유도층의 상단에 배치된 제2 클래딩층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 상기 유도층은 제1 및 제2 클래딩층 각각의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부벽을 정의하는 패턴에서 전체적으로 또는 부분적으로 상기 상단 클래딩층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 다층 반도체의 웨이퍼로 형성되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부 측면벽은 원하는 기하형으로 상기 웨이퍼의 상기 클래딩층 및 상기 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 에칭은 상기 제1 클래딩층으로 확장되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  44. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판상에 배치된 클래딩층, 및 클래딩층상에 배치된 유도층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 유도층은 클래딩의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부벽을 정의하는 패턴에서 전체적으로 또는 부분적으로 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  46. 제40항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  47. 제40항에 있어서,
    상기 기판은 InP로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  48. 제40항에 있어서,
    상기 제1 클래딩층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  49. 제40항에 있어서,
    상기 제1 클래딩층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  50. 제40항에 있어서,
    상기 유도층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  51. 제40항에 있어서,
    상기 유도층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  52. 제40항에 있어서,
    상기 제2 클래딩층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  53. 제40항에 있어서,
    상기 제2 클래딩층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  54. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접한 입력 및/또는 출력 도파관의 상기 일부분은 일반적으로 직선이면서 상기 마이크로 캐비티 공진기에 접하는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  55. 제36항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접한 입력 및/또는 출력 도파관의 상기 일부분은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 대해 부분적으로 휘어지는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  56. 제55항에 있어서,
    도파관의 상기 휘어진 부분은 마이크로 캐비티 공진기와 도파관내의 광 사이의 위상 부정합을 π/2 미만으로 제한하도록 제한된 아크 각도에 걸쳐서만 휘어지는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  57. 반도체 마이크로 공진기 장치에 있어서,
    광을 전파할 수 있고, 반도체 물질로 형성되며 공진을 변화시키도록 전기적으로 조정가능한 마이크로 캐비티 공진기;
    반도체 물질로 형성되고 입력 포트 및 출력 포트를 갖는, 광을 전파하기 위한 입력 도파관 - 상기 입력 도파관의 일부는 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치됨 -; 및
    반도체 물질로 형성되고 출력 포트를 갖는, 광을 전파하기 위한 출력 도파관 - 상기 출력 도파관의 일부는 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치됨 -
    을 구비하고,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에서 공진이 아닌 파장으로 상기 입력 도파관에서 전파되는 광은 상기 입력 도파관의 상기 출력 포트로부터 출력되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기에서 공진인 파장으로 상기 입력 도파관에서 전파되는 광은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 결합되고 상기 마이크로 캐비티 공진기로부터 상기 출력 도파관에 결합되어 상기 출력 도파관의 출력 포트로부터 출력되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  58. 제57항에 있어서,
    공진을 변화시키도록 상기 마이크로 캐비티 공진기에 전기장을 인가하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  59. 제57항에 있어서
    가장 긴 광의 파장 λlg를 포함하는 광의 동작 파장 범위를 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres내지 56000 λlg/nres범위의 외부 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 고리 - nres는 마이크로 캐비티 공진기내에서 광의 전파 굴절률임 - 인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  60. 제57항에 있어서,
    가장 긴 광의 파장 λlg를 포함하는 광의 동작 파장 범위를 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기는 560 λlg/nres내지 56000 λlg/nres범위의 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 디스크 - nres는 마이크로 캐비티 공진기내에서 광의 전파 굴절률임 - 인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  61. 제57항에 있어서,
    가장 긴 광의 파장 λlg를 포함하는 광의 동작 파장 범위를 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기는 대략 560 λlg/nres과 같거나 작은 외부 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 고리 - nres는 마이크로 캐비티 공진기내에서 광의 전파 굴절률임 - 인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  62. 제61항에 있어서,
    상기 입력 및 출력 도파관은 각각 굴절률 ngap을 갖는 갭 만큼 공진기로부터 분리되고, 도파관과 마이크로 캐비티 공진기 사이의 갭은보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  63. 제57항에 있어서,
    가장 긴 광의 파장 λlg를 포함하는 광의 동작 파장 범위를 갖고, 상기 마이크로 캐비티 공진기는 대략 560 λlg/nres과 같거나 작은 직경을 갖는 반도체 마이크로 캐비티 디스크 - nres는 마이크로 캐비티 공진기내에서 광의 전파 굴절률임 - 인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  64. 제57항에 있어서,
    상기 출력 도파관을 다수 포함하고, 각 출력 도파관은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  65. 제57항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판의 상단에 배치된 제1 클래딩층, 상기 제1 클래딩층의 상단에 배치된 유도층, 및 상기 유도층의 상단에 배치된 제2 클래딩층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 상기 유도층은 제1 및 제2 클래딩층 각각의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부벽을 정의하는 패턴에서 전체적으로 또는 부분적으로 상기 상단 클래딩층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  67. 제65항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 다층 반도체의 웨이퍼로 형성되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부 측면벽은 상기 다층 반도체의 웨이퍼로 형성되고, 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부 측면벽은 원하는 기하형으로 상기 웨이퍼의 상기 클래딩층 및 상기 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  68. 제67항에 있어서,
    상기 에칭은 상기 제1 클래딩층으로 확장되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  69. 제57항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 상기 도파관은 기판, 상기 기판상에 배치된 클래딩층, 및 클래딩층상에 배치된 유도층을 포함하는 다층 반도체로 형성되고, 여기서 유도층은 클래딩층의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  70. 제69항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관은 상기 마이크로 캐비티 공진기와 도파관의 외부벽을 정의하는 패턴에서 전체적으로 또는 부분적으로 유도층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  71. 제65항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  72. 제65항에 있어서,
    상기 기판은 InP로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  73. 제65항에 있어서,
    상기 제1 클래딩층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  74. 제65항에 있어서,
    상기 제1 클래딩층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  75. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  76. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  77. 제65항에 있어서,
    상기 제2 클래딩층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  78. 제65항에 있어서,
    상기 제2 클래딩층은 InxGa1-x-yAsyP (여기서, 0 ≤ x ≤ 1 및 0 ≤ y ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  79. 제65항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 클래딩층은 투명 도체인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  80. 제79항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 클래딩층은 InSnO2인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  81. 제65항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 클래딩층은 유전체 물질인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  82. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 인가된 전압에 의해 가변하는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  83. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 상기 마이크로 공진기 장치의 공진을 동조시키는 주입 전류에 의해 가변하는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  84. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 양자 웰을 갖는 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  85. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 pn 접합을 갖는 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  86. 제57항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접한 입력 및/또는 출력 도파관의 상기 일부분은 일반적으로 직선이면서 상기 마이크로 캐비티 공진기에 접하는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  87. 제57항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티 공진기에 인접한 입력 및/또는 출력 도파관의 상기 일부분은 상기 마이크로 캐비티 공진기에 대해 부분적으로 휘어지는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  88. 제87항에 있어서,
    도파관의 상기 휘어진 부분은 마이크로 캐비티 공진기와 도파관내의 광 사이의 위상 부정합을 π/2 미만으로 제한하도록 제한된 아크 각도에 걸쳐서만 휘어지는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  89. 제65항에 있어서,
    상기 유도층은 AlxGa1-xN (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
  90. 제14항에 있어서,
    상기 유도층은 AlxGa1-xN (여기서, 0 ≤ x ≤ 1)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로 공진기 장치.
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