KR20090021279A - 집적된 변조기 어레이 및 하이브리드 결합된 다중 파장 레이저 어레이를 갖는 송신기-수신기 - Google Patents

집적된 변조기 어레이 및 하이브리드 결합된 다중 파장 레이저 어레이를 갖는 송신기-수신기 Download PDF

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Abstract

단일 반도체 물질 층으로부터 복수의 변조된 광 빔들을 제공하는 장치 및 방법이 개시된다. 예를 들면, 장치는, 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 광 도파관들을 포함한다. 복수의 광 도파관들 각각은 광 도파관을 따라 규정된 광 공동을 포함한다. 복수의 광 도파관들을 가로질러 단일 반도체 물질 층에 인접하는 단일 이득 매질 물질 바가 포함된다. 이득 매질-반도체 물질 계면이 복수의 광 도파관들 각각을 따라 규정된다. 복수의 광 변조기들이 단일 반도체 물질 층 내에 배치된다. 복수의 광 변조기들 각각은 복수의 광 도파관들 각각에 광학적으로 결합되어서 광 공동으로부터 보내진 각각의 광 빔을 변조시킨다.
Figure P1020087030750
광 도파관, 반도체, 광 변조기, 광 공동, 광 빔

Description

집적된 변조기 어레이 및 하이브리드 결합된 다중 파장 레이저 어레이를 갖는 송신기-수신기{TRANSMITTER-RECEIVER WITH INTEGRATED MODULATOR ARRAY AND HYBRID BONDED MULTI-WAVELENGTH LASER ARRAY}
본 발명은 일반적으로 광학에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 본 발명은 광 상호접속 및 통신에 관한 것이다.
인터넷 데이터 트래픽 성장율이 음성 트래픽을 앞질러서 광 섬유 통신에 대한 요구를 발생시킴에 따라, 빠르고 효율적인 광 기반 기술들에 대한 요구가 증가하고 있다. DWDM(dense wavelength-division multiplexing) 시스템 및 GB(Gigabit) 이더넷 시스템에서 동일한 섬유를 통한 다중 광 채널 전송은, 광 섬유에 의해 제공되는 전례가 없는 용량(신호 대역폭)을 사용하기 위한 간단한 방법이다. 이 시스템에서 통상적으로 이용되는 광 컴포넌트들에는, 파장 분할 멀티플렉싱(wavelength division multiplexed; WDM) 송신기 및 수신기, 회절 격자 등의 광 필터, 박막 필터, 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg gratings), 배열형 도파관 격자(arrayed-waveguide gratings), 광 분기/결합 멀티플렉서(optical add/drop multiplexer) 및 레이저가 포함된다.
레이저는, 자극 방출(stimulated emission)을 통해 광을 방출시키고, 적외선 에서 자외선까지의 범위의 주파수 스펙트럼을 갖는 간섭성 광 빔들을 생성하며, 광범위한 응용장치 어레이에 이용될 수 있는 널리 공지된 장치이다. 예를 들면, 광 통신 또는 네트워크 응용장치에서, 반도체 레이저는, 데이터 또는 그 밖의 정보가 인코딩되어 전송될 수 있는 광 또는 광 빔들을 생성하는 데에 이용될 수 있다.
광 통신 또는 네트워킹 응용장치에서 이용되는 그 밖의 장치들은 광섬유 기반 브래그 격자이다. 광섬유 브래그 격자는, 광섬유 길이를 따라 광섬유 코어 물질의 굴절율이 주기적으로 변화되는 광섬유로서, 감광성 코어를 강렬한 광 간섭 패턴에 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 광섬유 길이를 따라 굴절율을 변화시킴으로써, 특정 파장의 광 빔들이 광섬유 브래그 격자에 의해 반사되며, 다른 파장의 광 빔들은 이 광섬유를 통과하여 전파될 수 있게 된다.
광섬유 브래그 격자에 있어서의 한계는, 이 광섬유 브래그 격자에 의해 반사되는 특정 파장이 실질적으로 고정되어 있다는 점이다. 그 결과, 다른 파장의 광을 반사시키려고 하는 경우에는, 다른 광섬유 브래그 격자가 이용된다. 일부 공지된 광섬유 브래그 격자에서는, 광섬유 브래그 격자의 광섬유를 물리적 혹은 기계적으로 스트레칭시켜 광 섬유의 길이를 변경시킴으로써, 반사되는 파장에 대한 근소한 조정이 제공될 수 있다. 이 기술의 단점은, 반사되는 파장에 대한 조정량이 비교적 작으며 광섬유가 물리적 스트레스 및 스트레칭의 스트레인(strain)으로 인해 손상을 받을 수 있다는 점이다.
광 통신에서 이용되는 또다른 디바이스들에는, 광대역 DWDM 네트워킹 시스템 및 GB 이더넷 시스템에서 핵심적인 컴포넌트인 광 송신기가 포함된다. 현재, 대부 분의 광 송신기들은, 외부 변조기와 결합되는 다수의 고정 파장의 레이저들, 혹은 일부 경우에는 직접 변조된 레이저들에 기초한다. 레이저로부터 생성된 광이 변조된 후, 이는 외부 멀티플렉서에 의해 멀티플렉싱되며, 그 후 광 섬유 네트워크에 전송되는데, 이 광 섬유 네트워크에서 광은 광 스위치에 의해 증폭되거나 혹은 방향지시되거나, 혹은 이들 양쪽 모두가 행해질 수 있다. 레이저들은 일반적으로 고정된 파장을 생성하기 때문에 각 전송 채널마다 개별적인 레이저들 및 변조기들이 이용된다. 그러나, 레이저들 및 관련 컴포넌트들을 생산하는 비용은 높으며, 전송될 광의 파장마다 개별적인 컴포넌트들을 사용하는 것은 비용이 많이 들며 비효율적으로 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 개시물에 따른 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저 어레이의 일례를 일반적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 개시물에 따른 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저 어레이에서 이용될 수 있는 복수의 예시적인 레이저들 중 하나를 일반적으로 나타낸 측단면도.
도 3은 본 발명의 개시물에 따른 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저에서 이용될 수 있는 복수의 예시적인 레이저들중 하나를 일반적으로 나타낸 다른 단면도.
도 4는 본 발명의 개시물에 따른 광 변조기에서 이용되는, pn 접합 계면에서 공핍 영역과 접촉하는 단일면의 공면(single sided coplanar)을 갖는 광 도파관을 포함하는 광 위상 변조기의 일례를 일반적으로 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 개시물에 따른 집적된 반도체 변조기들 및 하이브리드 결합된 다중 파장 레이저들을 갖는 초고용량 송신기-수신기(ultra-high capacity transmitter-receiver)를 포함하는 예시적인 시스템을 일반적으로 나타낸 도면.
본 발명은 예로서 예시되는 것이며 첨부된 도면에 제한되는 것은 아니다.
집적된 반도체 변조기 어레이 및 하이브리드 결합된 다중 파장 레이저 어레이를 갖는 초고용량 송신기-수신기를 제공하기 위한 방법들 및 장치들이 개시된다. 이하의 설명에서는, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 상세사항들이 제시된다. 그러나, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는, 본 발명을 실시하는 데에 이 특정 상세사항을 이용할 필요가 없음이 명확하게 될 것이다. 다른 경우들에서, 본 발명을 불명료하게 만드는 것을 방지하기 위해 널리 공지된 재료들 또는 방법들에 대해서는 상세히 기술하지 않았다.
본 명세서 전체에서 "일 실시예" 혹은 "실시예"라는 언급은, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특성, 구조, 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예 내에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체 내의 각종 위치에서 나타나는 "일 실시예" 혹은 "실시예"는, 반드시 모두 동일한 실시예를 칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특성들, 구조들, 또는 특징들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 또한, 본원에서 제공되는 도면들은 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위한 것이며 이 도면들은 반드시 일정한 비율로 되도록 그려진 것은 아님을 알 것이다.
예시를 위해, 도 1은 본 발명의 개시물에 따른 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저 어레이(101)의 일례를 일반적으로 도시한 도면이다. 도시된 예에서, 다중 파장 레이저 어레이(101)는, 단일 반도체 물질 층(single layer of semiconductor material)(103)으로부터의 복수의 연속파(continuous-wave; CW) 광 빔들(119A, 119B, ...119N)을 제공한다. 일례에서, 단일 반도체 물질 층(103)은 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼의 실리콘 층이다. 도시된 예에서, 광 빔들(119A, 119B, ...119N) 각각은, 각 레이저의 이득 및 공동 반사 스펙트럼 폭(gain and cavity reflection spectral widths)에 의해 주로 결정되는 레이저 스펙트럼 폭을 갖는 광대역 레이저 출력이다. 예시적인 다중 파장 레이저 어레이(101)는, 단일 반도체 물질 층(103) 내에 배치된 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N)을 포함한다. 도시된 예에서, 복수의 광 도파관들을 표현하기 위해 도 1에는 "N" 개의 광 도파관들이 도시되어 있다. 복수의 도파관들이란, 본 발명의 개시물에 따른 둘 이상의 광 도파관일 수 있음을 알 것이다. 달리 말하자면, N은, 본 발명의 개시물에 따라 2보다 크거나 2이다. 일례에서, 광 도파관들은, 단일 반도체 물질 층(103) 내에 배치되는 실리콘 립 도파관(silicon rib waveguide), 스트립 도파관 등이다.
일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N) 각각은, 각 반사기들(107A/109A, 107B/109B, ...107N/109N) 사이에 광 도파관을 따라 규정된 광 공동(optical cavity)을 포함한다. 각종 예들에서, 반사기들은, 본 발명의 개시물에 따라, 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N) 내에 광 공동들을 규정하기 위해, 반도체 물질(103) 내의 격자들, 반도체 물질(103)의 면들(facets) 상의 반사성 코팅들, 또는 다른 적절한 기술들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, 링 공진기들(120A, 120B, ...120N)이 반도체 물질(103) 내에 규정되며, 각각 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N) 중 각 하나에 광학적으로 결합되어서 각 광 도파관을 따라 광 공동을 규정한다. 반사기들(107A/109A, 107B/109B, ...107N/109N)을 포함하는 예시적인 광 공동 내에는, 링 공진기들(120A, 120B, ...120N)은 포함되지 않는다. 링 공진기들(120A, 120B, ...120N)을 포함하는 예시적인 광 공동 내에는, 포함된 반사기들(107A/109A, 107B/109B, ...107N/109N)은 포함되지 않는다.
복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N)을 가로질러 단일 반도체 물질 층(103)에 단일 이득 매질 물질 바(single bar of gain medium material)(123)가 인접하고 있다. 다른 예에서는, 다중 파장 레이저 어레이(101) 내에 포함되는 두 개 이상의 단일 이득 매질 물질 바(123)가 존재할 수 있다. 그러나, 이러한 예에서, 각 단일 이득 매질 물질 바(123)는, 본 발명의 개시물에 따라 복수의 광 도파관들을 가로질러 배치된다. 일례에서, 단일 이득 매질 물질 바(123)는 InP 등의 III-V 반도체 물질을 포함하는 III-V 반도체 바이다. 특히, 단일 이득 매질 물질 바(123)는, 예를 들어 SOI 웨이퍼의 실리콘 층 내의 복수의 실리콘 립 도파관들의 "상부들(tops)"을 가로질러 플립 칩 본딩되거나 웨이퍼 본딩된 단일의 MQW(multiple quantum well) 기반 InP 이득 칩이다. 이에 따라, III-V 레이저들의 어레이가, 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N) 각각을 따라 규정된 이득 매질-반도체 물질 계면에 형성된다. 도시된 바와 같이 복수의 광 도파관들을 가로질러 결합되는 단일 이득 매질 물질 바(123)의 결합과 관련된 정렬 문제가 존재하지 않기 때문에, 예를 들어 본 발명의 개시물에 따라 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 등의 개별적인 각각의 레이저들을 결합시키고 정렬한다고 하는 약간의 희생으로 레이저들의 어레이가 제공 및 제조된다.
일례에서, 복수의 파워 모니터들(111A, 111B, ...111N)이 각각 광 도파관들(105A, 105B, ...105N)에 광학적으로 결합되어 있다. 일례에서, 복수의 파워 모니터들(111A, 111B, ...111N)은, 본 발명의 개시물에 따라, 각 레이저들로부터 출력되는 복수의 광 빔들(119A, 119B, ...119N)을 모니터링하기 위해, 단일 반도체 물질 층(103) 내에 배치되는, 집적된 헬륨 이온 도핑된 반도체 도파관 광검출기들 또는 적절한 이온 주입된 반도체 도파관 광검출기들, 집적된 SiGe 광 검출기들 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
단일 반도체 물질 층(103)에는 복수의 광 변조기들(113A, 113B, ...113N)이 배치되어 있다. 복수의 광 변조기들(113A, 113B, ...113N)의 일례는 도시된 바와 같은 Si 변조기들이며, 이들 각각은 두 개의 암(arm)을 갖는 MZI(Mach-Zehnder Interferometer)를 포함한다. 일례에서, Si 변조기들은 10-40Gbs 이하의 속도로 동작할 수 있다. 광 변조기들(113A, 113B, ...113N) 내의 각 MZI의 암 중 적어도 하나는, 각 MZI의 각 암 간의 위상 시프트를 변조하여 광 빔을 변조하기 위한 각각의 광 위상 시프터(115A, 115B, ...115N)를 포함한다. 따라서, 복수의 광 변조기들(113A, 113B, ...113N) 각각은 복수의 광 도파관들 각각에 광학적으로 결합되어서, 각 광 도파관(105A, 105B, ...105N) 내에 규정된 광 공동으로부터 보내진 각각의 광 빔(119A, 119B, ...119N)을 변조한다.
다른 예들에서, 복수의 광 변조기들(113A, 113B, ...113N)은, 본 발명의 개시물에 따라 다른 적절한 기술들을 이용하여 구현될 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 본 발명의 개시물에 따라, 검출기들 및 레이저들과 동일하거나 유사한 웨이퍼 본딩 메카니즘을 이용하거나, 혹은 전기 광학적 스트레인(strain)된 실리콘을 이용하거나, 혹은 직접적으로 레이저들을 변조시키거나, 혹은 다른 적절한 광 변조 기술들을 이용함으로써 다른 광 변조기들이 제공될 수 있다.
도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, 멀티플렉서(117)가 복수의 광 변조기들(115A, 115B, ...115N)에 결합되어, 변조된 광 빔들(119A, 119B, ...119N)을 단일 광 빔(121)으로 결합시킨다. 일례에서, 멀티플렉서(117)는 파장 선택식 배열형 도파관 격자(AWG)이며, 이는, 본 발명의 개시물에 따라, 다중 파장 레이저 어레이(101)에 의해, 변조된 광 빔들(119A, 119B, 119N)로부터 원하는 파장들 λ1, λ2, ...λN을 선택하고 선택된 파장을 갖는 변조된 광 빔들(119A, 119B, 119N)을 광 빔(121)으로 결합시키는 데에 이용된다. 일례에서, 멀티플렉서(117)는, 본 발명의 개시물에 따라, 단일 반도체 물질 층(103)을 포함하는 단일 다이 상에 꼭 맞춰지게 될, 예를 들어 대략 1×1 mm의 비교적 작은 치수를 갖는다.
도 1에 도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라 단일 반도체 물질 층(103) 내에는 제어 회로(161)가 또한 포함되거나 이에 집적될 수 있다. 예를 들면, 일례에서, 단일 반도체 물질 층(103)은 실리콘이며, 제어 회로(161)는 이 실리콘에 직접 집적될 수 있다. 일례에서, 제어 회로(161)는, 본 발명의 개시물에 따라, 단일 반도체 물질 층(103) 내에 배치되어 있는 다중 파장 레이저 어레이(101), 복수의 파워 모니터들(111A, 111B, ...111N), 복수의 광 변조기들(113A, 113B, ...113N) 또는 그 밖의 디바이스들 또는 구조체들 중 임의의 하나 이상을 제어 및/또는 모니터링하도록 전기적으로 결합될 수 있다.
도 2는 본 발명의 개시물에 따라, 도 1의 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저 어레이(101) 내에 예시되어 있는 복수의 레이저들 중 하나일 수 있는 예시적인 레이저를 일반적으로 나타낸 측단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저(225)는, 단일 반도체 층(203)을 포함하며, 단일 반도체 층(203)과 기판 층(231) 사이에 매립 산화물 층(229)이 배치되어 있는 SOI 웨이퍼에 집적되어 있다. 일례에서, 단일 반도체 층(203) 및 기판 층(231)은 실리콘으로 이루어진다. 도시된 바와 같이, 광 도파관(205)은 단일 반도체 층(203) 내에 배치되어 있다. 일례에서, 광 도파관(205)은, 반사기들(207, 209) 사이에 규정되어 있는 광 공동(227)을 갖는 립 도파관(rib waveguide)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 반사기들(207, 209)은, 본 발명의 개시물에 따른 일례에서 브래그 반사기들(Bragg reflectors)이다.
도 1의 단일 이득 매질 물질 바와 유사하게, 단일 이득 매질 물질 바(223)가, 광 도파관(205)의 "상부"를 가로질러, 그리고 이에 접하여, 도 2에 도시된 바와 같이 단일 반도체 물질 층(203)의 "상부"에 결합되어 있다. 이에 따라, 광 도파관(205)을 따른 광 빔의 전파 방향에 평행하게 광 도파관(205)을 따라 이득 매질-반도체 물질 계면(233)이 존재하게 된다. 일례에서, 단일 이득 매질 물질 바(223)는 III-V 이득 매질이며, 광 도파관(205)과 단일 이득 매질 물질 바(223) 사이에는 지극히 미미한 광 결합이 존재한다. 광 도파관(205)의 도파관 치수에 따라, III-V 이득 매질 내의 광 모드의 일부와, 광 모드의 일부가 광 도파관(205)의 립(rib) 영역 내에 있게 된다. 이득 매질로서 MQW를 가지며 미러로서 실리콘 도파관 기반 반사기를 갖는 예에서, 본 발명의 개시물에 따라 광 공동(227)에 의해 레이징(lasing)이 이루어진다. 도 2에서, III-V 이득 매질(223)을 이용하여 광 공동(227) 내에서 반사기들(207, 209) 사이에서 앞뒤로 반사되는 광 빔(219)을 갖는 것으로 레이징이 나타나 있다. 도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, 반사기(209)는 부분적인 반사성을 가져서, 광 빔(219)이 도 2의 오른쪽으로 출력된다. 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 레이저(225)는 광대역 레이저이며, 이에 따라 반사기들(207, 209)은, 광 공동(227)에 대한 좁은 대역의 반사기 또는 브래그 격자일 필요가 없으며, 이로 인해 제조 복잡성을 크게 감소시키게 된다.
도 3은, 본 발명의 개시물에 따른 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저에서 도 1 또는 도 2와 관련하여 위에서 예시하고 설명한 복수의 레이저들 중 하나로서 이용될 수 있는 레이저(325)의 일례를 일반적으로 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이, 단일 반도체 물질 층(303)과 반도체 기판(331) 사이에 배치된 매립 산화물 층(329)을 갖는 SOI 웨이퍼가 포함되어 있다. 도시된 예에서, 실리콘 립 도파관(305)은 단일 반도체 물질 층(303) 내에 배치되어 있다.
도 3에 도시된 예에 대해 계속해서 설명하면, 단일 이득 매질 물질 바(323)가 광 도파관(305)의 상부 상에 본딩된다. 도 3의 예에서 도시된 바와 같이, 광 도파관(305)의 치수에 따라, 광 모드(319)의 일부는 광 도파관(305)의 립 영역 내에 있는 것으로 도시되어 있으며, 광 모드(319)의 일부는 단일 이득 매질 물질 바(323) 내에 있으며, 단일 이득 매질 물질 바(323)와 광 도파관(305) 사이는 지극히 미미하게 결합되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단일 이득 매질 물질 바(323)의 일례는, 예를 들어 InP 또는 다른 적절한 III-V 물질 등의 p 타입 도핑된 III-V 반도체 물질을 포함한다. 일례에서, 단일 이득 매질 물질 바(323)는 또한 MQW(multiple quantum well) 물질을 포함한다. 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라 단일 이득 매질 물질 바(323)는 광 도파관(305)의 립 영역에 결합되어 이에 접해 있다. 도시된 바와 같이, 단일 이득 매질 물질 바(323)에는 컨택트(341)가 또한 결합되어 있다.
도 3에 도시된 예에서는, 본 발명의 개시물에 따라, 광 도파관(305)의 실리콘을 통해 전류 주입이 수행되어 레이저(325)를 동작시키고 전기적으로 펌프(pump)시키는 도전성 결합 설계가 도시되어 있다. 이와 같이, 실리콘 립 도파관(305)은 n 타입 도핑을 포함한다. 도시된 예에서, 컨택트들(343, 345)은 광 도파관(305)의 슬랩 영역의 외부 부분들에 결합되어 있다. 이에 따라, 본 발명의 개시물에 따라, 컨택트(341)를 통해, 그리고 단일 이득 매질 물질 바(323)를 통해, 그리고 n 타입 도핑된 광 도파관(305)을 통해 컨택트들(343, 345)에 전류가 주입되어 레이저(325)를 동작시키게 된다.
도 4는 본 발명의 개시물에 따라 광 변조기에 이용되는, pn 접합 계면(447)에서 공핍 영역(433)을 갖는 단일면의 공면 컨택트(413)를 갖는 광 도파관(427)을 포함하는 광 위상 변조기(401)의 일례를 일반적으로 나타낸 단면도이다. 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 도 1의 광 변조기들(113A, 113B, ...113N)의 광 위상 변조기들(115A, 115B, ...115N) 중 하나 이상 대신에 광 위상 변조기(401)가 이용될 수 있다.
도 4의 도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, pn 접합 계면(447)에서의 공핍 영역(433)은, 무선 주파수(RF) 소스(445)에 의해 인가되는 신호(455)를 이동시키는 데에 있어 실질적으로 제로의 외부 구동 전압이 존재할 때에 예시된 것이다. 예를 들면, n 타입 및 p 타입 도핑으로 인해, 공핍 영역(433)의 외부에 자유 전하 캐리어가 존재하는 동안, 공핍 영역(433) 내에는 실질적으로 자유 전하 캐리어가 존재하지 않는다. 이 예에서 도시된 바와 같이, 광 위상 변조기(401)는, 반대의 도핑 유형을 갖는 반도체 물질의 인접 영역들(403, 405)을 포함하는 광 도파관(427)을 포함한다. 예시된 예에서, 광 도파관(427)은, 립 영역(429) 및 슬랩 영역(431)을 포함하는 립 도파관으로서 도시되어 있다. 도시된 예에서 알 수 있는 바와 같이, 광 도파관(427)을 통한 광 빔의 전파 광 모드(421)의 강도는, 립 영역(429)의 "상부 코너" 뿐만 아니라 광 도파관(427)의 슬랩 영역(431)의 "측면들"에서도 아주 작다. 도시된 예에서, 광 빔은, 광 도파관(427)을 통해 "페이지 내로" 전파되는 것으로 도시되어 있다. 다른 예들에서는, 스트립 도파관 등의 다른 유형의 적절한 도파관이 이용될 수 있음을 알 수 있다. 일례에서, 반도체 물질은 실리콘(Si)을 포함한다. 예를 들면, 영역(403)은 n형 실리콘을 포함하고, 영역(405)은 p형 실리콘을 포함할 수 있어서, 공핍 영역(433)의 외부에서의 n형 실리콘의 자유 전하 캐리어들이 전자이고 공핍 영역(433)의 외부에서의 p형 실리콘의 자유 전하 캐리어가 정공으로 된다. 다른 예들에서, 반도체 물질은, 예를 들어 게르마늄(Ge), Si/Ge 등의 다른 적절한 유형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일례에서, 일례에서의 영역들(403, 405)은, 영역들(403, 405) 간의 pn 접합 계면(447)이, 구축된 전계로 인해 역 바이어스되도록 하는 도핑 농도를 갖는다. 다른 예에서, 영역들(403, 405)의 도핑의 극성은 본 발명의 개시물에 따라 역으로 될 수 있다.
도 4에서의 예는 또한, 광 위상 변조기(401)가 SOI 웨이퍼 내에 포함되며, 이에 따라 다른 반도체 층(409) 및 영역(405)의 반도체 물질 사이에 배치되는 매립 산화물 층(407)을 포함하는 것을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 광 위상 변조기(401)는 또한, 광 도파관(427)에 대한 클래딩(cladding) 물질로서 또한 기능하는 버퍼 층 절연 물질(423)을 포함한다. 도시된 예에서, 광 위상 변조기(401)는 또한, 광 도파관(427)을 통해 광 모드(421)의 광 경로 외부에 배치되는 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)을 포함한다. 광 도파관(421)을 통해 광 모드(423)의 광 경로의 외부에 배치된 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)에 의해서, 광 손실이 감소된다. 도시된 예에서, 더 높게 도핑된 영역들(437)은, 영역(403)과 동일한 유형의 도핑 유형인 n++ 도핑된 영역이며, 더 높게 도핑된 영역(441)은, 영역(405)과 동일한 도핑 유형(p)인 p++ 도핑된 영역이다. 도시된 예에서, 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)은, 광 도파관(427)을 따른 광 모드(421)의 광 경로 내의 영역들(403, 405)의 도핑 농도보다 더 높은 도핑 농도를 갖는다.
도시된 바와 같이, 더 높게 도핑된 영역들(441, 443)은 대칭적으로 서로 접해 있으며 영역(405)의 각 반대 측면들에 결합되어 있다. 이와 대조적으로, 본 발명의 개시물에 따르면, 더 높게 도핑된 영역은, 영역(403)의 두 개의 반대 측면들 중 하나에만 비대칭적으로 접해 있으며 이에 결합되어 있다. 광 위상 변조기는 또한 공면 컨택트들(413, 417, 419)을 포함하며, 이들은, 각각 비아들(449, 451, 453)을 통해 버퍼 층 절연 물질(423)을 통해 각각 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)에 결합되어 있다. 도시된 바와 같이, 공면 컨택트들(413, 417, 419)은 또한 광 도파관(427)을 통해 광 모드(421)의 광 경로의 외부에 위치되어 있다. 예를 들면, 공면 컨택트들(413, 417, 419)은 높은 전도성 및 낮은 저항을 갖는 금속을 포함한다. 도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, 공면 컨택트들(413, 417, 419)은 더 높은 주파수의 이동 파 신호 전송을 위해 설계된 금속 전극에 결합되며 이에 접속된다.
이 예에서 도시된 바와 같이, 공면 컨택트(413)의 일 단은, RF 소스(445)로부터 이동 파 신호(455)를 수신하도록 결합된다. 공면 컨택트(413)의 타 단은, 접지 등의 레퍼런스 전압에 연결된 부하 임피던스 혹은 종단 부하(457)로 종단된다. 또한, 공면 컨택트들(417, 419)은 접지 등의 레퍼런스 전압에 결합된다. 이에 따라, 영역들(403, 405) 사이의 pn 접합 계면(447)의 바이어스는, 본 발명의 개시물에 따라, 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)을 통해 이동 파 신호(455)를 통해 외부 구동 전압의 인가에 의해 조정된다. 본 발명의 개시물에 따라, 더 높은 도핑 농도의 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)은, 반도체 물질 영역들(403, 405)로의 공면 컨택트들(413, 417, 419)의 전기적 결합을 향상시키는 것을 돕는다. 본 발명의 개시물에 따라, 이 향상된 전기적 결합은, 금속 컨택트들(413, 417, 419)과 반도체 물질 영역들(403, 405) 사이의 컨택트 저항을 감소키며, 이로 인해 이동 파 신호(455)의 RF 감쇄를 감소시키며, 이에 의해 광 위상 변조기(401)의 전기적 성능을 향상시키게 된다. 본 발명의 개시물에 따라, 감소된 RF 감쇄 및 양호한 광 전기 파 속도 매칭은, 광 위상 변조기(401)에 대한 더 빠른 스위칭 시간과 디바이스 속도를 가능하게 해준다.
도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, 이동 파 신호(455)는, RF 소스(445)에 의해 공면 컨택트(413)의 일 단에 인가되어, 광 도파관(427)의 영역들(403, 405) 사이의 pn 접합 계면(447)에서의 공핍 영역(433)의 사이즈 또는 두께를 조정하게 된다. 도시된 바와 같이, 공핍 영역(433)은 광 도파관(427)를 통해 전파되는 광 빔의 광 모드(421)에 중첩된다. 도 4에 도시된 예시적인 디바이스에서, 광 파 및 RF 극초단파는 도파관을 따라 같이 전파된다. RF 위상 속도가 광 군 속도와 매칭되면, 광 빔은 인가된 전계에 응답하여 위상 편이하게 된다. 따라서, 본 발명의 개시물에 따르면 디바이스 속도는, RC 시상수에 의해 제한되지 않는다.
예를 들면, 공면 컨택트들(413, 417, 419)에 결합되는 더 높게 도핑된 영역들(437, 441, 443)에 대한 각 폭, 높이 및 상대적인 위치는, 속도 매칭을 얻도록 설계된다. 예를 들면, RF 위상 속도는 일반적으로 디바이스 인덕턴스 및 캐패시턴스에 의해 결정된다. 금속 컨택트 기하학적 구조 및 반도체와 유전체 층의 두께를 변화시킴으로써, 인덕턴스 및 캐패시턴스 값들이 변경될 수 있으며, 그 후 RF 위상 속도가 광 군 속도와 매칭될 수 있다. 이는, "실(real)" 위상 속도 매칭으로 칭해진다. 다른 예에서, 위상 속도는, 예를 들어 위상 반전된 전극 설계를 이용하여 "인위적으로" 매칭될 수 있다. 또한, 도핑 분포 및 금속 전극은 작은 RF 감쇄를 얻도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 개시물에 따라, 이동 파 구동 스킴을 이용할 때의 이익을 위해서는 6dB 미만이 필요하다.
예를 들면, 외부 구동 전압이 존재하지 않을 때, 혹은 이동 파 신호(455)로부터의 외부 구동 전압이 실질적으로 0일 때, 광 도파관(427)의 영역들(403, 405) 사이의 pn 접합 계면(447)에서의 공핍 영역(433)은 영역들(403, 405)의 도핑 농도에 의해 유발되는 구축 전계의 결과이다. 그러나, 본 발명의 개시물에 따라, 이동 파 신호(455)를 통해 제로가 아닌 외부 구동 전압이 인가되면, 광 도파관(427)의 영역들(403, 405) 사이의 pn 접합 계면(447)에서의 역 바이어스는 증가되며, 이로 인해 대응 공핍 영역(433)이 실질적으로 더 크게 되거나 혹은 더 두껍게 된다. 더 크거나 혹은 더 두꺼운 공핍 영역(433)으로 인해, 광 도파관(427)을 통해 광 경로를 따라 전파되는 광 빔(421)의 모드의 더 큰 단면 영역이, 자유 전하 캐리어가 거의 없는 공핍 영역과 겹치게 되어 이를 통해 전파된다.
본 발명의 개시물에 따라, 도시된 바와 같이, 구동 신호(445)에 응답하여 광 도파관(427)의 영역들(403, 405) 사이의 pn 접합 계면(447)에서의 공핍 영역(433)을 변조시킴으로써, 광 빔(421)이 향하게 되는 광 도파관(427)의 광 경로에 따른 자유 전하 캐리어들의 전체 농도가, 공핍 영역(433)의 사이즈를 변조함으로써 이동 파 신호(455)를 통해 인가되는 외부 구동 전압에 응답하여 변조된다. 이에 따라, 광 도파관(427)을 통해 광 경로를 따라 전파되는 광 빔(421)의 위상은, 본 발명의 개시물에 따라 이동 파 신호(455)에 응답하여 변조된다.
동작시, 광 빔은 공핍 영역(433)을 통해 광 경로를 따라 광 도파관(427)을 통과하도록 지시된다. 공면 컨택트(413)를 통해 광 도파관(427)에 이동 파 신호(455)가 인가되어, 공핍 영역(433)의 두께를 변조하거나 조정하며, 이로 인해 광 도파관(127)을 통한 광 경로를 따른 자유 전하 캐리어들의 존재 또는 부재를 조절하게 된다. 다르게 설명하면, 광 도파관(427)의 광 경로를 따른 전체 자유 전하 캐리어 농도는, 공면 컨택트(413)를 통해 광 도파관(427)에 인가되는 이동 파 신호(455)에 응답하여 조절된다. 광 빔이 광 도파관(427)을 통과하도록 지시된 광 경로를 따라 존재하거나 혹은 존재하지 않는 자유 전하 캐리어들은, 예를 들어 전자, 정공, 혹은 이들의 결합을 포함할 수 있다. 자유 전하 캐리어들이 존재하면, 통과하는 광 빔을 감쇄시킬 수 있다. 특히, 광 도파관(427)의 광 경로를 따른 자유 전하 캐리어들은, 광 빔의 에너지의 일부를 자유 전하 캐리어 에너지로 변환시킴으로써 광 빔을 감쇄시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 개시물에 따라, 이동 파 신호(455)에 응답하여 공핍 영역(433) 내의 자유 전하 캐리어들의 부재 또는 존재가 광 빔을 변조할 것이다.
도시된 예에서, 광 도파판(427) 내의 자유 전하 캐리어들을 통과하거나, 혹은 자유 전하 캐리어가 없는 광 도파관(427)을 통과하는 광 빔의 위상은 플라즈마 분산 효과에 의해 변조된다. 플라즈마 분산 효과는, 광 도파관(427) 내의 광 빔의 광 경로를 따라 존재할 수 있는 자유 전하 캐리어들과 광 전계 벡터 간의 상호 작용에 의해 발생된다. 광 빔의 전계는, 자유 전하 캐리어들이 극성을 갖게 하며, 이는 효과적으로 매질의 국부적 유전 상수의 섭동(perturb)을 일으킨다. 이는 그 후 광 파의 전파 속도 및 이에 따른 광의 굴절율에 대한 섭동을 발생시키는데, 그 이유는, 굴절율이 단순히, 매질 내의 광의 속도에 대한 진공 내의 광의 속도의 비율이기 때문이다. 따라서, 광 디바이스(401)의 광 도파관(427)에서의 굴절율은 자유 전하 캐리어들의 변조에 응답하여 변조된다. 광 디바이스(401)의 광 도파관(427)에서의 변조된 굴절율은 이에 따라 광 위상 변조기(401)의 광 도파관(427)을 통해 전파되는 광 빔의 위상을 변조한다. 또한, 자유 전하 캐리어들은 전계에 의해 가속화되며, 광 에너지가 다 사용됨에 따라 광 전계가 흡수된다. 일반적으로 굴절율 섭동은, 속도 변화를 유발하는 부분인 실수부와, 자유 전하 캐리어 흡수와 관련되는 허수부를 갖는 복소수이다. 위상 시프트량 Φ는 이하와 같이 주어진다.
Figure 112008086782238-PCT00001
여기서, λ는 광 파장이며, Δn은 굴절율 변화이며, L은 상호작용 길이이다. 실리콘에서의 플라즈마 분산 효과의 경우, 전자(ΔNe) 및 정공(ΔNh) 농도 변화로 인한 굴절율 변화 Δn은 이하와 같이 주어진다.
Figure 112008086782238-PCT00002
여기서, no는 진성 실리콘의 굴절율이며, e는 전자 전하이며, c는 광의 속도이며, εo는 자유 공간 유전율이며, me * 및 mh *는 각각 전자 및 정공 유효 질량이며, be 및 bh는 피팅 파라미터들(fitting parameters)이다. 실리콘에서의 자유 전하 캐리어들로 인한 광 흡수 계수 변화 Δα는 이하와 같이 주어진다.
Figure 112008086782238-PCT00003
여기서, μe는 전자 이동도이며, μh는 정공 이동도이다.
일례에서, 광 도파관(427)의 사이즈는, 0.5㎛×0.5㎛ 등의 치수처럼 비교적 작아서, 더 나은 광 위상 변조 효율이 가능하게 된다. 전술한 바를 요약하면, 더 높게 도핑된 영역(437)은, 영역(403)의 두 측면들 중 하나만이 더 높게 도핑된 영역에 결합되기 때문에, 영역(403)에 비대칭적으로 접하여 결합되어 있다. 이와 대조적으로, 영역(405)의 양쪽 측면들은 더 높게 도핑된 영역들(441, 443)에 접하여 결합되어 있다. 본 발명의 개시물에 따르면, 영역(403)에 대한 이 단일면 컨택트는 대칭적 양면 컨택트보다 훨씬 더 낮은 캐패시턴스를 가지며 또한 전기 신호와 광 신호 간의 원하는 위상 매칭을 달성하는 것을 돕기 때문에, 더 나은 드라이버- 전송선 전력 결합을 위한 더 작은 RF 감쇄 및 더 큰(일례에서는 25 또는 50 Ohms에 가까움) 특성 임피던스가 발생된다.
본 발명의 개시물에 따라 이용되는 이동 파 구동 스킴은, 광 디바이스(101)의 RC 시상수 캐패시턴스 한계를 극복하는 것을 도와서, 역 바이어싱된 pn 접합 변조기의 대략 5ps 미만의 상승/하강 시간과 40GHz 이하의 더 빠른 변조 속도를 실현하게 된다. 광 위상 변조기에 의해 이용되는 이동 파 구동 스킴을 이용하여, 광 신호 및 극초단파 신호 양쪽 모두가 도파관(427)을 따라 같이 전파된다. 광 군 속도가 RF 위상 속도와 일치하는 경우, RF 감쇄는, 광 디바이스(401)의 RF 시상수 대신에 광 위상 변조기(401)의 진정한 속도를 결정할 것이다. 공면 컨택트(413) 등의 이동 파 전극의 RF 특성은 pn 접합 및 금속 패턴 양쪽 모두에 크게 의존하기 때문에, 본 발명의 개시물에 따라 신중한 디바이스 설계가 이용된다. 또한, 본 발명의 개시물에 따라, 이동 파 전극, 즉 공면 컨택트(413)의 임피던스는, 일례에서 더 나은 극초단파 전력 결합을 위해 RF 소스(445)의 RF 드라이버 임피던스와 매칭되도록 최적화된다.
이 예에서 도시된 바와 같이, 공면 컨택트(413)는, Z0의 전송선 임피던스를 갖는, 광 위상 변조기에 대한 이동 파 전극으로서 기능한다. RF 소스(445)는 Z1의 부하 임피던스를 가지며, 종단 부하(457)는 Z2의 부하 임피던스를 갖는다. 일례에서, Z1의 부하 임피던스는, 본 발명의 개시물에 따라 대략 25-50 Ohms이다. 공면 컨택트(413)는, 역 바이어싱된 pn 접합 계면(447)으로 인해 공면 도파관과 마이크 로스트립(microstrip)이 결합된 것이다. 도시된 바와 같이, 공면 컨택트(413)는, 이동 파 신호(455)를 광 도파관(427)에 전달하기 위해 n++ 더 높게 도핑된 영역(437)에 결합되는 비아(449)를 갖는 광 도파관(427) 및 pn 접합 계면(447)의 상부 상의 공면 컨택트들(417, 419) 사이에 배치되어 있다. 공면 컨택트들(417, 419)은 접지를 위한 두 개의 측면 금속 플레이트로서 기능한다. 일례에서, 공면 컨택트(413)는 대약 6㎛의 넓이이다. 공면 컨택트(413)와 측면 공면 컨택트들(417, 419) 사이의 갭은 대략 3㎛이다. 공면 컨택트들(413, 417, 419)의 두께는 대략 1.5㎛이다. 절연 물질(123)을 통과하는 비아들(449, 451, 453)의 높이는 대략 3㎛이다.
도 5는 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저를 포함하는 예시적인 광학계(551)를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저 어레이의 일례는, 도 1에서 전술한 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저와 유사하다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같은 단일 반도체 층(103)은 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N)을 포함하는 광 칩이며, 이들 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N) 위에는 단일 이득 매질 물질 바(123)가 본딩되어서 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N) 내에 각각 복수의 광 빔들(119A, 119B, ...119N)을 생성하는 광대역 레이저들의 어레이를 생성하게 된다. 본 발명의 개시물에 따라, 복수의 광 빔들(119A, 119B, ...119N)은 변조되고, 그 후 복수의 광 빔들(119A, 119B, ...119N)의 선택된 파장들은 멀티플렉서(117)에서 결합되어서 단일의 광 빔(121)을 출력하게 되는데, 이 단일의 광 빔(121)은 단일의 광 섬유(553)를 통해 외부 광 수신기(557)로 전송될 수 있다. 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저는, 1 Tb/s보다 빠른 속도로 단일 광 섬유(553)를 통해 단일의 광 빔(121) 내에 포함되는 다중 파장으로 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들면, 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저 내에 포함되는 광 변조기들(113A, 113B, ...113N)은 40 Gb/s로 동작하며, 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저의 용량은 N × 40 Gb/s로 될 것인데, 여기서 N은 도파관 기반 레이저 소스들의 총 수이다. 일례에서, 복수의 광 도파관들(105A, 105B, ...105N)은, 단일 반도체 물질 층(30) 내에서 대략 50-100㎛ 이격되어 있다. 따라서, 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 광 데이터의 전체 버스는, 4nm 미만의 반도체 물질(103)을 갖는 집적된 반도체 변조기 다중 파장 레이저로부터 전송될 수 있다.
도 5는 또한, 본 발명의 개시물에 따라, 광학계(55)의 예에서, 단일 반도체 층(103)이 단일 광섬유(555)를 통해 외부 광 송신기(559)로부터 광 빔(521)을 수신하도록 또한 결합될 수 있음을 도시하고 있다. 따라서, 도시된 일례에서, 단일 반도체 층(103)은 본 발명의 개시물에 따라 작은 폼 팩터 내의 매우 높은 용량의 송신기-수신기이다. 도시된 예에서, 외부 광 수신기(557) 및 외부 광 송신기(559)는 동일한 칩(561) 내에 존재하는 것으로 도시되어 있음에 주목한다. 다른 예에서는, 외부 광 수신기(557) 및 외부 광 송신기(559)가 개별적인 칩들 상에 존재할 수 있음을 알 것이다. 도시된 예에서, 수신된 광 빔(521)은 디멀티플렉서(517)에 의해 수신되며, 이 디멀티플렉서(517)는 수신된 광 빔(521)을 복수의 광 빔들(519A, 519B, ...519N)로 분할한다. 일례에서, 복수의 광 빔들(519A, 519B, ...519N)은, 디멀티플렉서(517)에 의해 그들의 각각의 파장에 따라 분할되며, 그 후 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N)을 통과하도록 지시된다.
이 예에서 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광 검출기들이 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N) 각각에 광학적으로 결합되어서, 각각의 복수의 광 빔들(519A, 519B, ...519N)을 검출한다. 특히, 일례에서, 광검출기들(563A, 563B, ...563N)의 어레이는 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N)에 광학적으로 결합된다. 일례에서, 광 검출기들(563A, 563B, ...563N)의 어레이는, 복수의 광 빔들(519A, 519B, ...519N)을 검출하기 위한 SiGe 광검출기들 등을 포함한다.
이 예에서 도시된 바와 같이, 다른 단일 반도체 물질 바(523)가 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N)을 가로질러 단일 반도체 물질 층(103)에 결합되어서, 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N)에 광학적으로 결합되는 광 검출기들의 어레이를 형성할 수 있다. 일례에서, 반도체 물질의 단일 바(523)는, 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N)에 광학적으로 결합되는 III-V 광 검출기들을 생성하기 위한 III-V 반도체 물질을 포함한다. 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 복수의 도파관들(105A, 105B, ...105N)을 가로질러 반도체 물질의 단일 바(123)를 본딩하는 데에 이용되는 것과 유사한 기법 및 기술을 이용하여 반도체 물질의 단일 바(523)가 단일 반도체 물질 층(103)에 본딩될 수 있다. 본 발명의 개시물에 따라, 도시된 바와 같이, 복수의 광 도파관들(505A, 505B, ...505N)에 광학적으로 결합되는 SiGe 및 III-V 기반 광 검출기들을 이용하여, 복수의 광 빔들(519A, 519B, ...519N)에 대한 각종 파장이 검출될 수 있다.
도 5에 도시된 예에서, 본 발명의 개시물에 따라, 단일 반도체 물질 층(103) 내에 제어 회로(561)가 또한 포함되거나 집적될 수 있다. 예를 들면, 일례에서, 단일 반도체 물질 층(103)은 실리콘이며, 제어 회로(561)는 실리콘에 직접 집적될 수 있다. 일례에서, 본 발명의 개시물에 따라, 제어 회로(561)는, 단일 반도체 물질 층(103) 내에 배치되는 다중 파장 레이저 어레이, 복수의 파워 모니터들, 복수의 광 변조기들, 광 검출기들의 어레이들 또는 그 밖의 디바이스들 또는 구조체들 중 임의의 하나 이상을 제어 및/또는 모니터링하도록 전기적으로 결합될 수 있다.
전술한 상세한 설명에서, 본 발명의 방법 및 장치는 본 발명의 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 더 넓은 정신 및 범주로부터 벗어나지 않고 그에 대한 각종 변경 및 수정이 행해질 수 있음은 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 제한이 아니라 예시인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 단일 반도체 물질 층(single layer of semiconductor material) 내에 배치된 복수의 광 도파관들 ― 상기 복수의 광 도파관들 각각은 상기 광 도파관을 따라 규정된 광 공동(optical cavity)을 포함함 ―;
    상기 복수의 광 도파관들을 가로질러 상기 단일 반도체 물질 층에 인접하여, 상기 복수의 광 도파관들 각각을 따른 이득 매질-반도체 물질 계면(gain medium-semiconductor material interface)을 규정하는 단일 이득 매질 물질 바(single bar of gain medium material); 및
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 광 변조기들 ― 상기 복수의 광 변조기들 각각은 상기 복수의 광 도파관들 각각에 광학적으로 결합되어 상기 광 공동으로부터 보내진 각각의 광 빔을 변조함 ―
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 멀티플렉서를 더 포함하며, 상기 멀티플렉서는 상기 복수의 광 변조기들에 광학적으로 결합되어, 상기 복수의 광 변조기들 각각으로부터 수신된 광 빔들을 결합시키는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 멀티플렉서는, 파장 선택식 배열형 도파관 격자(arrayed waveguide grating; AWG)를 포함하여서, 상기 복수의 광 변조기들 각각으로부터 수신된 광 빔들이 광대역 레이저 출력으로 되며, 상기 파장 선택식 AWG의 출력은 상기 변조된 복수의 광 빔들로부터의 선택된 파장들을 갖게 되는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단일 반도체 물질 층은, 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator) 웨이퍼의 실리콘 층을 포함하며, 상기 단일 이득 매질 물질 바는, 상기 단일 반도체 물질 층에 본딩되며 상기 복수의 광 도파관들 각각에 지극히 미미하게(evanescently) 결합된 단일 III-V 반도체 물질 바의 다중 양자 우물 이득 칩(multiple quantum well gain chip)을 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 디멀티플렉서;
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치되며 상기 디멀티플렉서에 광학적으로 결합된 제2 복수의 광 도파관들; 및
    상기 제2 복수의 광 도파관들에 의해 수신된 광 빔들을 수신하도록 상기 제2 복수의 광 도파관들에 광학적으로 결합된 제1 복수의 광 검출기들
    을 더 포함하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단일 반도체 물질 층은 실리콘을 포함하며, 상기 제1 복수의 광 검출기들은, 상기 제2 복수의 광 도파관들을 가로질러 상기 단일 반도체 물질 층에 인접하여, 상기 제2 복수의 광 도파관들 각각을 따른 III-V 반도체-실리콘 계면을 규정하는 제2 단일 III-V 반도체 물질 바를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 공동은, 상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 반사기들 사이에서 상기 광 도파관 내에 규정되는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 공동은, 상기 단일 반도체 물질 층 내의 상기 광 도파관에 광학적으로 결합된 링 공진기를 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광 변조기들에 결합되는, 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 제어 회로를 더 포함하는 장치.
  10. 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 제1 광 도파관을 따라 규정된 제1 광 공동 내에 제1 광 빔을 레이징(lasing)하는 단계;
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 제2 광 도파관을 따라 규정된 제2 광 공동 내에 제2 광 빔을 레이징하는 단계 ― 상기 제1 및 제2 광 도파관들은 상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 광 도파관들 내에 포함하며, 단일 이득 매질 물질 바가, 상기 복수의 광 도파관들을 가로질러 상기 단일 반도체 물질 층에 인접하여, 상기 복수의 광 도파관들 각각을 따른 이득 매질-반도체 물질 계면을 규정함 ―; 및
    상기 제1 및 제2 광 도파관들에 광학적으로 결합되는, 상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 제1 및 제2 광 변조기들 각각을 이용하여 상기 제1 및 제2 광 빔들을 변조하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 멀티플렉서를 이용하여 상기 제1 및 제2 광 변조기들로부터 수신된, 선택된 파장들을 갖는 상기 변조된 제1 및 제2 광 빔들을 결합시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광 빔들을 레이징하는 단계는, 상기 단일 반도체 물질 층 과 상기 단일 이득 매질 물질 바 중 적어도 하나를 통해 전류를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 디멀티플렉서를 이용하여 광 빔을 수신하는 단계;
    상기 디멀티플렉서에 의해 수신된 광 빔을 복수의 수신 광 빔들로 분리하는 단계 ― 상기 복수의 수신 광 빔들 각각은 서로 다른 파장을 가짐 ―; 및
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 각각의 하나 이상의 광 검출기를 이용하여 상기 서로 다른 파장을 갖는 상기 복수의 수신 광 빔들 각각을 검출하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  14. 광학계로서,
    광 레이저들의 어레이를 포함하는 광 칩
    을 포함하며,
    상기 광 칩은,
    단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 광 도파관들 ― 상기 복수의 광 도파관들 각각은 상기 광 도파관을 따라 규정된 광 공동을 포함함 ―;
    상기 복수의 광 도파관들을 가로질러 상기 단일 반도체 물질 층에 인접하여, 상기 복수의 광 도파관들 각각을 따른 이득 매질-반도체 물질 계면을 규정하는 단일 이득 매질 물질 바;
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 광 변조기들 ― 상기 복수의 광 변조기들 각각은 상기 복수의 광 도파관들 각각에 광학적으로 결합되어, 상기 광 도파관 각각 내에 규정된 상기 광 공동으로부터 보내진 각각의 광 빔을 변조함 ―;
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 멀티플렉서 ― 상기 멀티플렉서는, 상기 복수의 광 변조기들 각각으로부터 수신된, 선택된 파장들을 갖는 광 빔들을 결합시키도록 상기 복수의 광 변조기들에 광학적으로 결합됨 ―;
    상기 멀티플렉서로부터 상기 결합된 광 빔들을 수신하도록 광학적으로 결합된 외부 광 수신기; 및
    상기 외부 광 수신기 및 상기 멀티플렉서의 출력 사이에 광학적으로 결합된 광섬유
    를 포함하는 광학계.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광 칩은, 상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 복수의 파워 모니터들을 더 포함하며, 상기 복수의 광 파워 모니터들 각각은 상기 복수의 광 도파관들 각각에 광학적으로 결합되어 상기 광 공동으로부터 보내진 각각의 광 빔을 모니터링하는 광학계.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 광 칩 내의 상기 단일 반도체 물질 층은, 실리콘-온-인슐레이터 웨이퍼의 실리콘 층을 포함하며, 상기 단일 이득 매질 물질 바는, 상기 단일 반도체 물질 층에 본딩되며 상기 복수의 광 도파관들 각각에 지극히 미미하게 결합되는 단일 III-V 반도체 물질 바의 다중 양자 우물 이득 칩을 포함하는 광학계.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 광 칩은,
    외부 광 송신기로부터 광 빔을 수신하고 상기 수신된 광 빔을 복수의 수신 광 빔들로 분리하도록 광학적으로 결합되는, 상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치된 디멀티플렉서 ― 상기 수신 광 빔들 각각은 서로 다른 파장을 가짐 ―;
    상기 단일 반도체 물질 층 내에 배치되며 상기 디멀티플렉서에 광학적으로 결합된 제2 복수의 광 도파관들; 및
    상기 수신 광 빔들을 검출하도록 상기 제2 복수의 광 도파관들에 광학적으로 결합된 제1 복수의 광 검출기들
    을 더 포함하는 광학계.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광 칩 내의 상기 단일 반도체 물질 층은 실리콘을 포함하며, 상기 제1 복수의 광 검출기들은, 상기 제2 복수의 광 도파관들을 가로질러 상기 단일 반도체 물질 층에 인접하여, 상기 제2 복수의 광 도파관들 각각을 따른 III-V 반도체-실리 콘 계면을 규정하는 제2 단일 III-V 반도체 물질 바를 포함하는 광학계.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광 칩은, 상기 단일 반도체 물질 층 내에 광학적으로 배치된 제2 복수의 광 검출기들을 더 포함하며, 상기 제2 복수의 광 검출기들은 상기 수신 광 빔들을 수신하도록 상기 제2 복수의 광 도파관들에 광학적으로 결합되는 광학계.
  20. 제14항에 있어서,
    레이저들의 어레이 또는 상기 복수의 광 변조기들 중 하나 이상에 결합되는, 단일 반도체 물질 층 내에 배치되는 제어 회로를 더 포함하는 광학계.
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