KR20110007617A - 마이크로 링 레이저의 시스템 및 방법 - Google Patents

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치안판 수
마르코 피오렌티노
래이몬드 지. 보솔레일
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

전기적으로 펌핑되는 레이저 시스템을 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 본 시스템은 실리콘 마이크로-링 공진기를 포함한다. III-V족 반도체 물질로 형성되는 양자 우물이 마이크로-링 공진기와 광학적으로 결합하여, 광학 이득을 제공한다. III-V 족 반도체 물질로 형성되어 제1 유형의 캐리어로 도핑되는 사다리꼴 형태의 버퍼가 양자 우물에 광학적으로 결합된다. 링 전극은 사다리꼴 형태의 버퍼에 결합된다. 사다리꼴 형태의 버퍼는 링 전극이 마이크로-링 공진기의 광학 모드로부터 실질적으로 분리되도록 한다.

Description

마이크로 링 레이저의 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A MICRO RING LASER}
지난 수 십년 사이에 계산력과 데이터 저장 용량이 지수함수적으로 증가됨에 따라서, 상응하는 저장 데이터 량 또한 지수함수적으로 증가되었다. 한때 텍스트 파일과 몇 개의 저해상도 픽쳐의 영역이었던 컴퓨터가, 이제는 때로는 수천 개의 고해상도의 픽쳐들과 수시간의 비디오를 저장하기 위해 사용되고 있다. 고해상도 비디오를 보기 위해 텔레비젼 셋트가 업그레이드되고 있다. 광학 디스크의 새로운 세대들이 고해상도 비디오를 보유하도록 개발되었다. 디스크는 각 면에 50 기가바이트 정도까지 많은 데이터를 보유할 수 있다. 이는 고해상도 포맷으로 수시간의 비디오를 저장하는데 충분하다. 증가하는 정보량을 저장하기 위하여 더욱 더 고 밀도의 저장 포맷이 개발되고 있다.
광대한 디지털 정보량을 이동시키고 전송하는 것은, 더욱 더 도전적이 되고 있다. 매년, 다른 장치들과 디지털적으로 통신가능한 더 많은 전자장치들이 활용가능하게 되고 있다. 컴퓨터, 고해상도 텔레비젼, 고해상도 라디오, 디지털 뮤직 플레이어, 휴대용 컴퓨터, 및 많은 기타 유형의 장치들을 포함하는 전자장치들이 대량의 정보를 송수신하도록 설계되었다. 많은 컴퓨터들은 이제 가정을 통해 방송되는 광대역 인터넷을 수신하고 있다. 텔레비젼은 케이블 및 광섬유로부터 다수의 고해상도 신호를 수신하고 있다.
컴퓨터에 저장된 광대한 양의 데이터를 송신하고 텔레비젼과 기타의 전자장치들에 방송하기 위해서, 더욱 더 빠른 레이트로 데이터가 송신된다. 그러나, 송신 속도가 데이터의 폭발을 따라잡지는 못한다. 예를 들어, 광학 디스크로부터 홈 엔터테인먼트 시스템으로 보통 15 기가바이트의 고해상도 영화를 송신하기 위해, 초당 100 메가비트가 20분간 송신되어야 한다. 많은 사용자들에 있어서, 영화를 전송하는데 20분이 걸리는 것은 부담스러운 것일 수 있다.
마찬가지로, 컴퓨터 시스템 내의 프로세서, 메모리, 기타의 칩들, 및 컴퓨터 보드 사이의 더 높은 대역폭 통신이 요구된다. 컴퓨터 칩들 간의 대량의 디지털 정보를 이동시키기 위해 소요되는 시간량을 줄이는 하나의 방법은, 더 빠른 속도로 정보를 송신하는 것이다. 그러나, 적당한 시간에 대용량의 데이터를 이동시킬 수 있는 송신 속도는 역사적으로 너무 고가이어서, 소비자 전자장치에서 광범위하게 사용될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 III-V 실리콘 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 구조를 사용하여 활성화되는 광학 모드의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 도파관에 소멸 결합되는 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템의 상면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 사다리꼴 형태의 버퍼를 갖는 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 나타낸 구조를 사용하여 활성화되는 광학 모드의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택된 파장의 광을 활성화하기 위한 전기 펌프 레이저를 형성하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
실리콘 상의 광전기적인 집적은 칩 상에 광학 배선 시스템 및 기타의 대규모 광자 시스템을 구축하기 위해 사용되는 기법이다. 집적된 광자 시스템은 통상적으로 보다 저비용의 집적이 용이한 전기 펌프 레이저 소오스를 사용한다. 그러나, 실리콘은 그 기본적인 물성에 의해 제한되므로, 레이저 동작에서 사용되는 전기 펌프 광학 이득을 효율적으로 제공할 수 없다. 따라서, 실리콘 플랫폼 상에 위치되는 III-V족 반도체 등의 이득 재료의 하이브리드 집적이 온-칩 전기 펌프 레이저를 구축하기 위해 사용될 수 있다.
집적된 전기 펌프 레이저 소오스가 시장성을 갖기 위해서는, III-V족 이득 물질을 실리콘 상에 집적하는 공정이 비교적 저가이고 구현하기 용이할 필요가 있다. 일 실시예에 있어서, 본 발명은 1 GHz 보다 큰 속도에서 직접 변조될 수 있는 비교적 소형의 온-칩 레이저 소오스로서 사용될 수 있는 마이크로-링 공진기를 만드는 시스템 및 방법을 제공한다. 칩을 통해서, 그 후 오프-칩으로 도파관 및 이웃하는 전자 장치들에 대하여 정보를 보내기 위해, 링 공진기를 이용한 전기 펌프 레이저 소오스가 사용될 수 있다. 링 공진기를 이용한 전기 펌프 레이저 소오스는, 칩-본딩에서 통상 필요로 되는 바와 같이, 접착 단계에서 중요한 정렬을 필요치 않는 웨이퍼-접착에 의존하므로, 비교적 저가에 구현될 수 있다.
도 1은 하이브리드 III-V 실리콘 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템(100)의 단면도를 나타낸다. 본 예에 있어서, 실리콘 기판(102)이 레이저 시스템을 지지하도록 도시되어 있다. 반도체 제조 공정에서 사용되는 기타 유형의 기판은 본 발명의 범주 내에 해당하는 것으로 간주된다. 실리콘 기판 상에 하부 클래딩(104)이 형성될 수 있다. 하부-클래딩의 표면 상에 실리콘 마이크로-링 공진기(105)가 구축될 수 있다. 하부-클래딩은 실리콘 마이크로-링 공진기 내에 광을 실질적으로 가두기 위하여 사용된다.
하부-클래딩은, 실리콘 마이크로-링 공진기의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지며, 공진기에 주입되는 광의 파장에서 실질적으로 투명한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이산화규소를 이용하여 하부-클래딩이 형성될 수 있다. 다른 방법으로서, 질화 규소와 같은 물질 또는 상기 요구조건을 충족하는 또 다른 물질로 하부-클래딩이 형성될 수 있다. 마이크로-링 공진기의 내부(120) 및 외부(106) 영역은 공진기의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지며, 공진기에 주입되는 광의 파장에서 실질적으로 투명한 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 마이크로-링 공진기의 내부 및 외부 영역은 공기 또는 진공으로 형성될 수 있다. 다른 방법으로, 이산화규소 또는 질화 규소 등의 또 다른 물질이 사용될 수 있다.
실리콘 마이크로-링 공진기(105)는 마이크로-링 공진기에 의해 전송되는 광의 파장보다 약간 작거나 이에 대략 비례하는 반경을 가질 수 있다. 다른 방법으로서, 실리콘 마이크로-링 공진기의 반경은 광의 파장보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 광의 파장은 1.54 마이크로미터일 수 있으며, 광을 전달하기 위하여 구성되는 마이크로-링 공진기의 반경은 약 3 마이크로미터일 수 있다. 실리콘 마이크로-링 공진기의 통상적인 치수는 광의 파장과 기타의 설계 고려사항에 따라서 2.5 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터까지 변동할 수 있다. 광의 다른 파장으로서는, 원격 통신에 주로 사용되는 1.31 마이크로미터 파장 등이 사용될 수도 있다. 실리콘 마이크로-링 공진기는 심적외광(deep infrared)에서 자외광까지 범위의 광의 파장을 전달하도록 설계될 수 있다.
마이크로-링 공진기(105)와 광학적으로 결합되는 양자 우물(112)에 걸쳐서 PN 접합이 구축될 수 있다. 양자 우물은, 원래 3차원에서 자유 이동하였던 캐리어들을 2차원으로 가두어, 이들이 강제적으로 평탄한 영역을 점유하도록 하는 포텐셜 우물이다. 이들의 준이차원적(quasi-two dimensional) 성질로 인하여, 양자 우물 내의 전자들은 벌크 물질보다 더 예리한 밀도 상태를 갖는다. 양자 우물 구조는 반도체의 밀도 상태를 변경하기 위하여 사용되며, 그 결과로서, 종래의 이중 헤테로구조 등의 다른 유형의 구조들보다 더 적은 캐리어들(전자 및 정공들)이 레이저 문턱치에 도달할 것을 요구하는 개선된 반도체 레이저를 가져온다. 양자 우물은 인듐 인화물(indium phosphide), 인듐 비화 갈륨 인화물(indium gallium arsenide phosphide), 등의 III-V족 물질로 구성될 수 있다. 개시된 실시예에서는, 이해할 수 있는 바와 같이, 단일의 또는 복수의 양자 우물이 사용될 수 있다. 양자 우물(112)은 버퍼층(108)에 접합되는 웨이퍼일 수 있다. 양자 우물을 버퍼층에 접합하는 웨이퍼는 전술한 바와 같이 장치 제조에 있어서 더 낮은 허용오차를 제공할 수 있다.
2개의 콘택트(108, 114)에 의해 형성되는 PN 접합은 또한, 물질을 캐리어로 도핑된, III-V족 물질로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, n-도핑된 콘택트(108)가 실리콘 마이크로-링 공진기(105) 상에 바로 위치될 수 있다. n-도핑된 콘택트를 전달하기 위하여 지지부(118)가 사용될 수 있다. n-도핑된 콘택트 상에 양자 우물(112)이 위치되어 마이크로-링 공진기와 공동선형(collinear)으로 정렬되어, 양자 우물이 마이크로-링 공진과와 광학적으로 결합하도록 할 수 있다. n-도핑된 콘택트로부터 양자 우물의 반대측에 p-도핑된 콘택트(114)가 위치되어 PN 접합을 형성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 양자 우물은 진성층(intrinsic layer)로 간주될 수 있다. p-콘택트, n-콘택트, 및 양자 우물은 또한 PIN 접합으로 간주될 수 있다.
전극(116 및 110)이 도 1에 도시된 바와 같이 위치되어 PN 접합을 순방향 바이어스시켜 양자 우물(112) 내에 캐리어들을 제공할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전극은 금속 물질로 형성될 수 있다. 다른 방법으로서, 양자 우물에 전류를 주입하기 위하여 실질적으로 도전성의, 비금속 물질 또는 합성물이 사용될 수도 있다. 중앙 전극(116)은 p-콘택트(114)에 결합되어 양자 우물 및 마이크로-링 공진기(105)와 동축으로 위치될 수 있다. 중심 전극의 외연과 마이크로-링 공진기의 내연과의 사이의 거리(117)는 대략 0.3 내지 1.0 마이크로미터일 수 있다. 외부 전극(110)은 마이크로-링 공진기 외부에 위치될 수 있다. 외부 전극은 양자 우물로부터 0.5 내지 1.0 마이크로미터의 거리(113)만큼 분리될 수 있다. n-콘택트(108), 양자 우물(112), 및 p-콘택트의 결합 두께(115)는 대략 0.2 내지 0.4 마이크로미터일 수 있다. 전극들은 PN 접합을 순방향 바이어스시켜 양자 우물에 전류를 주입하기 위하여 사용될 수 있다. 명백하게는, n-도핑된 콘택트 및 p-도핑된 콘택트가 전환되어 역방향 바이어스 됨으로써 동일한 결과를 성취할 수 있다.
종래의 전기 펌프 다이오드 레이저에 있어서, 반도체 물질과 접촉하는 전극들은 높은 광손실을 갖는다. 따라서, 전극들은 보통 공진기의 광학 모드로부터 분리되어 있다. 이는 광학 공진기의 중심으로부터 전극들이 수 마이크로미터 떨어져 위치되어야 함을 의미한다. 도 1에 도시된 전기 펌프 레이저 시스템(100)에 있어서, 양자 우물(112) 이득 매체가 실리콘계 마이크로-링 공진기(105) 상부에 접착된다.
상부 전극으로부터의 모드 분리는 통상적으로 양자 우물과 중심 전극 사이에 비교적 두꺼운 버퍼층을 사용한다. 이러한 버퍼층은 실리콘에 가까운 굴절율을 갖는다. 이러한 두꺼운 버퍼층이 있음으로 인해, 광학 모드가 마이크로-링 공진기의 빡빡하게 굴곡된 경로를 따르는 것이 아니라 이러한 버퍼층으로 퍼지게 되므로, 마이크로-링 공진기 내의 광을 가두는 능력을 심하게 제한할 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위한 이전의 시도들은 2 밀리미터가 넘는 둘레를 갖는 링 공진기를 구축하는 것을 포함하였다. 이러한 사이즈의 링 공진기는 마이크로칩에 집적되기에 꽤나 큰 것이다. 또한, 대형의 링 공진기는 통상적으로 온-칩 및 오프-칩 통신에서 필요로 되는 충분히 높은 고속에서 변조될 수가 없다.
도 1에 도시된 구조는 수평 방향으로 전극들을 변위시킴으로써 양자 우물(112)로부터 중심 전극(116)이 분리되도록 한다. 콘택트 전극들 중 일방(도 1의 p-전극(116))이 실리콘 링 내부에 배치된다. 타방의 전극이 전술한 바와 같이 링의 외부에 배치된다. 양측 전극은 광학 모드가 안내되는 실리콘 링(105)으로부터 대략 0.3 내지 1.0 마이크로미터의 거리에 위치된다. 이는 III-V족 물질의 비교적 얇은 층이 광학 모드와 중첩하도록 실리콘 링의 상부에 위치되도록 하여, 레이징(lasing)을 성취하는데 필요한 광학 이득을 제공하게 한다. 이러한 얇은 이득층은, 마이크로-링 캐비티 내에서 굴곡되고 갇혀 있도록 유지하는 광학 모드의 능력에 크게 영향을 주지 않는다. 모델링과 시뮬레이션에서는, 도 1에 도시된 구조의 마이크로-링 공진기는 2.5 마이크로미터 이하의 반경을 가질 수 있다는 것을 나타내었다.
도 2는 도 1에 도시된 구조를 이용하여 시뮬레이션된 광학 모드의 단면도를 나타낸다. 실리콘 마이크로-링 공진기(105)의 제1 측면은, 실질적으로 실리콘 마이크로-링 공진기 내에서 전달되는 광학 모드(202)와 함께 도시되어 있다. 광학 모드의 실제 사이즈는 마이크로-링 공진기에 의해 지지되는 모드의 종류와 공진기 내의 광의 파장에 의존한다. 광학 모드의 부분이 n-콘택트(108)를 통해서 양자 우물(112)에 연장할 수 있다. 전술한 바와 같이, 양자 우물은 단일 또는 복수의 양자 우물 구성일 수 있다. 양자 우물에 연장하는 광학 모드의 부분은 PN 접합이 직류에 순방향 바이어스됨에 따라 증폭되어, 양자 우물로 흘러들어가고 양자 우물에 결합하는 광학 모드의 부분을 전기적으로 펌핑시킬 수 있다. 양자 우물 내의 광은 증폭되어 공진기에 반송된다. 광학 모드는 양자 우물에 소멸적으로(evanescently) 결합될 수 있다.
도 3은 하이브리드 III-V 실리콘 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템(100)의 상면도이다. 마이크로-링 공진기(105)의 중심에 중심 전극(116)이 도시되어 있다. 중심 전극(116)과 외부 전극(110) 사이에 n-콘택트(108)의 부분이 도시되어 있다. 레이저 시스템 부근에 광학 도파관(302)이 위치되어, 마이크로-링 공진기 내의 증폭된 광이 도파관에 소멸적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 레이저 시스템으로부터 도파관으로 소멸적으로 결합되는 광량이 증가되도록 도파관 주위의 랩(wrap)이 사용될 수 있다. 도파관은 광의 파장의 1/3보다 작은 거리(306)에 위치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도파관은 마이크로-링 공진기(105)로부터 0.200 마이크로미터(200 나노미터)의 거리에 위치될 수 있다. 도파관의 폭(304)은 0.450 내지 0.500 마이크로미터 정도일 수 있다. 레이저 공진기로부터 집적 회로의 다른 부분들에 또는 회로 보드 상의 근처의 칩들 또는 다른 성분들에 광(308)을 전달하기 위하여 사용될 수 있다.
하이브리드 III-V 실리콘 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템(100)의 구조는 이전의 하이브리드 레이저 시스템에 대하여 수개의 장점을 제공한다. 첫번째로, 레이저의 콤팩트한 사이즈는 칩 상에서 큰 공간을 점유하지 않고서 다수의 레이저-온-칩 시스템들의 대규모 집적을 가능하게 한다. 두번째로, 실리콘 마이크로-링 공진기(105)는 산업 표준 CMOS와 호환가능한 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 세번째로, 마이크로-링 공진기의 작은 부피는, 변조된 신호를 양자 우물을 둘러싸는 PN 접합에 대하여 인가함으로써 저전력, 고속(> 1GHz)의 레이저의 직접 변조를 가능하게 한다. 이는 비교적 높은 레이트로 저렴하게 데이터가 송신되도록 하여, 집적된 전기 시스템들에서 발생하는 대역폭 병목현상을 줄이거나 감소시킨다. 네번째로, 마이크로-링 공진기(105)는 레이스트랙(racetrack) 구성 등의 다른 하이브리드 실리콘 레이저 구성보다 훨씬 큰 종축 모드 간격을 제공한다. 종축 모드 간격은 마이크로-링 공진기 길이에 반비례한다. 더 큰 모드 간격은 단일 종축모드 레이징을 가능하게 하여, 훨씬 더 높은 품질의 레이저 광이 마이크로-링 공진기에서 출력되는 결과를 가져올 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 하이브리드 III-V 실리콘 마이크로-링 전기 펌프 레이저 시스템(400)의 추가 구조가 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 단면도에 도시된 실시예는, 실리콘 마이크로-링 공진기(405)에 광학적으로 결합되는 하부-클래딩(404)에 결합되는 기판(402)을 포함한다. 하부-클래딩층은 실리콘 마이크로-링 공진기의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지며, 마이크로-링 공진기 내의 레이저 광의 파장에서 실질적으로 광학적으로 투명한 물질로 형성된다. 공진기에 대하여 내부 갭(420)과 외부 갭(406)이 도시되어 있다. 내부 갭 및 내부 갭은, 공기, 진공, 이산화규소, 질화규소 등의, 실리콘 마이크로-링 공진기의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지며, 공진기 캐비티 내의 레이저 광의 파장에서 실질적으로 광학적으로 투명한 물질로 형성될 수 있다.
III-V 족 반도체 물질로 형성되고 제1 종류의 캐리어로 도핑된 사다리꼴 형태의 버퍼(414)가 도시되어 있다. 캐리어는 n-타입 캐리어 또는 p-타입 캐리어 중 어느 것일 수 있다. 사다리꼴 형태의 버퍼(414)는 양자 우물(412)에 광학적으로 결합된다. III-V족 반도체 물질로 형성되며 제1 캐리어에 반대되는 전하를 갖는 제2 캐리어로 도핑된 제2 버퍼(408)가 양자 우물(412)과 실리콘 마이크로-링 공진기(405) 사이에 위치된다. 제2 버퍼는 실리콘 마이크로-링 공진기의 양측과 인터페이스하기에 충분한 길이를 갖는다.
사다리꼴 형태의 버퍼(414)와 제2 버퍼(408)는 PN 접합을 형성하도록 구성되는데, 사다리꼴 형태의 버퍼와 제2 버퍼 사이에 양자 우물(412)이 위치되어 있다. PN 접합은 캐리어들이 양자 우물에 주입되도록 공급하여, 실리콘 마이크로-링 공진기(405) 내에서 광에 대한 광학 이득을 제공한다.
사다리꼴 형태의 버퍼(414)의 협소한 단부에 링 전극(410)이 전기적으로 결합된다. 링 전극은 금속 또는 또 다른 전도성이 높은 물질 또는 합성물로 형성될 수 있다. 사다리꼴 형태의 버퍼의 넓은 단부는 양자 우물(412)과 직접 접촉한다. 양자 우물, 사다리꼴 형태의 버퍼, 및 링 전극 모두는 실리콘 마이크로-링 공진기(405) 위에서 링을 형성한다. 마이크로-링 공진기의 중심 부근에 중심 전극(416)이 위치되며, 공진기 상부에 위치하는 제2 버퍼(408)와 접촉한다. 중심 전극의 위치는, 중심 전극과 링 전극 사이에 바이어스 전위를 인가함으로써 캐리어들이 양자 우물에 주입되도록 한다.
사다리꼴 형태의 버퍼(414)는 사다리꼴 또는 삼각형을 가질 수 있다. 버퍼는, 예를 들어, 약한 이방성의 에칭 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수 레벨을 형성하도록 버퍼가 에칭될 수 있는데, 각각의 증가하는 레벨이 감소하는 길이를 가지도록 피라미드형 버퍼를 형성한다.
도 5는 도 4에 도시된 구조를 이용하여 활성화되는 광학 모드의 단면도를 나타낸다. 실리콘 마이크로-링 공진기(405)의 일 측면은 실리콘 마이크로-링 공진기 내에서 전달되는 광학 모드(502)의 일부로서 도시되어 있다. 광학 모드의 실제 사이즈는 마이크로-링 공진기에 의해 지원되는 모드의 유형과 공진기 내의 광의 파장에 의존한다. 광학 모드의 부분이 n-콘택트(408)을 통해 양자 우물(412)에 또한 사다리꼴 형태의 버퍼(414)에 연장할 수 있다. 여기서, 사다리꼴 형태의 버퍼는 피라미드 형태의 버퍼를 형성하도록 복수의 에칭 단계를 이용하여 생성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 도 4에 도시된 시스템은 양자 우물(412) 내에 위치되는 광학 모드(502)의 양에 있어서 도 1에 도시된 시스템에 대해 큰 개선을 제공한다. 사다리꼴 형태의 버퍼(414)의 높이 및 형태와 함께, 마이크로-링 공진기(405), 제2 버퍼(408), 및 양자 우물(412)의 두께는 양자 우물 내에 최대 전자기 에너지량를 갖는 광학 모드의 영역이 위치될 수 있도록 할 수 있다. 최고 밀도의 광학 모드가 양자 우물 내에 위치되도록 시스템을 구축하는 것은, 레이저의 효율에 있어서 큰 개선을 제공한다. 양자 우물의 기초적인 모드의 제한율(confinement factor)은 대략 35%이며, 이는 다른 유형의 III-V 족 실리콘 하이브리드 레이저 시스템보다 크게 높은 것이다. 도 5에 도시된 구조의 형태는 광학 모드가 양자 우물(412) 및 사다리꼴 형태의 버퍼(414)와 직접 결합시킨다. 직접적인 광학 결합은 광학 모드에 대하여 실리콘 마이크로-링 공진기(405)와 양자 우물 사이의 소멸 결합을 통해 성취될 수 있는 것보다 실질적으로 더 높은 전력을 제공한다.
사다리꼴 형태의 버퍼(414)의 형태는 광학 모드의 제한율을 최대화하도록 선택될 수 있다. 상부가 더 좁은 사다리꼴 형태의 버퍼는 기본 모드를 하향으로 이동시키게 된다. 역으로, 상부가 더 넓은 사다리꼴 형태의 버퍼는 기본 모드가 사다리꼴 버퍼 내에서 더 높게 위치될 수 있도록 한다. 또한, 도 5에 도시된 구조는 단일의 저손실 모드인 기본적인 횡단 전기 모드(TE 모드)만을 제공한다. 사다리꼴 버퍼의 형태로 인하여, 버퍼-전극 전이에 있어서, 크게 감소된 광량이 소실된다. 테스트에서는 알루미늄 중심 전극(410)에서의 손실이 대략 0.4 dB/cm를 나타내었다.
TE 분극은 양자 우물로부터 높은 광학 이득을 갖는다. 횡단 자기(TM) 모드 및 더 높은 차수(order)의 모드는 기본적인 TE 모드보다 더 높은 2 차수의 크기의 손실들을 갖는다. 따라서, 기본적인 TE 모드만이 레이징되게 된다. 실질적으로, 양자 우물 영역의 모두는 광학 모드와 효율적으로 상호작용한다. 따라서, 양자 우물에 주입되는 실질적인 펌프 전류량이 광자를 활성화하기 위해 사용되어, 실질적으로 높은 펌프 효율을 가져온다. 양자 우물(412) 내의 광학 모드(502)의 제한율은 35%보다 더 클 수 있다. 더 통상적인 제한 레벨은 20% 로부터 40%에 근접할 때까지 변동할 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 실리콘 마이크로-링 공진기로부터 활성화된 광은, 도 3에 도시되어 전술된 바와 같이, 소멸 결합을 통해 도파관에 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 선택된 파장의 광을 활성화하기 위한 전기 펌프 레이저를 형성하는 방법(600)이 도 6에 도시된 바와 같이 개시된다. 본 방법은, 실리콘 마이크로-링 공진기의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 하부-클래딩 상에 실리콘 마이크로-링 공진기를 형성하는 동작(610)을 포함한다. 본 방법은 제1 버퍼층을 실리콘 마이크로-링 공진기와 결합시키는 동작(620)을 더 포함한다. 제1 버퍼층은 제1 유형의 캐리어로 도핑된 III-V족 반도체 물질로 형성된다. 추가의 동작으로서, 양자 우물이 실리콘 마이크로-링 공진기에 광학적으로 결합되도록 하여, 양자 우물을 제1 버퍼층에 부착하는 동작(630)을 포함한다.
본 방법(600)은 양자 우물에 대하여 제2 버퍼층을 연결하는 동작(640)을 더 포함한다. 제2 버퍼층은 제1 유형의 캐리어와 반대인 전하를 갖는 제2 유형의 캐리어로 도핑된 III-V족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 제2 버퍼층은 양자 우물에 결합되는 넓은 영역과 넓은 영역과는 반대의 좁은 영역을 가지는 사다리꼴 형태를 가질 수 있다. 본 방법은 사다리꼴 형태의 제2 버퍼층의 좁은 영역에 링 전극을 결합시키는 동작(650)을 더 포함한다. 추가의 동작으로서는, 실리콘 마이크로-링 공진기의 중심 주위의 중심 전극을 포함하여, 선택된 파장의 광의 증폭을 제공하도록 캐리어들이 중심 전극과 링 전극 사이의 양자 우물에 주입되도록 하는 동작(660)을 제공한다.
상기 예들은 하나 이상의 특정 적용예에 있어서 본 발명의 원리를 설명하고 있지만, 당업자라면, 창작력의 실시없이 또한 본 발명의 원리와 개념을 일탈하지 않고서, 형태, 사용, 및 구현의 세부사항에 있어서 다수의 변형예가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에 명기된 청구항에 의하는 바를 제외하고는 본 발명을 한정하고자 한 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 전기적으로 펌핑되는 하이브리드 III-V족 실리콘 레이저 시스템으로서,
    실리콘 마이크로-링 공진기(405);
    광학 이득을 제공하도록 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)에 광학적으로 결합되는 III-V족 반도체 물질로 형성되는 양자 우물(412);
    제1 유형의 캐리어로 도핑되는 III-V족 반도체 물질로 형성되는 사다리꼴 형태의 버퍼(414) - 상기 사다리꼴 형태의 버퍼(414)는 상기 양자 우물(412)에 광학적으로 결합됨 -; 및
    상기 사다리꼴 형태의 버퍼(414)에 결합되는 링 전극(410) - 상기 사다리꼴 형태의 버퍼(414)는 상기 링 전극(410)이 상기 마이크로-링 공진기(405)의 광학 모드로부터 실질적으로 분리되도록 함 -
    을 포함하는 실리콘 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유형의 캐리어에 반대되는 전하를 갖는 제2 유형의 캐리어로 도핑된 III-V족 반도체 물질로 형성되는 제2 버퍼(408)를 더 포함하며, 상기 제2 버퍼(408)는 상기 양자 우물(412)과 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405) 사이에 위치되는 실리콘 레이저 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405), 상기 제2 버퍼(408), 상기 양자 우물(412), 및 상기 사다리꼴 형태의 버퍼(414)의 높이는, 단일의 기본적인 TE(transverse-electric) 모드의 레이저 광이 상기 공진기(405) 내에서 전파할 수 있도록 선택되고, 상기 양자 우물(412) 내에서 레이저 광의 증가된 증폭을 제공하도록 상기 양자 우물(412) 내에 TE 모드에서의 최대 전자기 에너지량이 위치되는 실리콘 레이저 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 버퍼(408)에 결합되며 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)의 내부에 위치되는 중심 전극(416)을 더 포함하여, 상기 중심 전극(416)과 상기 링 전극(405)과의 사이에 바이어스 전위를 인가함으로써 상기 양자 우물(412)에 캐리어들이 주입되게 하는 실리콘 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사다리꼴 형태의 버퍼(414)는 복수의 레벨을 포함하고, 각각의 증가하는 레벨은 감소하는 길이를 가져 피라미드형의 버퍼를 형성하는 실리콘 레이저 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피라미드형 버퍼는 상기 복수의 레벨을 형성하도록 복수의 단계(step)를 에칭함으로써 형성되는 실리콘 레이저 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405) 아래에 위치되는 하부-클래딩층(404)을 더 포함하며, 상기 하부-클래딩층(404)은 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지며, 상기 마이크로-링 공진기(405) 내의 레이저 광의 파장에서 실질적으로 광학적으로 투명한 물질로 형성되는 실리콘 레이저 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로-링 공진기(405)로부터의 레이저 광을 광학 도파관(302)에 소멸적으로 결합시키도록 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)에 충분히 가깝게 위치되는 상기 광학 도파관(302)을 더 포함하는 실리콘 레이저 시스템.
  9. 선택된 파장의 광을 활성화하기 위하여, 전기적으로 펌핑되는 하이브리드 III-V족 실리콘 레이저를 형성하는 방법으로서,
    실리콘 마이크로-링 공진기(405)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 하부-클래딩(404) 상에 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)와 제1 버퍼층(408)을 결합시키는 단계 - 상기 제1 버퍼층(408)은 제1 유형의 캐리어로 도핑된 III-V족 반도체 물질로 형성됨 -;
    상기 제1 버퍼층(408)에 양자 우물(412)을 부착하는 단계 - 상기 양자 우물은 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)에 광학적으로 결합됨 -;
    상기 양자 우물(412)에 제2 버퍼층(414)을 연결하는 단계 - 상기 제2 버퍼층(414)은 상기 제1 유형의 캐리어와 반대의 전하를 갖는 제2 유형의 캐리어로 도핑된 III-V족 반도체 재료로 형성되며, 상기 제2 버퍼층(414)은 상기 양자 우물(412)에 결합되는 넓은 영역 및 좁은 영역을 갖는 사다리꼴 형태를 가짐 -;
    상기 사다리꼴 형태의 제2 버퍼층(414)의 상기 좁은 영역에 링 전극(410)을 결합시키는 단계; 및
    상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)의 중심 부근에 중심 전극(416)을 포함시켜, 상기 중심 전극(416)과 상기 링 전극(410) 사이의 상기 양자 우물(412)에 캐리어들이 주입되도록 하여, 상기 선택된 파장의 광의 증폭을 제공하는 단계
    를 포함하는 실리콘 레이저 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    복수의 레벨을 에칭함으로써 상기 제2 버퍼층(414)의 사다리꼴 형태를 형성하는 단계를 더 포함하고, 각각의 증가하는 레벨이 감소하는 길이를 가져 피라미드 형태의 버퍼를 형성하는 실리콘 레이저 형성 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    단일의 기본적인 TE 모드에서 최대의 전자기 에너지량이 상기 양자 우물(412) 내에 위치되어, 상기 양자 우물(412) 내에서 증가된 광 이득을 제공하도록, 좁은 상단 부분이 상기 단일의 기본적인 TE 모드를 향하도록 하여 상기 제2 버퍼층(414)의 사다리꼴 형태를 형성하는 단계를 더 포함하는 실리콘 레이저 형성 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405) 내의 광이 광학 도파관(302)에 소멸적으로 결합되도록 하여 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)로부터 레이저 광이 지향되도록, 상기 광학 도파관(302)을 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(405)에 충분히 가깝게 위치시키는 단계를 더 포함하는 실리콘 레이저 형성 방법.
  13. 전기적으로 펌핑되는 하이브리드 III-V족 실리콘 레이저 시스템으로서,
    실리콘 마이크로-링 공진기(105);
    광학 이득을 제공하도록 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(105)와 광학적으로 결합되는 III-V족 반도체 물질로 형성되는 양자 우물(112);
    제1 유형의 캐리어로 도핑되는 III-V족 반도체 물질로 형성되는 제1 버퍼(114) - 상기 제1 버퍼(114)는 상기 양자 우물(112)에 결합됨 -;
    제2 유형의 캐리어로 도핑되는 III-V족 반도체 물질로 형성되는 제2 버퍼(108) - 상기 제2 버퍼(108)는 상기 양자 우물(112)과 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(105) 사이에 위치됨 -; 및
    상기 실리콘 마이크로-링 공진기(105)의 중심에 위치되며, 상기 제1 버퍼(114)에 결합되는 중심 전극(116) - 상기 제1 버퍼(114)는 상기 중심 전극(116)이 상기 마이크로-링 공진기(105)의 광학 모드로부터 실질적으로 분리되도록 함 -
    을 포함하는 실리콘 레이저 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 버퍼(108)에 결합되며, 상기 마이크로-링 공진기(105)로부터 선택된 거리에 위치되는 외부 전극(110)을 더 포함하는 실리콘 레이저 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 마이크로-링 공진기(105)로부터의 레이저 광이 광학 도파관(302)에 소멸적으로 결합할 수 있도록, 상기 실리콘 마이크로-링 공진기(105)에 충분히 가깝게 위치되는 상기 광학 도파관(302)을 더 포함하는 실리콘 레이저 시스템.
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