KR20120054030A - 전자 조종 기능을 갖는 수직 광학 방출 광자 디바이스 - Google Patents

전자 조종 기능을 갖는 수직 광학 방출 광자 디바이스 Download PDF

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피에트로 에이지 베르나스코니
영 카이 첸
크리스토퍼 알 도에르
데이비드 티 닐슨
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알까뗄 루슨트
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Abstract

광학 광자 디바이스는 상부에 도광 레이어를 갖는 평면 반도체 기판, 도광 레이어의 제 1 레이저 광 소스, 도광 레이어의 도파로 부분에 의해 제 1 레이저 광 소스에 광학적으로 커플링된 수직 커플러를 포함한다. 수직 커플러는 제 1 레이저 광 소스로부터 광 빔을 수신하고 평면 기판의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 광 빔을 재지향시키도록 구성된다.

Description

전자 조종 기능을 갖는 수직 광학 방출 광자 디바이스{VERTICAL OPTICALLY EMITTING PHOTONIC DEVICES WITH ELECTRONIC STEERING CAPABILITY}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 "전자 조종 기능을 갖는 수직 광학 방출 광자 디바이스(VERTICAL OPTICALLY EMITTING PHOTONIC DEVICES WITH ELECTRONIC STEERING CAPABILITY)"라는 발명의 명칭으로 2009년 9월 2일자에 출원된 US 가출원 번호 61/239,301에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 출원으로 양도되고 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 명세서는 일반적으로, 광자 디바이스(photonic devices) 및 더 구체적으로는, 수직 광학 방출 광자 디바이스 및 이를 사용한 방법 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 섹션은 본 발명의 더 양호한 이해를 용이하게 하도록 도움이 될 수 있는 양상을 소개한다. 따라서, 본 섹션의 서술은 이러한 견지에서 판독될 것이다. 본 섹션의 서술은 종래 기술에 있는 것인지 또는 아닌지에 관한 인정으로서 이해되지 않을 것이다.
광학 빔 조종기(optical beam steerers)는 종종 마이크로 전기 기계 시스템(micro-electrical mechanical systems;MEMS), 유체 결정(liquid crystal;LC)시스템, 음향 광학(acousto-optic;AO)시스템, 전자 광학(electro-optic;EO)시스템, 또는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting lasers;VESEL)과 같은, 주입 동기 레이저 시스템(injection locked laser systems)에 기초한다. 하지만, 광학 빔 조정에 대한 이들 접근 방식의 각각은 문제점을 가질 수 있다. 예를 들어, 많은 비디오 애플리케이션에 대해 MEMS의 속도가 매우 느려질 수 있고 정교한 아날로그 조종을 필요로 하는 애플리케이션에 대해서는 오히려 더 느려질 수 있다. MEMS는 또한 다중 빔을 용이하게 생성할 수 없다. LC 시스템의 빔 퀄리티(quality)는 높을 수 있고, 다중 빔을 생성할 수 있으며, 조종 속도는 비디오에 대해 충분히 빠르다. 하지만, LC 시스템은 매우 온도에 민감하고 레이저와 같은 다른 광학 컴포넌트와의 통합을 처리하지 못할 수도 있다. 반면 조종이 빠를 수 있다면 빔 퀄리티는 양호할 수 있지만, AO 시스템으로 2차원에서 조종하고/거나 다중 빔을 생성하기 어려울 수 있다. 반면 속도가 빠를 수 있다면, 현재 EO 빔 조종은 1차원(1D) 조종에 제한되는 것으로 나타난다. 광자집적회로(photonic integrated circuit;PIC)를 사용한 빔 조종을 위해 VCSEL을 사용하는 것에 대한 단점은 사전 설명된 광학 위상 오프셋을 갖는 평면 도파로를 사용하는 주입 동기가 어려울 수 있고, 개별적인 전자 위상 제어를 도입하기 어려울 수 있다는 것이다.
일 실시예는 광학 광자 디바이스이다. 디바이스는 상부에 도광 레이어(light-guiding layer)를 갖는 평면 반도체 기판과, 도광 레이어의 제 1 레이저 광 소스와, 도광 레이어의 도파로 부분에 의해 제 1 레이저 광 소스에 광학적으로 커플링된 수직 커플러를 포함한다. 수직 커플러는 제 1 레이저 광 소스로부터 광 빔을 수신하고 광 빔을 평면 기판의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 재지향(redirect)시키도록 구성된다.
다른 실시예는 광자 디바이스를 사용하는 방법이다. 이 방법은 평면 광자 디바이스 기판의 표면에 수직인 방향으로 광 빔을 방출시키는 단계를 포함한다. 방출은 평면 기판상에 위치된 도광 레이어에서 제 1 레이저의 광 빔을 발생시키는 단계를 포함한다. 방출은 또한 도광 레이어의 도파로 부분을 거쳐 수직 커플러로 광 빔을 측면으로 전송하는 단계를 포함한다. 방출은 또한 실질적으로 수직인 방향으로 수직 커플러를 거쳐 광 빔을 재지향시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예는 광자 디바이스를 제조하는 방법이다. 이 방법은 평면 반도체 기판상에 도광 레이어를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제 1 레이저를 위한 격자 구조를 적어도 형성하기 위해 도광 레이어의 부분으로 도펀트를 주입하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 도광 레이어 상에서 또는 도광 레이어 내에서 수직 커플러를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제 1 레이저 광 소스 및 도파로 구조를 형성하도록 도광 레이어를 패터닝(patterning)하는 단계를 포함하며 이는 제 1 레이저 광 소스와 수직 커플러를 광학적으로 커플링한다.
본 명세서의 실시예는 첨부된 도면과 함께 판독될 때, 다음의 구체적인 내용으로부터 가장 잘 이해된다. 대응 또는 유사 번호 또는 부호는 대응 또는 유사 구조를 나타낸다. 다양한 특징은 비례로 도시될 수 없으며 논의의 명료성을 위해 크기에 있어서 임의로 증가시키거나 축소시킬 수 없다. 이제 첨부한 도면과 함께 취해져 다음의 내용에 대한 참조가 이루어질 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 명세서의 예시적인 광학 광자 디바이스의 단면도를 나타낸다.
도 1c는 도 1b에서 도시된 디바이스와 같은 광학 광자 디바이스의 예시적인 마이크로렌즈의 단면도 및 평면도를 도시한다.
도 2는 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스와 같은, 본 명세서의 예시적인 광자 디바이스의 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다.
도 3은 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스와 같은, 본 명세서의 예시적인 광자 디바이스의 개략적인 레이아웃의 투시도를 나타낸다.
도 4 내지 도 8은 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스와 같은, 본 명세서의 예시적인 광자 디바이스의 예시적인 개략적 레이아웃의 평면도를 나타낸다.
도 9는 도 1 내지 도 8에서 도시된 바와 같이 본 명세서의 광자 디바이스를 사용하는 예시의 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 10은 도 1 내지 도 8에서 도시된 바와 같이 본 명세서의 광자 디바이스를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 11a는 본 명세서의 예시적인 광자 디바이스의, 개략적인 레이아웃 및 개념적 도면을 각각 나타내고 이는 1D 격자 및 집적 진폭 변조기를 갖는 수직 커플러를 포함한다.
본 내용 및 도면은 본 발명의 원리를 단지 도시할 뿐이다. 따라서 당업자는 다양한 구성을 고안할 수 있을 것이고, 비록 본 명세서에서 명시적으로 설명되거나 도시되지 않을 것이지만, 이는 본 발명의 원리를 구현하고 이의 범위 내에 포함된다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에서 언급된 모든 예시는 본 기술분야를 구체화하기 위해 발명자에 의해 제시된 개념 및 본 발명의 원리를 이해하는 것에 있어서 독자들을 돕기 위해 정확하게 오직 교시의 목적이 되도록 주로 의도되고, 이러한 특정하게 언급된 예시 및 조건에 대한 제한이 없는 것으로서 해석된다. 또한, 본 명세서에서 원리, 양상, 및 본 발명뿐만 아니라 이들의 특정 예시의 실시예를 언급한 모든 설명은, 이들의 등가물을 포함하는 것으로 의도된다. 추가로, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "또는(or)"이라는 용어는, 별도로 나타내지 않으면, 배타적인 또는(or)을 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 설명된 다양한 실시예가 반드시 상호 배타적인 것은 아니어서, 일부 실시예는 새로운 실시예를 형성하기 위해 하나 이상의 다른 실시예와 통합될 수 있다.
본 명세서의 일 실시예는 광학 광자 디바이스이다. 도 1a 및 도 1b는 본 명세서의 예시적인 광학 광자 디바이스(100)의 단면도를 나타낸다. 디바이스(100)는 상부에 도광 레이어(110)를 갖는 평면 반도체 기판(105)을 포함한다. 디바이스(100)는 또한 도광 레이어(110) 내의 제 1 레이저 광 소스(115) 및 수직 커플러(120)를 포함한다. 수직 커플러(120)는 도광 레이어(110)의 도파로 부분에 의해 제 1 레이저 광 소스(115)에 광학적으로 커플링된다. 수직 커플러(120)는 제 1 레이저 광 소스(115)로부터 광 빔(125)을 수신하고 평면 기판(105)의 표면(135)에 실질적으로 수직(예를 들어, 90±10도)인 방향(130)으로 광 빔을 재지향시키도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 레이저 광 소스(115)로부터의 광 빔(125)은 도광 레이어(110)를 거쳐 측면 방향(137)으로 이동할 수 있고 그 후 수직 방향(130)으로 재지향될 수 있다. 수직으로 재지향된 광은 종종 본 명세서에서 수직 방출으로서 지칭된다.
제 1 레이저 광 소스(115)는 분산 피드백(distributed feedback;DFB) 레이저, 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector;DBR) 레이저, 반도체 광학 증폭기(semiconductor optical amplifier;SOA) 또는 임의의 다른 주파수 조정가능 코히런트(coherent) 광 방출 소스가 될 수 있다. 제 1 레이저는 종종 본 명세서에서 마스터 레이저 또는 마스터 발진기(master oscillator;MO)로서 지칭된다.
일부 실시예에서, 평면 반도체 기판(105)의 적어도 일부분은 도광 레이어(110)에 대한 더 낮은 클래딩 레이어로서 구성되고 디바이스(100)는 상위 클래딩 레이어(140)를 더 포함할 수 있다(도 1a). 기판(105)(또는 기판의 더 낮은 클래딩 레이어) 및 상위 클래딩 레이어(140)는 도광 레이어(110)의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 갖는다. 일부 경우에 상위 클래딩 레이어(140)는 기판(105)(또는 더 낮은 클래딩 레이어로서 구성되는 기판 부분)의 굴절률과 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는다.
일부 실시예에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 수직 커플러(120)는 상기 도광 레이어(110)에 인접하거나 내부에 위치된 격자(145)를 포함한다. 격자(145)는 제 1 레이저 광 소스(115)로부터 실질적으로 수직인 방향(130)으로 광 빔(125)을 재지향시키도록 구성된다. 격자(145)는 도광 레이어(110) 내에 존재할 수 있다. 또는, 레이어가 도광 레이어(110) 내부에서 이동하는 광 빔(125)에 영향을 줄 만큼 충분히 가까운 한, 격자(145)는 인접 레이어(예를 들어, 기판(105) 또는 상위 클래딩 레이어(140))내에 존재할 수 있다. 격자(145)의 실시예는 1차원 격자 또는 2차원 격자를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 1b에서 도시된 바와 같이, 수직 커플러(120)는 도광 레이어(110)에 인접한 또는 내부에 위치한 미러(mirror)(150)를 포함한다. 미러(150)는 제 1 레이저 광 소스(115)로부터 실질적으로 수직인 방향(130)으로 광 빔(125)을 재지향시키도록 구성된다.
도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같이, 디바이스의 일부 실시예는 수직 커플러(120)에 광학적으로 커플링된 마이크로렌즈(155)를 더 포함할 수 있다. 마이크로렌즈(155)는 실질적으로 수직인 방향(130)으로 수직 커플러(120)로부터 방출된 광 빔(125)을 콜리메이트(collimate)하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈(155)는 도파 레이어(110)에 인접한 레이어(예를 들어, 도 1a의 클래딩 레이어(140), 또는 도 1b의 기판(105))에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서 마이크로렌즈는 도파 레이어(110)에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 마이크로렌즈(155)는 기판(105)의 외부 표면(135)(예를 들어, 도 1b) 또는 상위 클래딩 레이어(140)(예를 들어, 도 1a), 또는 도파 레이어(110)(도시되지 않음) 내에 일련의 동심원 릿지(concentric ridges)(160)를 포함하는 회절 렌즈일 수 있다. 일부 경우에, 릿지(160)는 원형 동심원 릿지이다. 다른 경우에, 도 1c의 자세한 단면 및 평면도에서 도시된 바와 같이, 기판의 평면에 대해 90도 외의 각도(예를 들어, 약 80에서 89도 또는 약 91도에서 110도)로 수직 커플러(125)로부터 방출된 광 빔(125)를 수신하기 위해 렌즈(155)의 릿지(160)는 비대칭 동심원 릿지(예를 들어, 타원형 또는 다른 비원형 패턴)가 될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같이, 광 빔 조정을 용이하게 하도록, 디바이스(100)는 제 1 레이저 광 소스(115)와 수직 커플러(120) 사이의 광 통로에 위치한 위상 변조기(165)를 더 포함한다. 위상 변조기(165)는 종종 본 명세서에서 페이즈 쉬프터(phase shifter)로서 지칭되거나 또는 그리스 문자 파이(φ)와 함께 도시된다.
일부 실시예에서, 페이즈 쉬프터(165)는 전자 광학 변조기(예를 들어, 포켈 변조기(pockel modulator))와 같은 선형 위상 변조기이다. 다른 실시예에서, 페이즈 쉬프터(165)는 캐리어 주입 위상 변조기이다. 낮은 주입 전류에서, 캐리어 주입 위상 변조기는 주입 전류의 선형 함수로서 광 빔의 위상을 변조시킬 수 있지만, 반면 더 높은 주입 전류에서, 위상 변조는 주입 전류의 비선형 함수가 될 수 있다. 일부 경우에서 전자 광학 위상 변조기와 비교하여 캐리어 주입 위상 변조기를 사용하는 것의 장점은 빔 조정을 위해 충분히 큰 위상 편이(phase shift)를 유도하기 위해 비교적 더 짧은 도파로 길이 및 더 작은 주입 전류가 사용될 수 있다는 것이다. 결국, 이는 소형 디바이스의 설계를 용이하게 한다. 일부 경우에서 전자 광학 위상 변조기와 비교하여 캐리어 주입 위상 변조기를 사용하는 것의 단점은 큰 주입 전류에서, 자유 캐리어가 광(125)을 흡수할 수 있다는 것이다. 반면 전자 광학 위상 변조기(163)는 광(125)을 흡수하기 쉽지않지만, 이들은 위상 변조의 유사한 각도를 달성하기 위해 더 긴 도파로 길이 또는 더 큰 인가 전류의 사용을 필요로 할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 1a 및 도 1b에서 도시되는 바와 같이, 광 빔 조정을 용이하게 하도록, 디바이스(100)는 제 1 레이저 광 소스(115)와 수직 커플러(120) 사이의 광 통로에 위치된 진폭 변조기(170)를 더 포함한다. 진폭 변조기는 제 1 레이저 광 소스(115)로부터, 일부 실시예에서는, 디바이스(100)의 광 변조기(165)으로부터 직접 광 빔(125)을 수신하도록 구성된다. 진폭 변조기(170)의 실시예는, DFB, DBR, 또는 링 레이저, 또는 SOA와 같은, 하나 이상의 제 1 레이저를 포함한다. 제 1 레이저(115) 및 광학적으로 커플링된 제 2 레이저(170)는 종종 본 명세서에서 마스터 및 슬레이브 레이저로서 각각 지칭되는데, 왜냐하면 제 1 레이저(115)는 제 1 레이저(115)의 레이징(lazing) 주파수에서 주입 동기(injection-lock) 제 2 레이저(170)(또는 레이저들)로 사용될 수 있기 때문이다.
일부 실시예에서 진폭 변조기(170)가 링 레이저이거나 링 레이저를 포함하는 것이 유리한데 왜냐하면 링 레이저는 반사 손실에 기인하여 광 빔(125)에서 더 낮은 출력 손실을 가질 수 있기 때문이다. 비교하면, DFB 또는 DBR 진폭 변조기(170)는 제 1 레이저(115)를 향해 되돌아가는 상당한 양의 광(125)을 반사시킬 수 있다. 광출력에서의 손실 외에 반사된 광은 제 1 레이저(115)을 가열시킬 수 있고 결국 레이저를 불안정하게 만들 수 있다.
일부 경우에, 도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같이, 진폭 변조기(170)는 제 1 레이저 광 소스(115) 및 수직 커플러(120)로부터 개별 구조라는 점에서 이산(discrete)일 수 있다. 예를 들어, 이산 진폭 변조기(170)는 도광 레이어(110)의 하나 이상의 도파 부분에 의해 다른 활성 디바이스 구조로 분리될 수 있다.
하지만 다른 경우에, 진폭 변조기(170)의 실시예(예를 들어, 제 2 DFB 레이저, DRB 레이저 또는 링 레이저)가 수직 커플러(120)와 통합될 수 있다(도 1a 및 도 1b에서 도시되지 않음). 예를 들어 수직 커플러(120)에 대한 격자(145) 패턴은 실질적으로 수직인 방향(130)으로 광 빔(125)을 지향시킬 뿐만 아니라 광 빔(125)을 진폭 변조시키도록, 예를 들어, 빔 조종을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 통합된 구성을 용이하게 하기 위해, 격자(145)의 패턴은 비대칭으로 배열된 또는 비대칭 형상을 갖는 요소(예를 들어, 홀, 포스트, 릿지, 트렌치)를 포함할 수 있다. 예를 들어, DFB, DRB 또는 링 레이저에 적합한 격자를 구비함으로써 예를 들어, 격자(145)는 광 빔(125)을 레이징 시키도록 구성될 수 있다. 격자(145)에 대한 주입 전류는 광 빔(125)의 진폭을 변조시킬 수 있다. 예로서, 수직 커플러(120)는 예를 들어, 레이저의 활성 영역 내부 또는 상부에서 격자(145)를 갖는 DFB 레이저를 포함할 수 있고, 격자(145)는 레이저 캐비티로 피드백을 제공하고 레이저 캐비티의 외부로 수직 커플링을 제공하도록 변경될 수 있다. 따라서 격자(145)의 설계는 도광 레이어(110)의 평면에서의 광(125)의 레이징을 지원하고 도광 레이어(110) 위 또는 아래의 자유 공간으로 수직 출력 커플링을 제공한다. 이는 레이저 캐비티에서의 레이징만을 지원하도록 구성된 DFB 레이저에서의 격자와 대조적이다.
도 2는 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스(100)와 같은, 예시적인 광자 디바이스(100)의 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다. 도 3은 유사한 디바이스(100)의 부분의 투시도를 나타낸다. 디바이스(100)는 수직 커플러(120)의 어레이(205)를 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 3에서 도시된 바와 같이, 수직 커플러(120)의 각각 하나는 도광 레이어(110)(도 1a 내지 도 1b)의 도파로 부분(210)을 브랜칭(branching)함으로써 광학적으로 제 1 레이저 광 소스(115)에 커플링된다. 브랜칭한 도파로 부분(210)은 하나 이상의 패시브 출력 스플리터(passive power splitters)(215)(예를 들어, 도파로 빔 스플리터) 및 패시브 도파로(220)를 포함할 수 있어서 브랜칭 구조(210)는 제 1 레이저(115)를 수직 커플러(120)에 광학적으로 커플링시킨다.
도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 디바이스(100)의 실시예는 복수의 마이크로렌즈(155)를 포함할 수 있다. 각각의 마이크로렌즈(155)는 수직 커플러(120) 중 개별적인 하나에 광학적으로 커플링될 수 있다. 각각의 마이크로렌즈(155)는 광 빔(125)을 콜리메이트하도록 구성될 수 있고 이는 실질적으로 수직인 방향(130)으로 수직 커플러(120)로부터 방출된다. 도 3에서 더 도시된 바와 같이, 복수의 마이크로렌즈(155)는 공통 평면(305)에서 배열될 수 있고 이는 기판(105) 평면(135)과 평행하다. 일부 경우에, 방출된 광(125)의 사이드 로브(side lobes)를 축소시키기 위해, 마이크로렌즈(155)가 6각형 대칭구조(도 2 내지 도 3의 점선)로 배열되는 것이 바람직하지만, 다른 어레이가 사용될 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 디바이스의 일부 실시예는 복수의 이산 위상 변조기(165) 및 진폭 변조기(170)를 포함한다. 위상 변조기(165)의 각각 하나는 제 1 레이저 광 소스(115) 및 적어도 하나의 수직 커플러(120) 사이의 광 통로에 존재할 수 있다. 진폭 변조기(170)의 각각 하나는 제 1 레이저 광 소스(115)와 적어도 하나의 수직 커플러(120) 사이의 광 통로 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 3에서 도시된 바와 같이, 복수의 진폭 변조기(170)는 수직 커플러(120)로 통합될 수 있다(예를 들어, 수직 커플러는 진폭 변조기를 포함할 수 있다). 이러한 실시예에서, 수직 커플러(120)의 각각 하나의 격자(145) 패턴은 실질적으로 수직인 방향으로 광 빔(125)을 지향시키고 광 빔(125)을 진폭 변조시키도록 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 8의 콘텍스트에서 이하에 논의된 디바이스(100)의 다양한 실시예는 디바이스(100)의 컴포넌트가 더 소형의 디바이스 구성을 제공하도록 배열되거나 출력 요구조건을 감소시킬 수 있는 방법의 비제한적 예시를 나타낸다. 명료성을 위해, 일부 경우에서, 부분적인 어레이만이 도시된다.
도 4는 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스(100)와 같은, 예시적인 광자 디바이스(100)의 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 디바이스(100)는 상기 도 1a 내지 도 3의 콘텍스트에서 논의된 것과 유사한 광 통로에 배열된 복수의 위상 변조기(165) 및 복수의 진폭 변조기(170)를 포함한다. 도 4에서 도시된 실시예에 대해, 복수의 위상 변조기(165) 중 적어도 하나 또는 복수의 진폭 변조기(170) 중 적어도 하나는 적어도 두 개의 광 커플러(120)에 공통적인 광 통로에 있다. 예를 들어 도 4에서 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 진폭 변조기(170a)는 수직 커플러(120a)와 다른 수직 커플러(120b)에 공통적인 광 통로에 있다.
도 5는 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스(100)와 같은, 예시적인 광자 디바이스(100)의 다른 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 디바이스(100)는 위상 변조기(165)와 진폭 변조기(170)를 포함한다. 하지만, 이 실시예에서, 진폭 변조기(170)(예를 들어, 제 2 DBF 또는 DFR 레이저)는 개별적인 수직 커플러(120)와 통합된다. 이 실시예에서 위상 변조기(165)와 진폭 변조기(170) 모두는 두 개 이상의 수직 커플러(120)(예를 들어 커플러 120a 및 120b)에 공통적인 광 통로에 존재할 수 있다.
도 6은 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스(100)와 같은, 예시적인 광자 디바이스(100)의 다른 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 디바이스(100)는 위상 변조기(165)와 진폭 변조기(170)를 포함한다. 하지만, 이 실시예에서, 이산 진폭 변조기(170)는, 링 레이저로서 구성되고, 제 1 레이저(115)와 수직 커플러(120) 사이의 광 통로에 있다. 도 5에서 도시된 실시예와 유사하게, 위상 변조기(165)와 진폭 변조기(170) 모두는 두 개 이상의 수직 커플러(120)에 공통적인 광 통로에 존재할 수 있다. 링 레이저(170)의 도파 부분(예를 들어, 링 레이저로서 구성된, 도 1a의, 도광 레이어(110)의 부분)은 패시브 도파 부분(220)에 충분히 근접하여서(예를 들어, 위상 변조기(165)로부터 야기하여) 광 빔(125)(도 1a)은 링 레이저(170) 내로 커플링한다. 일부 실시예에서, 링 레이저(170)는 서로 실질적으로 분리되고 커플링해제(decoupled) 된다. 즉, 각각의 링 레이저(170)는 이들의 가장 가까운 이웃 링 레이저(170)상에 실질적인 영향을 끼치지 않도록 서로 충분히 분리된다.
도 7은 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스(100)와 같이, 예시적인 광자 디바이스(100)의 다른 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다. 도 6에서 도시된 예시와 유사하게, 위상 변조기(165)와 진폭 변조기(170) 모두는 두 개 이상의 수직 커플러(120)와 공통적인 광 통로에 존재할 수 있다. 이 실시예에서, 진폭 변조기(170)(예를 들어, 제 2 DBF 또는 DFR 레이저 또는 링 레이저)는 개별적인 수직 커플러(120)와 집적된다. 두 개 이상의 진폭 변조기(170)는 광학적으로 커플링된다. 예를 들어, 제 1 레이저(115)는 제 1 진폭 변조기(170a)를 주입 동기시킬 수 있지만, 제 1 진폭 변조기(170a) 내부의 일부 광은 제 2 진폭 변조기(170b) 및 공통 광 통로에서 다른 진폭 변조기(170c, 170d)로 향하는 광 통로로 다시 커플링될 수 있다. 이 케스케이드 효과를 통해, 제 1 레이저(115)는 집적된 진폭 변조기(170)를 갖는 복수의 수직 커플러(120)로부터 수직 광 방출을 제어할 수 있다. 이 구성은 이산의 그리고 광학적으로 분리된 진폭 변조기를 구비한 디바이스와 비교하여 도파로 브랜칭에 대한 필요성을 감소시키고 출력 요구조건을 감소시킬 수 있다.
도 8은 도 1a 내지 도 1b에서 도시된 디바이스(100)와 같이, 예시적인 광자 디바이스(100)의 다른 개략적인 레이아웃의 평면도를 나타낸다. 도 7에서 도시된 디바이스와 유사하게, 위상 변조기(165) 및 진폭 변조기(170)는 두 개 이상의 수직 커플러(120)에 공통적인 광 통로에 존재할 수 있다. 진폭 변조기(170)는 개별 수직 커플러(120)와 집적되고, 진폭 변조기(170)는 광학적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 임의의 하나의 진폭 변조기(170)는 2차원으로 이의 가장 가까운 이웃 진폭 변조기(170)에 직접 커플링되고 임의의 다른 진폭 변조기(170)에 간접적으로 광학적으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예에서 증폭 변조기가 모두 커플링되는 곳에서, 제 1 레이저(115) 자체는 하나 이상의 진폭 변조기(170)가 될 수 있다.
도 8에서 도시된 바와 같이, 수직 커플러(120)와 집적된 진폭 변조기(170)는 위상 변조기(165)에 의해 서로 분리될 수 있다. 일부 경우에, 수직 커플러(120) 중 선택된 것들 사이에서의 광학적 누출을 감소시키기 위해, 하나 이상의 흡수장치(absorbers)(805)가 하나의 수직 커플러(120)와 다른 인접 수직 커플러(120) 사이의 광 통로에 위치될 수 있다. 예를 들어, 흡수장치(805)는 제 1 레이저(115)에 의해 생성된 광의 주파수에서 광을 흡수하도록 적절하게 도핑된 도광 레이어(110)(도 1a)의 부분이 될 수 있거나 또는 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 흡수장치(805)는 도광 레이어(115)에서 개구부(opening)가 되거나 또는 개구부를 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예는 광자 디바이스를 사용하는 방법이다. 도 9는 도 1 내지 도 8에서 도시된 바와 같은 광자 디바이스를 사용하는 예시적인 방법(900)의 흐름도를 나타낸다. 도 1a 내지 도 8 전반을 계속해서 참조하여, 디바이스(100)를 사용하는 방법은 디바이스(100)의 평면 기판(105)의 표면(135)에 수직인 방향(130)으로 광 빔(125)을 방출시키는 단계(910)를 포함한다. 단계(910)에서 광 빔(125)을 방출시키는 단계는 평면 기판(105) 상에 위치된 도광 레이어(115)에서 제 1 레이저(115)에 광 빔(125)을 발생시키는 단계(915)를 포함한다. 단계(910)에서 광 빔(125)을 방출시키는 단계는 상기 도광 레이어(110)의 도파 부분(210)을 거쳐 수직 커플러(120)로 광 빔(125)을 측면으로 전송하는 단계(920)를 포함한다. 단계(910)에서 광 빔(125)을 방출시키는 단계는 실질적으로 수직인 방향(130)으로 수직 커플러(120)를 거쳐 광 빔(135)을 재지향시키는 단계(925)를 포함한다.
일부 실시예에서, 단계(910)에서 광 빔(125)을 방출시키는 단계는 마이크로렌즈(155)를 거쳐 수직 커플러(120)로부터 광 빔(125)을 전달시키는 단계를 포함하여 재지향된, 예를 들어, 수직으로 방출되는 광 빔(125)을 콜리메이트하는 단계(930)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 단계(910)에서 광 빔(125)을 방출시키는 단계는 실질적으로 수직으로 지향된 광 빔(125)을 조종하는 단계(940)를 더 포함한다. 단계(940)에서 광 빔을 조종하는 단계는 제 1 레이저(115)와 수직 커플러(120) 사이 광통로에 모두 위치된 하나 이상의 위상 변조기(165)(단계 950)및 진폭 변조기(170)(단계 955)를 통하는 이산 전류를 주입시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 단계(950, 955)에서 복수의 위상 변조기(165) 및 진폭 변조기(170)의 각각으로 주입된 전류는 체비셰프 여기함수(Chebyshev excitation function)에 따라 조정된다. 이러한 여기함수를 사용하는 것에 있어서의 장점은 수직적으로 방출된 광에서의 사이드 로브 레벨을 최소화시키는 것이다. 일 당업자는 위상 변조기 및 진폭 변조기를 통하는 주입 전류를 조정하여서 수직 커플러(120)로 이동하는 광의 위상 및 출력이 체비셰프 여기함수와 매치시키는 방법을 이해할 것이다.
본 명세서의 다른 실시예는 광자 디바이스를 제조하는 방법이다. 도 10은 도 1a 내지 도 8에서 도시된 바와 같은 광자 디바이스를 제조하는 예시적인 방법(1000)의 흐름도를 나타낸다. 도 1a 내지 도 8 전반을 계속해서 참조하면, 제조 방법은 평면 반도체 기판(105) 상에서 도광 레이어(115)를 형성하는 단계(1010)를 포함한다. 제조방법은 또한 제 1 레이저(115)에 대한 격자 구조를 적어도 형성하기 위해 도광 레이어의 부분으로 도펀트를 주입하는 단계(1015)를 포함한다. 제조 방법은 또한 도광 레이어(115) 상부 또는 내부에서 수직 커플러(120)를 형성하는 단계(1020)를 포함한다. 제조방법은 또한 제 1 레이저 광 소스와 수직 커플러(120)를 광학적으로 커플링하는 제 1 레이저(115) 광 소스 및 도파로 구조(210)를 적어도 형성하기 위해 도광 레이어(110)를 패터닝하는 단계(1025)를 포함한다.
일부 경우에, 단계(1010)에서 도광 레이어(115)를 형성하기 위해, 반도체 기판의 부분(예를 들어, GaAs 또는 InP 화합물 반도체 기판)은 도펀트로 주입될 수 있고(예를 들어, GaAs 화합물 반도체 기판은 In과 P로 도핑될 수 있고, InP 화합물 반도체 기판은 Ga과 As로 도핑될 수 있다) 그 후 적절한 굴절률을 갖는 도광 레이어(115)를 형성하도록 어닐링(annealed)될 수 있다. 당업자는 증착(deposition), 결정 성장(crystal growth) 또는 본딩 프로세스(bonding processes)를 형성하는데 사용될 수 있는 다른 공정에 익숙할 것이다.
일부 경우에, 단계(1015)에서 도펀트를 주입하는 단계는 제 1 레이저(115)로서의 역할을 하도록 구성된 DBF, DBR 및 링 레이저를 위한 레이저 캐비티의 격자를 형성하도록 도광 레이어(115)의 부분으로의 주입을 포함한다. 일부 경우에, 단계(1015)에서 도펀트를 주입하는 단계는 단계(1020)의 부분으로서, 수직 커플러(120)의 특정 실시예를 위한 격자(145)를 형성하도록 도광 레이어(115)의 상이한 부분 내의 주입을 또한 포함한다. 대안적으로, 별개의 주입 프로세스가, 원한다면, 단계(1020)의 부분으로서 수직 커플러의 격자(145)를 형성하도록 수행될 수 있다.
당업자는 패터닝 단계(1025)에 따라, DBF, DBR 및 링 레이저를 위한 레이저 캐비티를 형성하기 위한 리소그래피(lithographic) 및 에칭(etching) 프로세스에 익숙할 것이다. 일부 경우에 패터닝 단계(1025)는 또한 단계(1020)의 부분으로서 수직 커플러(120)의 컴포넌트를 패터닝하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 별개의 패터닝 프로세스가, 원한다면, 단계(1020)의 부분으로서 수행될 수 있다. 예를 들어, 단계(1020)에서 수직 커플러(120)를 형성하는 단계는 수직 커플러(120)의 격자(145)를 형성하도록 도광 레이어(115)의 상이한 부분에서 도펀트를 주입하는 단계(1030)를 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 일부 경우에서 단계(1035)는 단계(1015)의 부분으로서 수행될 수 있다.
단계(1020)에서 수직 커플러(120)를 형성하는 단계는 미러(150)를 형성하는 단계(1035)를 포함할 수 있다. 단계(1030)에서 미러(150)를 형성하는 단계는 평면 기판(105)의 표면(135)에 대해 미러(150)의 대각(185)을 형성하는 평면 대각 표면(182)를 형성하도록 도광 레이어(115)의 평면(180)(도 1b)을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(1030)에서 미러를 형성하는 단계는 평면 대각 표면(182)상에 반사 코팅을 증착(depositioning)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 평면 대각 표면(182)은 평면 기판(105)에 대해 약 45도의 각(185)을 형성한다. 다른 경우에, 표면(180)의 화학적 에치는 도광 레이어(115)의 자연 결정 평면을 노출시키고 자연 평면은 45도가 아니다. 예를 들어, 일부 경우에 대각(185)은 약 53도와 동일할 수 있다. 결국, 이는 광 빔(125)이 기판 표면(135)에 정확히 수직이 아닌 방향(130)으로 수직 커플러(120)로부터 방출하도록 하지만 이는 여전히 실질적으로 수직이다(예를 들어, 90±10도). 일부 경우에, 본 명세서의 다른 곳에서 더 논의되는 바와 같이, 도 1c의 콘텍스트에서 상기 논의되는 바와 같이, 수직 커플러(120)에 광학적으로 커플링된 마이크로렌즈(155)를 사용하여 이러한 결함을 수정하는 것이 바람직하다.
방법의 일부 실시예는 마이크로렌즈(155)를 형성하는 단계(1040)를 더 포함한다. 단계(140)에서 회절 마이크로렌즈로서 구성된 마이크로렌즈(155)를 형성하는 단계는 렌즈의 동심원 릿지를 주로 형성하도록 기판(105)의 표면(135)(도 1b), 또는 기판(105)상에 위치된 클래딩 레이어(140)(도 1a)의 표면(135)을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서, 마이크로렌즈(155)는 수직 방향(130)으로 수직 커플러(120)로부터 방출된 광(125)을 주로 캡쳐하기에 충분히 크게 되도록 형성된다. 예를 들어 수직 커플러가 격자(145) 요소의 직사각형의 50x50 마이크론 평방 어레이를 포함하는 것을 고려한다. 마이크로렌즈(155)는 바람직하게 50마이크론 보다 크고 50 내지 100 마이크론의 범위 내의 지름을 갖는다.
본 방법의 일부 실시예는 도광 레이어(115)에서 위상 변조기 구조(165)를 형성하는 단계(1050)와 도광 레이어(115)에서 진폭 변조기 구조(170)를 형성하는 단계(1055)를 더 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단계(1015)에서 도펀트를 주입하는 단계는 단계(1050, 1055)의 부분으로서 위상 변조기 및 진폭 변조기 구조(165, 170)에 대응하는 도광 레이어(115)의 상이한 부분에서 도펀트를 주입하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단계(1015)에서 패터닝하는 단계는 단계(1050, 1055)의 일부로서, 위상 변조기의 도광 부분 및 상기 진폭 변조기 구조(165, 170)를 형성하는 단계를 더 포함한다. 하지만 다른 경우에서, 이산 주입 및 패터닝 프로세스는 단계(1050, 1055)의 일부로서 수행될 수 있다. 당업자는 위상 변조기 및 진폭 변조기 구조(165, 170)를 형성하는 단계는 이들 구조(165, 170)의 도광 부분 상부에 또는 인접한 전극 구조(도시되지 않음)의 증착 및 전극에 커플링된 도전 라인(도시되지 않음)의 형성과 같은 추가 단계를 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 방법의 일부 실시예는 클래딩 레이어(140)와 함께 패터닝된 도광 레이어(115)를 커버(covering)하는 단계를(1060) 더 포함한다. 단계(1010)에 대해 설명된 바와 같은 유사한 공정이 단계(1065)에서 클래딩 레이어(140)과 함께 패터닝된 도광 레이어를 커버하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 패터닝된 도광 레이어(115)는 매립층(buried layer)이다. 예를 들어, 제 1 레이저(115), 패시브 브랜칭 구조 도파로 부분(210), 위상 또는 진폭 변조기(165, 170) 및 수직 커플러(120)가 매립된다. 이러한 매립층의 일 장점은 도광 레이어(115)의 레이징 부분으로부터의 열 전달이 매립되지 않은(예를 들어, 에어 클래딩(air-clad)) 도광 레이어(115)와 비교하여 용이하게 된다는 것이다.
본 명세서의 특정 양상이 설명되어서, 다음의 추가 예시의 실시예를 참조함으로써 추가 특징이 더욱 명백해질 것이라고 여겨진다. 예시는 오직 도시의 목적을 위해서만 제시된다는 것이 이해될 것이고 본 명세서를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
본 명세서의 일부 실시예는 최소 빔 폭을 갖는 단일 또는 다수의 자유 공간 광학 빔을 발생시키도록 수직 방출 레이저의 어레이를 갖는 디바이스를 포함하고, 최소 레벨의 사이드 로브 및 최소 격자 로브의 지향(orientation)은 어레이에서의 개별 이미터의 위상 및 진폭의 전자 제어에 의해 빠르게 재조정될 수 있다.
디바이스의 일부 실시예에서, 신속하고 정확한 조종 속성으로 형성한 자유 공간 빔이 집적된 수직 방출 주입 동기 DFB의 6각 평면 어레이에 의해 발생되고, 각각은 수직 격자 커플러, 페이즈 시프터 및 회절 마이크로렌즈를 포함한다. 최종 빔은 사전정의된 주요 빔 폭을 갖는 최적의 최소 사이드 로브 레벨에 의해 특징지어진다. 빔 조종은 사전정의된 체비셰프 분산 함수에 따라 개별 방출 요소의 위상 및 진폭 모두를 제어함으로써 달성된다. 6각형 구성은 직사각형 어레이와 비교해 볼 때 스퓨리어스(spurious) 방출 격자 로브의 감소에 기여하는 가장 가까운 인접 방출 요소 사이의 동일 간격을 제공할 수 있다.
디바이스의 일부에서 어레이의 방출 요소로서 사용되는 수직 커플링된 광자 결정 주입 동기 2차원 DFB 수직 방출(VE) 요소를 포함한다. VE 방출 요소의 실시예는 단일 구조에서 2D 활성 레이징 캐비티, 수직으로 커플링한 격자 및 집적된 회절 마이크로렌즈를 조합할 수 있다. 어레이의 일부 실시예는 캐스케이드된 주입 동기 메커니즘에 의해 주파수에서 동기화된 출력을 방사시키고 향상된 효율성을 위해 2D VE DFB 요소를 방출하는 광자 결정 표면(photonic crystal surface)을 포함할 수 있다. 다수의 빔은 배열된 요소를 통해 대응 개구 분산 함수를 슈퍼임포징(superimposing)함으로써 합성될 수 있다.
디바이스의 일부 실시예는 도 2에서 도시된 바와 같이, 모든 어레이 요소를 광학적으로 주입 동기시키도록 공통 온칩 집적 수평 DFB 마스터 발진기(common on-chip integrated horizontal DFB master oscillator)를 사용하는 광자 집적 회로(PIC) 어레이를 포함한다. 이 공정은 각각의 수직 방출 배열된 광 소스가 정확하게 동일한 주파수 및 이의 집적 페이즈 시프터에 의해 제어되는 정의가능한, 고정 위상 관계로 발진하게 한다. 격자 포함 수직 커플러 및 마이크로렌즈는 큰 스캐닝 각도를 위해 큰 발산(large divergence)으로 광을 수직 방향으로 투사시킨다. 일부 경우에, 집적 패시브 커플러를 갖는 선형 1D DFB가 사용될 수 있다. 다른 경우에, 격자 포함 수직 커플러는 양호한 빔 형상 및 콘센트(wall-plug) 효율성을 위해 레이징 요소를 방출하는 광자 결정 2D DFB 표면과 집적될 수 있다. 레이저, 페이즈 시프터 및 패시브 상호접속 회로(예를 들어, 도파로)는 당업자에게 잘 알려진 패시브 활성 통합 기술을 사용하여 동일 기판(예를 들어, InP 또는 GaAs 기판)상에 일체식으로 집적될 수 있다.
본 디바이스의 일부 실시예에서, 배열된 주입 동기 레이징 요소를 형성하고 조종하는 최적의 코히런트 광학 빔(optimal coherent optical beam)을 달성하기 위해, 방사한 요소는 가장 가까운 인접 요소 사이의 동일한 공간을 갖는 6각형 격자에 배열된다. 이 어레이는 직사각형 어레이와 같은 다른 구성과 비교하여 기생하는(parasitic) 근접한 강한 격자 로브를 최소화시키도록 한다. 6각형 배열된 방사 요소 위에 위치된 적절한 마이크로 광학 렌즈는 순간 관찰 영역(Instantaneous Field of View;IFOV) 및 전체 FOV를 증가시키기 위해 이미터 어레이의 피치를 효과적으로 감소시키고 원치않는 사이드 로브 레벨(SLL) 방출의 대부분을 억제한다. 이 어레이는 또한 고정 입체 개구각(fixed solid angular aperture)요소의 수를 감소시킨다.
일부 경우에, 주요 방출 로브의 최소 빔 폭은 최소 특정 SLL을 달성하기 위해 체비셰프 여기함수에 따라 여기된(excited) 6각형 어레이 방출 요소로부터 합성될 수 있다. 각 요소의 방출 진폭은 개별 슬레이브 DFB로 주입된 전류를 조정함으로써 제어될 수 있고 그동안 집적된 페이즈 시프터의 짧은 패시브 광학 도파로 부분으로 적은 양의 전류를 주입시킴으로써 상대적인 위상 편이가 획득된다.
디바이스의 일부 실시예는 DFB 레이징 매체(DFB lasing medium)와 수직 방출 커플러를 통합함으로써 방출 어레이에 대한 매우 효율적인 광자 결정 수직 방출 2D DFB 레이징 요소를 사용한다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 주입 동기 활성 2D 광자 결정 레이저 요소는 2D 캐비티 평면에 수직인 균일 방출을 발생시킬 것이다. 이 혁신적인 2D 수직 방출 DFB(VE-DFB)는 굴절률의 2D 주기 파상(periodic corrugation)(예를 들어, 수직 커플러를 포함하는 도파 레이어의 굴절률의 2D 변조)에 의해 정의된 평면(예를 들어, 정사각형) 캐비티를 필요로 한다.
디바이스의 일부 실시예에서, 일부 선형 DFB 레이저에서 사용되는 정규 반파장 주기(canonical half wavelength period) 대신, 2D 파상은 전체 파장과 동일하다. 레이징이 분산 피드백(DFB) 메커니즘을 통해 달성됨에 따라, 2D DFB는 래티스 결함(lattice defects)을 사용하는 광자 결정에 기초한 다른 평면 구조와 상이하다. 이는 이미터를 통해 균일한 광학 방출을 달성하는 것을 용이하게 하고 주어진 총 출력에 대한 강도를 최소화한다. 레이저는 파상에 의해 결정된 광자 밴드갭(bandgap)의 양쪽 측면 상에서 발진할 수 있으며, 여기서 군속도(group velocity)는 제로이다. 이 격자 주기에 대한 선택은 광이 캐비티 평면에 법선방향(normal)으로 필수적으로 방출되도록 한다. 레이징은 전체 2D 래티스를 통해 균일하게 될 것이라고 예상되며, 충분히 큰 캐비티에 대해, 광이 좁은 발산각(예를 들어, 약 1도)으로 수직 아웃커플링(out-coupled)될 수 있다. 독특한 비대칭 형상의 파상 요소(예를 들어, 타원형)는 방출의 편광을 제어하는 것으로 기술될 수 있다.
일부 2D DFB 레이저는 래티스에서 매우 높은 굴절률 차(index contrast)를 달성하도록 웨이퍼 본딩(wafer bonding)을 사용할 수 있지만, 원하는 산출량보다 낮고 불안정한 상온 레이징 발진을 갖는다. 디바이스의 실시예에서 이들 이슈를 경감시키기 위해 충전율(fill factor)을 증가시키도록 더 큰 표면 영역을 갖는 매립 구조를 사용한다. 이는 또한 더 낮은 굴절률 차 때문에 각각의 래티스 요소에 의한 산란을 감소시킨다. VCSEL 및 원형 격자 레이저와 같은, 다른 표면 방출 레이저를 통한 2D VE-DFB의 장점은, 레이저가 임의로 크게 만들어질 수 있고 단일 모드에서만 계속 방출하여 전체 2D 래티스를 걸쳐 균일하게 확장한다는 것이다. 또한, 일부 VCSEL을 위해 사용되는 바와 같이, VE-DFB는 수직 이동 광학 신호보다는 면내(in-plane) 이동 광학 신호와 주입 동기 될 수 있고, 그렇게 함으로써 디바이스의 모든 요소는 주입 동기시키기 위한 PIC의 구조를 용이하게 한다.
최종 출력 빔으로 일관되게 통합되어지는 어레이에서 모든 소스를 용이하게 하기 위해, 모든 VE-DFB는 주입 동기를 통해 마스터 광학 발진기(MO)(예를 들어, 제 1 레이저 광 소스)에 의해 동기화될 수 있다. 일부 실시예에서 MO로부터의 광은, 이의 파장이 VE-DFB의 제로 군속도 포인트 중 하나에 가깝고, 슬레이브 VE-DFB(예를 들어, 진폭 변조기)로 공급되며, 그렇게 함으로써 슬레이브가 마스터처럼 동일 파장으로 발진하도록 강제한다. 모든 슬레이브 VE-DFB가 사전정의된 위상 오프셋과 동기된 후에, 전체 어레이는 단일 코히런트 광학 소스로서 동작한다.
도 4에서 도시된 실시예는 분리 위상 변조기 및 진폭 변조기(예를 들어, 반도체 광학 증폭기(SOA))를 포함한다. 수직 커플러의 실시예는 에칭된 미러, 테이퍼드(tapered) 패시브 도광 레이어 상부의 2차(2D) 격자 또는 SOA 상부의 2차(2D) 격자를 포함한다. 이러한 실시예의 일부 장점은, 1) 단일 레이저 소스의 사용으로 주입 동기가 필요하지 않음, 2) SOA가 패싯(facet)에 가깝게 유지될 수 있어서 손실을 최소화함, 3) 디바이스의 출력 소비가 사양 범위에 꼭 맞춰지도록 조정될 수 있음, 4) 편광 이슈가 최소화됨, 5) 에칭 미러의 사용이 양호한 출력 모드를 제공함, 6) 단순한 마이크로렌즈 광학이 사용될 수 있음, 7) 위상 변조기 및 진폭 변조기가 조합될 수 있음, 8) DBF 제 1 레이저 소스가 동조가능(tunable)해짐, 9) 디바이스가 일체식으로 집적될 수 있음, 10) 진폭 제어가 단순함,을 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 일부 도전과제는, 1) 대규모 제조(예를 들어, 200개 이산 요소), 2) 마이크로광학의 집적(co-integration), 3) 수직 커플러의 성능 확인, 4) 페이즈 시프터를 위한 제어 루프 개발, 5) 코히런트 빔 형성 및 빔 퀄리티 확인,을 포함할 수 있다.
도 5에서 도시된 실시예는 분리 위상 변조기 및 진폭 변조기(예를 들어, DFB 또는 DBR 레이저)를 포함한다. 수직 커플러의 실시예는 테이퍼드 패시브 도광 레이어 상부의 에칭된 미러, 또는 2차(2D) 격자를 포함한다. 이러한 실시예의 일부 장점은, 1) 증폭기가 패싯에 근접하게 유지될 수 있어서 손실을 최소화함, 2) 디바이스의 출력 소비가 사양 범위에 꼭 맞춰지도록 조정될 수 있음, 3) 편광 이슈가 최소화됨, 4) 에칭 미러의 사용이 양호한 출력 모드를 제공함, 5) 디바이스의 구조가 웨이퍼 본딩 접근방식을 포함할 수 있음, 을 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 일부 도전과제는, 1) 주입 동기 메커니즘의 안정성을 확인, 2) 진폭 제어 개발, 3) 많은 수의 DFB 또는 DBR 진폭 변조기를 제조하기 위한 균질 구조 방식, 4) 국부 또는 전역 온도에 대한 민감성,을 포함할 수 있다.
도 6에서 도시된 실시예는 분리 위상 변조기 및 진폭 변조기(예를 들어, 링 레이저)를 포함한다. 수직 커플러의 실시예는 테이퍼드 패시브 도광 레이어 상부의 에칭된 미러, 또는 2차(2D) 격자를 포함한다. 이러한 실시예의 일부 장점은, 1) 증폭기가 패싯에 근접하게 유지될 수 있어서 손실을 최소화함, 2) 디바이스의 출력 소비가 사양 범위에 꼭 맞춰지도록 조정될 수 있음, 3) 패싯 문제점이 제거됨, 4) 편광 이슈가 최소화됨, 5) 에칭 미러의 사용이 양호한 출력 모드를 제공함, 6) 단순한 마이크로렌즈 광학이 사용될 수 있음, 7) 디바이스의 구조가 웨이퍼 본딩 접근방식을 포함할 수 있음,을 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 일부 도전과제는, 1) 주입 동기 메커니즘의 안정성을 확인, 2) 진폭 제어 개발, 3) 많은 수의 DFB 또는 DBR 진폭 변조기를 제조하기 위한 균질 구조 방식, 4) 국부 또는 전역 온도 변화에 대한 민감성,을 포함할 수 있다.
도 7에서 도시된 실시예는 수직 커플러와 집적된 분리 위상 변조기 및 진폭 변조기를 포함한다. 수직 커플러의 실시예는 수직 커플링 및 DBF 기능(capabilities)을 모두 갖는 2차(2D) 격자를 포함한다. 이러한 실시예의 일부 장점은, 1) 증폭기가 패싯에 근접하게 유지될 수 있어서 손실을 최소화함, 2) 디바이스의 구조가 웨이퍼 본딩 접근방식을 포함할 수 있음, 3) 수직 방출 광자 결정 DFB 어레이로 커플링하는 수직 광과 진폭 변조 통합에 의한 보다 소형의 설계,를 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 일부 도전과제는, 1) 기능적 디바이스의 산출량 감소, 2) 주입 동기의 안정성 유지, 3) 진폭 변조에 대한 복합 제어 스킴(schemes), 4) 국부 또는 전역 온도 변화에 대한 민감성, 5) 수직 방출 빔의 감소된 퀄리티, 6) 편광 제어를 유지하는 어려움, 수직 광 커플링의 효율성 감소, 7), 비효율적인 출력 소비,를 포함할 수 있다.
도 8에서 도시된 실시예는 수직 커플러와 집적된 분리 위상 변조기 및 진폭 변조기를 포함한다. 수직 커플러의 실시예는 수직 커플링 및 DBF 기능을 모두 갖는 2차(2D) 격자를 포함한다. 흡수장치는 수직 커플러의 어레이 사이에서 통합될 수 있다. 이러한 실시예의 일부 장점은, 1) 증폭기가 패싯에 근접하게 유지될 수 있어서 손실을 최소화함, 2) 디바이스의 구조가 웨이퍼 본딩 접근방식을 포함할 수 있음, 3) 수직 방출 광자 결정 DFB 어레이로 커플링하는 수직 광과 진폭 변조 통합에 의한 보다 소형의 설계, 4) 외부 제 1 레이저 광 소스를 필요로 하지 않을 수 있음(예를 들어, 제 1 레이저는 수직 방출 광자 결정 DFB 어레이의 수직 커플러의 어레이 및 위상 변조기 내에 존재할 수 있다),을 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 일부 도전과제는, 1) 기능적 디바이스의 산출량 감소, 2) 주입 동기의 안정성 유지, 3) 진폭 변조에 대한 복합 제어 스킴(schemes), 4) 국부 또는 전역 온도 변화에 대한 민감성, 5) 수직 방출 빔의 감소된 퀄리티, 6) 편광 제어를 유지하는 어려움, 수직 광 커플링의 효율성 감소, 7), 비효율적인 출력 소비,를 포함할 수 있다.
도 11a에 도시된 디바이스(100) 실시예는 수직 커플러(120)와 집적된 분리 위상 변조기(165)와, 진폭 변조기(170)를 포함한다. 수직 커플러(120)의 실시예는 수직 커플링 및 DBF 기능을 모두 갖는 1차(1D) 격자를 포함한다. 도파로 테이퍼(1110)는 (예를 들어, 이들의 집적된 진폭 변조기(170)와 함께) 위상 변조기(165)와 수직 커플러(120) 사이의 커플링을 용이하게 할 수 있다. 1D DFB 레이저의 일부 실시예는 가급적 8의 주기를 갖고, 여기서 8은 제 1 레이저(105)에 의해 방출된 광의 파장과 동일하다. 일부 실시예에서, 빔 조종은 1차원에서 파장을 조정하고 다른 방향으로 위상 변조기를 조정함으로써 달성된다. 일부 경우에, 1D 레이저는 2D 빔을 발생시킬 수 있고, 이는 1D 레이저로부터 나오는 광은 매우 타원형이고 마이크로렌즈(도시되지 않음)가 단일 콜리메이트된 구형 빔으로 타원형 빔을 결합시키기는 것이 도전과제가 될 수 있다. 삽입된 도면(도 1b)에서 도시된 바와 같이, 이러한 실시예의 일 도전과제는 레이저 캐비티의 내부에서 양방향으로 이동하는 광을 포함하여서 4개의 회절된 빔, 2개의 빔은 하나의 방향으로 나아가고(예를 들어, 삽도에서 우측을 가리키는 단색 화살표) 2개의 빔은 반대 방향으로 나아간다(삽도에서 좌측을 가리키는 음영 화살표). 일부 실시예에서, 대칭은 동일 선을 따라 정렬된 지시 쌍(pair orders)을 제거하는 비대칭 격자를 사용하여 부분적으로 해체(broken)될 수 있다. 일부 실시예에서, 잔여 스퓨리어스 지시(삽도에서 아래를 가리키는 화살표)는 레이저 매체 밑면에 적절한 미러(예를 들어, 분리 회절 격자)를 위치시킴으로써 실질적으로 취소될 수 있어서 광은 오직 수직적으로 커플링된 빔을 따라 구조적으로 재지향된다.
실시예가 자세하게 설명되었지만, 당업자는 본 명세서의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경, 대체 및 대안을 만들 수 있다는 것을 이해할 것이다.
100 : 광학 광자 디바이스 105 : 평면 반도체 기판
110 : 도광 레이어 115 : 제 1 레이저 광 소스
120 : 수직 커플러 125 : 광 빔
140 : 클래딩 레이어 145 : 격자
150 : 미러 155 : 마이크로렌즈
160 : 릿지 165 : 위상 변조기
170 : 진폭 변조기 805 : 흡수장치

Claims (10)

  1. 상부에 도광 레이어(light-guiding layer)를 갖는 평면 반도체 기판과,
    상기 도광 레이어 내의 제 1 레이저 광 소스와,
    상기 도광 레이어의 도파로 부분(waveguide portions)에 의해 상기 제 1 레이저 광 소스에 광학적으로 커플링된(coupled) 수직 커플러?상기 수직 커플러는 상기 제 1 레이저 광 소스로부터 광 빔을 수신하고 상기 평면 기판의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 광 빔을 재지향시키도록 구성됨?를 포함하는
    광학 광자 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 커플러는 상기 도광 레이어에 인접하게 또는 상기 도광 레이어 내부에 위치된 격자를 포함하되, 상기 격자는 상기 실질적으로 수직인 방향으로 상기 제 1 레이저 광 소스로부터의 상기 광 빔을 재지향시키도록 구성되는
    광학 광자 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 커플러는 상기 도광 레이어에 인접하게 또는 상기 도광 레이어 내부에 위치된 미러를 포함하되, 상기 미러는 상기 실질적으로 수직인 방향으로 상기 제 1 레이저 광 소스로부터의 상기 광 빔을 재지향시키도록 구성되는
    광학 광자 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 커플러에 광학적으로 커플링된 회절 렌즈?상기 회절 렌즈는 상기 수직 커플러로부터 방출된 상기 광 빔을 상기 실질적으로 수직인 방향으로 콜리메이트(colimate)하도록 구성됨?를 더 포함하는
    광학 광자 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 커플러의 어레이를 더 포함하되, 상기 수직 커플러의 상기 각각은 상기 도광 레이어의 도파로 일부를 브랜칭(branching)함으로써 상기 제 1 레이저 광 소스에 광학적으로 커플링되는
    광학 광자 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    복수의 위상 변조기를 더 포함하되, 상기 위상 변조기의 각각은 상기 제 1 레이저 광 소스와 적어도 하나의 상기 수직 커플러 사이의 광 통로에 존재하는
    광학 광자 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    복수의 진폭 변조기를 더 포함하되, 상기 복수의 진폭 변조기의 각각은 상기 제 1 레이저 광 소스와 적어도 하나의 상기 수직 커플러 사이의 광 통로에 존재하는
    광학 광자 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 진폭 변조기의 각각은 상기 수직 커플러에 통합(incorporated)되며, 상기 수직 커플러의 각각의 격자 패턴은 상기 실질적으로 수직인 방향으로 상기 광 빔을 지향시키고 상기 광 빔을 진폭 변조시키도록 구성된
    광학 광자 디바이스.
  9. 광자 디바이스를 사용하는 방법에 있어서,
    평면 광자 디바이스 기판의 표면에 수직인 방향으로 광 빔을 방출시키는 단계를 포함하는 방법과,
    상기 광 빔을 방출시키는 단계는
    상기 평면 기판상에 위치한 도광 레이어 내의 제 1 레이저의 광 빔을 발생시키는 단계와,
    수직 커플러에 상기 도광 레이어의 도파로 부분을 통해 상기 광 빔을 측면으로 전송하는 단계와,
    상기 실질적으로 수직인 방향으로 상기 수직 커플러를 통해 상기 광 빔을 재지향시키는 단계를 포함하는
    방법.
  10. 광자 디바이스를 제조하는 방법에 있어서,
    평면 반도체 기판상에 도광 레이어를 형성하는 단계와,
    적어도 제 1 레이저에 대한 격자 구조를 형성하기 위해 상기 도광 레이어의 일부로 도펀트(dopants)를 주입(implanting)시키는 단계와,
    상기 도광 레이어상에 또는 상기 도광 레이어 내에 수직 커플러를 형성하는 단계와,
    제 1 레이저 광 소스 및 상기 제 1 레이저 광 소스와 상기 수직 커플러를 광학적으로 커플링하는 도파로 구조를 형성하기 위해 상기 도광 레이어를 패터닝(patterning)하는 단계를 포함하는
    방법.
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