KR20220046403A - 하이브리드 광자 링 변조기들 - Google Patents

하이브리드 광자 링 변조기들 Download PDF

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존 파커
조나단 에드가 로스
그레고리 알란 휘시
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쥬니퍼 네트워크스, 인크.
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Abstract

높은 튜닝 효율 및 작은 풋프린트를 갖는 광자 링 변조기들이, 광학적 활성 화합물 반도체(예를 들어, III-V) 링 공진기에 수직으로 결합된 실리콘 버스 도파관으로부터 하이브리드 재료 플랫폼에 형성될 수 있다. 예를 들어, 튜닝 효율 및 최대 삽입 손실의 관점에서, 변조기의 성능은 링 변조기에 선택적으로 포함된 히터의 히터 전력 및 인가된 바이어스 전압의 적절한 레벨들에 의해 최적화될 수 있다. 개시된 하이브리드 광자 링 변조기들은, 예를 들어, 높은 레인 카운트를 갖는 광자 트랜시버 회로들에서 이용될 수 있다.

Description

하이브리드 광자 링 변조기들{HYBRID PHOTONIC RING MODULATORS}
본 개시는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit)(PIC)들을 위한 광학 변조기들(optical modulators), 및 연관된 제조, 교정 및 동작 방법들에 관한 것이다.
많은 PIC들은 전기 신호들을 광학 신호들로 변환하기 위해 통합된 광학(또는, 동의어로, 광자) 변조기들을 이용한다. 광자 트랜시버들(photonic transceivers)은, 예를 들어, 광섬유 케이블들(fiber-optic cables)을 통한 송신을 위해 레이저 캐리어 신호들(laser carrier signals) 상에 고속 디지털 데이터를 전달하기 위해 광학 변조기들을 이용할 수 있다. 실리콘 포토닉스(silicon photonics)에서, 광학 변조기는 (예를 들어, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator)(SOI) 기판의) 실리콘 디바이스 층에서 마하-젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator)로서 직접 구현될 수 있고, 여기서, 마하-젠더 간섭계 암들(Mach-Zehnder interferometer arms) 중 하나에서 전자-광학적으로(electro-optically) 또는 열-광학적으로(thermo-optically) 유도된 위상 시프트는 광학 신호의 진폭 변조를 달성한다. 대안적으로, 실리콘 디바이스 층 위에 화합물 반도체(compound semiconductor)(예를 들어, III-V) 층을 포함하는 하이브리드 재료 플랫폼들에서, 광(light)은 실리콘 디바이스 층과, 흡수 에지(absorption edge)를 파장 시프트함으로써 광학 진폭 변조를 실행하는 화합물 반도체 전계 흡수 변조기(compound-semiconductor electro-absorption modulator) 사이에 결합될 수 있다. 이러한 보통의 광학 변조기 구현들 모두는 칩의 상당한 영역을 차지하고, 신호 변조를 위해 위상 또는 흡수를 튜닝하기 위해 상당한 양의 전력을 소비한다. 광자 회로들에서, 특히, 전력 및 영역 요건들이 빠르게 증가하는 더 높은 레인 카운트 광자 트랜시버들에서, 전체 전력 소비를 감소시키고 디바이스 밀도를 증가시키기 위해, 더 높은 튜닝 효율 및 더 작은 풋프린트를 갖는 광학 변조기들이 요망된다.
도 1a 및 1b는 각각 다양한 실시예들에 따른, 예시적인 하이브리드 광자 링 변조기의 측단면도 및 평면도이고, 도 1c 내지 도 1e는 다양한 수평 라인들을 따라 도 1a로부터 취해진 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2f는 다양한 실시예들에 따른, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같은 하이브리드 광자 링 변조기에서 이용하기 위한 예시적인 히터(heater) 구성들의 평면도들이다.
도 3a 내지 3g는 다양한 실시예들에 따른, 도 1a 내지 도 1e에 도시된 바와 같은 하이브리드 광자 링 변조기의 제작 동안의 다양한 스테이지들에서의 반도체 광자 구조체들의 측단면도들이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, 하이브리드 광자 링 변조기를 포함하는 예시적인 광자 트랜시버 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 5a 및 도 5b는 다양한 실시예들에 따른, 각각 더 높은 바이어스 전압에서의 흡수가 없는 및 그러한 흡수가 있는 다양한 바이어스 전압 레벨들에서의 하이브리드 광자 링 변조기의 예시적인 스펙트럼 변조기 응답들이다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, 하이브리드 광자 링 변조기에 대한 예시적인 광학 진폭 변조 및 아이 크로싱(eye crossing)을 히터 전력의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른, 통합된 히터를 갖는 하이브리드 광자 링 변조기를 교정하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른, 통합된 히터를 갖는 하이브리드 광자 링 변조기를 동작하는 방법의 흐름도이다.
링 공진기로서 기능하고, 링 도파관에서의 굴절률 변화를 용이하게 함으로써 공진(resonance)을 시프트하기 위한 고속 전극 접속을 갖는 화합물 반도체 링 도파관에 수직으로 결합된 실리콘 버스 도파관(silicon bus waveguide)으로 형성된 하이브리드 광자 링 변조기들이 본 명세서에 설명된다. 다양한 실시예들에서, 링 도파관은 화합물 반도체 재료의 수직으로 적층된 p-i-n 다이오드 구조체의 링 형상의 광학적 활성 영역에 의해 형성되고, 굴절률 변화는 (선형 및/또는 2차(quadratic)) 전기 광학 효과(electro-optic effect)에 기초하여, p-i-n 다이오드 구조체에 걸친 전압의 인가에 의해 달성된다.
일반적으로, 버스 도파관의 입력에서 버스 도파관에 들어가는 광은 부분적으로 버스 도파관의 출력에 송신되고, 부분적으로는 링 도파관 내로 소멸적으로(evanescently) 결합되며, 왕복(round trip) 후에, 다시 버스 도파관 내로 소멸적으로 결합되고, 그것은 광의 직접 송신된 부분과 간섭한다. 입력 전력의 일부로서의 출력에서의 결과적인 전체 송신된 전력은, 버스 도파관과 링 도파관 사이의 결합 계수(coupling coefficient), 링 도파관에서의 흡수, 및 왕복 동안 링 도파관에서 발생된 위상 시프트의 함수이다. 왕복 위상이 2π의 정수배이거나, 동등하게, 왕복 광학 경로 길이가 광의 파장의 정수배인 경우, 링 도파관은 공진하고, 변조기 출력에서의 송신은 최소이며; 따라서, 링 변조기는 스펙트럼 필터로서 기능한다. 송신 최소값은 개념적으로, 직접 송신된 광과, 결합 유도된 π 위상 시프트를 겪은, 링 도파관으로부터 버스 도파관으로 다시 결합된 광 사이의 상쇄 간섭(destructive interference)으로서 이해될 수 있다. 또한, 임의의 주어진 왕복 위상에 대해, 송신은 직접 송신된 광의 강도가 (링 도파관에서의 임의의 흡수에 의해 영향을 받은 것으로서의) 1회 왕복 완료 후의 링 도파관에서의 광의 강도와 동일할 때 최소이고, 그러한 조건은 "임계 결합(critical coupling)"이라고 지칭된다. 직접 송신된 광의 강도가 1회 왕복 후의 링 도파관에서의 강도보다 큰 경우, 변조기는 "과도 결합(overcoupled)"되고; 링 도파관을 통한 1회 왕복 후의 광의 강도가 더 큰 경우, 변조기는 "과소 결합(undercoupled)"된다. 공진 및 임계 결합 조건들이 동시에 충족되는 경우, 송신 최소에서의 송신된 전력은 0이다.
전기 전압의 인가를 통해 링 도파관에서의 굴절률(및, 따라서, 광학 위상)을 변조함으로써, 송신된 전력이 변조될 수 있다. RF 전압 스윙(voltage swing) 동안 최대 및 최소 송신된 광학 전력 사이의 차이로서 정의된 광학 변조 진폭(optical modulation amplitude)(OMA)은 RF 스윙에 걸친 굴절률 변화 뿐만 아니라, (변조기가 과소 결합되거나, 임계 결합되거나, 과도냉각(overcooled)되는지의 여부에 대응하는) 광의 간섭 성분들의 상대적인 광학 강도들에 의존한다. 굴절률 변조는, 이번에는, 본 명세서에서 "튜닝 효율(tuning efficiency)"이라고 지칭되는, 볼트 당 변조기 응답(modulator response per Volt)의 파장에서의 시프트에 의존한다. 최대 OMA는 높은 튜닝 효율 및 약간의 과소 결합에서 발생한다.
링 변조기들은 주어진 굴절률 변조로 달성된 OMA에 대한 공진 강화를 제공하고, 결과적으로, 마하-젠더 및 전계 흡수 변조기들과 같은 비공진 변조기들보다 훨씬 더 콤팩트한 설계가 가능하다. 다양한 실시예들에서, 링 도파관은, 예를 들어, 직경이 5 μm와 50 μm 사이이다. 비교를 위해, 전형적인 마하-젠더 간섭계들은 길이가 1 mm 내지 5 mm 범위이고, 전형적인 전계 흡수 변조기들은 길이가 약 150 μm 이상이다. 칩 영역의 이러한 절감들은 보다 조밀한 광자 회로들 및 보다 낮은 웨이퍼 영역 비용을 가능하게 한다.
또한, 개시된 링 변조기들에 이용된 바와 같은 화합물 반도체 재료들은 강한 전기 광학 효과의 영향을 받으며, 이는 전기 전압의 인가 하에서 큰 굴절률 변화, 따라서 높은 튜닝 효율을 겪는다는 것을 의미한다. 그 결과, 본 명세서에 따른 하이브리드 광자 링 변조기들의, 본 명세서에서 "변조 효율"이라고 지칭되는, 인가된 전압 스윙당 최대 달성가능한 OMA는 일반적으로 종래의 마하-젠더 또는 전계 흡수 변조기들의 그것 뿐만 아니라, 실리콘 전용 링 변조기들(예를 들어, 실리콘 버스 도파관에 수평으로 결합된 실리콘 링 도파관에 의해 형성된 실리콘 다이오드 링 변조기들)의 그것도 초과한다. 다양한 실시예들에서, 하이브리드 광자 링 변조기들은 전계 흡수 또는 실리콘 다이오드 링 변조기들과 비교하여, 주어진 OMA에 대한 40% 이상의 전압 스윙 감소를 달성한다. 전압 스윙의 이러한 감소는 광자 트랜시버들에서의 전력 소비를 크게 감소시키며, 변조기 드라이버는 종종 전체 트랜시버 전력의 10%를 초과하여 소비한다. 구체적인 예를 제공하기 위해: 10 dBm의 입력 광학 전력(dBm은 1 밀리와트에 대한 전력을 데시벨 단위로 표현함)에서 7 dBm의 출력 OMA는, 화합물 반도체 링 변조기로 1 V의 피크-대-피크 전압 스윙을 취하지만, 전계 흡수 변조기로 1.75 V의 피크-대-피크 전압 스윙을 취할 수 있다. 이러한 드라이버 스윙 감소는 100 Gbps PAM4 변조에서 레인(lane) 당 130 mW의 전력 절감들에, 또는 동등하게, 4레인 트랜시버에 대해서는 0.5 W에, 32레인 트랜시버에서는 4.2 W에 대응한다.
다양한 실시예들에 따르면, 광자 링 변조기의 변조 효율은 인가된 전압 스윙 당 높은 굴절률 변화를 달성하기 위해 다이오드 양단의 직류(DC) 바이어스 전압을 이용하여 최적화된다. 링 도파관에서의 굴절률 시프트는 일반적으로 자유 캐리어 흡수(free-carrier absorption) 뿐만 아니라 선형 전기 광학(linear electro-optic)(LEO) 효과 및 2차 전기 광학(quadratic electro-optic)(QEO) 효과의 조합으로부터 기인하며, 주어진 OMA에 대한 전압 스윙을 감소시키기 때문에 바람직하게 현저한 QEO 효과의 기여는 바이어스 증가에 따라 증가한다. 따라서, 더 높은 전압 바이어스는 튜닝 효율을 개선할 수 있다. 그러나, 더 높은 바이어스 전압은 양자 제한 스타크 효과(quantum confined Stark effect)(QCSE)를 통해 흡수를 또한 향상시킨다. 따라서, 동작시, 바이어스 전압은 상당한 QCSE 흡수를 야기할 정도로 높지는 않은, 높은 QEO 효과를 제공하는 레벨로 설정된다. 주어진 링 변조기 구성에 대해, 그 바이어스 전압 레벨은 또한 변조기 응답의 스펙트럼 위치 및 그의 공진을 결정할 것이다. 튜닝가능한 레이저(tunable laser)를 이용하는 응용들에서, 레이저 파장은 이어서 변조기 응답을 추적하도록 조정될 수 있다. 그러나, 많은 응용들에서, 레이저의 동작 파장은 고정될 것이다. 이 경우에, 변조기 응답이 레이저 파장을 추적하는 것을 가능하게 하기 위해, 링 변조기는 링 도파관의 내부 또는 외부에 배치된 히터를 구비할 수 있으며, 히터는 링 도파관에서의 굴절률을 변화시키기 위한 독립적인 메커니즘을 제공한다. 레이저 파장 또는 히터 전력은, 적용가능한 경우, OMA를 최적화하기 위해 레이저 파장으로부터 최적의 오프셋으로 변조기 응답을 포지셔닝하는데 이용될 수 있다. 히터는 또한, 임의의 제조된 링 변조기에서, 온도 유도 파장 시프트들(temperature-induced wavelength shifts) 뿐만 아니라, 설정 바이어스 전압에서의 실제 공진 파장과 설계의 공칭 공진 파장(nominal resonance wavelength) 사이의 불일치들을 보상하기 위한 자유도를 제공한다. 일부 실시예들에서, 바이어스 전압 및 히터 전력 레벨의 값들은 온도들의 범위에 대한 교정에 의해 결정되고, 링 변조기의 동작 동안 참조(look-up)를 위해 메모리에 저장된다.
언급된 바와 같이, 하이브리드 광자 링 변조기들은 실리콘 전용 링 변조기들 뿐만 아니라, 비공진 변조기들에 비해 풋프린트 및 전력 요건들의 관점에서 이점들을 제공한다. 또한, 화합물 반도체 재료들로 완전히 구현된 링 변조기들과 비교하여, 본 명세서에 설명된 하이브리드 링 변조기들은 실리콘 회로와의 통합 및 제조가능성에 대한 이점들을 제공한다. 동일한 층에서의 화합물 반도체 링 도파관에 측방향으로 결합된 화합물 반도체 버스 도파관을 포함하는 화합물 반도체 링 변조기에서의 하나의 도전과제는, 산란으로 인한 광학 손실들을 방지하기 위해 링 도파관의 외부 측벽들을 매끄럽게 유지하고, 방사 손실 및 링 외부의 광 누설을 방지하기 위해 깊이 에칭될 필요가 있다는 것이다. 링의 외부 주위의 깊은 에칭은 소멸적 결합을 측방향으로 감소시키고, 에칭이 깊을수록, 결합 도파관이 더 가깝게 배치될 필요가 있다. 깊은 에칭은 따라서 측방향 결합 효율을 제한하고, 링 측벽의 평활도에 영향을 주지 않으면서, 작은 치수들을 리소그래픽 방식으로 정의하고 에칭하기 위한 제조 기술을 필요로 한다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 하이브리드 광자 플랫폼에서의 버스 도파관을 포함하는 실리콘 회로와 화합물 반도체 링 도파관의 통합은, 버스 도파관과 링 도파관 사이에 광을 측방향이 아닌 수직으로 결합함으로써 이러한 문제를 회피한다. 그러한 수직 결합은 링의 외부에 대한 깊고 매끄러운 에칭에 영향을 미치지 않는다. 또한, 수직 결합 거리는 리소그래피 및 에칭보다는 재료 퇴적을 통해 정의되므로, 수직으로 결합된 구조체는 측방향 결합에 의해 달성가능한 것보다 훨씬 더 작은 결합 거리들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 화합물 반도체 링 도파관에서 유도된 모드의 중심과 실리콘 버스 도파관에서 유도된 모드의 중심 사이의, 약 0.5 μm 이하의 수직 결합 거리가 바로 달성될 수 있는 반면, 측방향 결합 거리들은 전형적으로, 예를 들어, (화합물 반도체 전용 및 실리콘 전용 링 변조기들 모두에 대해) 약 0.6 μm와 2 μm 사이의 범위에서, 0.5 μm보다 크다. 하이브리드 통합이 일부 프로세스 복잡도를 추가하지만, 예를 들어, 광자 트랜시버들(또는 이에 따라 링 변조기들로 대체될 수 있는 전계 흡수 변조기들)에서의 레이저들(lasers) 및 광검출기들(photodetectors)을 구현하기 위해 하이브리드 재료 플랫폼들이 이미 이용되고 있어, 개시된 하이브리드 링 변조기들은 단순히 기존의 하이브리드 프로세서들을 적응시킴으로써 구현될 수 있다.
이제 첨부 도면들을 참조하면, 도 1a 및 1b는 각각 다양한 실시예들에 따른, 예시적인 하이브리드 링 변조기(100)의 측단면도 및 평면도이고, 도 1c 내지 도 1e는 다양한 수평 라인들을 따라 도 1a로부터 취해진 단면도들이다. 링 변조기(100)는 실리콘 버스 도파관(102)(여기서는 또한 "실리콘 도파관") 및 연관된 전기 접속들을 갖는 화합물 반도체 구조체를 포함하는 링 공진기 구조체(104)를 포함한다. 실리콘 버스 도파관(102)은 (실리콘 핸들(silicon handle)(110), 및 실리콘 핸들(110)과 실리콘 디바이스 층(106) 사이의 매립 산화물(buried oxide)(BOX) 또는 다른 절연 층(112)을 또한 포함하는) SOI 기판(108)의 실리콘 디바이스 층(106)에 형성된다. 화합물 반도체 구조체는 기판(108) 위에 배치된 화합물 반도체 재료의 층형 스택(layered stack)에 형성되고, 공진기로서 기능하는 링 도파관(114)을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 화합물 반도체 재료는, 예를 들어, 인듐 인화물(indium phosphide)(InP), 인듐 비화물(indium arsenide)(InAs), 갈륨 비화물(gallium arsenide)(GaAs), 갈륨 질화물(gallium nitride)(GaN), 또는 인듐 안티몬화물(indium antimonide)(InSb)과 같은 III-V족 재료이다. 그러나, II-VI족 또는 다른 화합물 반도체 재료들이 또한 일부 실시예들에서 이용될 수 있다. 화합물 반도체 재료는, 도시된 바와 같이, 실리콘 디바이스 층(106)에 직접 본딩되거나, 유전체 재료(116)의 얇은 층에 의해 실리콘 디바이스 층(106)으로부터 분리될 수 있다. 링 변조기(100)는 연관된 전기 접속들과 함께, 저항 가열 금속 필라멘트(resistively heated metal filament)의 형태를 취하는 히터(118)를 더 포함할 수 있다. 히터(118)는, 도시된 바와 같이, 링 공진기 구조체(104)의 내부에, 특히, 링 도파관(114) 및/또는 그 위의 링 형상 층들의 내부에 배치될 수 있다. 대안적으로, 히터(118)는 링 도파관(114) 및/또는 그 위의 링 형상 층들을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. (다양한 예시적인 히터 구성들에 대해서는 아래의 도 2a 내지 도 2f를 참조.) 연관된 전기 접속들을 포함하는 링 공진기 구조체(104) 및 히터(118)는 유전체 클래딩(dielectric cladding)(119)에 내장될 수 있다.
도시된 실시예에서, 실리콘 도파관(102)은 실리콘 디바이스 층(106)을 통한 부분적 에칭에 의해 생성된 채널들(120) 사이에 정의된 리브(rib) 도파관이고, 그 아래에 실리콘의 얇은 슬래브(slab)를 남긴다. 화합물 반도체 구조체는, 예를 들어, 원형 디스크의 형태를 취하는 n-타입 층(122), 및 n-타입 층(122) 위에 배치된, 링 도파관(114)을 형성하는 활성 층(또는 "활성 영역") 및 링 도파관(114) 위에 배치되고 얇은 p-접촉 층(p-contact layer)(126)에 의해 선택적으로 커버되는 p-타입 층(124)을 포함하는 링 형상 메사(ring-shaped mesa)를 포함하는, 원통 대칭형 p-i-n 다이오드 구조체(121)이다. 히터(118)는 링 도파관(114) 또는 p-타입 층(124)의 레벨에 배치될 수 있다. 링 도파관(114)과 동일한 수직 레벨에 히터(118)를 배치하는 것을 용이하게 하기 위해, n-타입 층(122)이 히터(118) 아래에 에칭되어 링 구조체를 형성할 수 있다. 링 도파관(114)을 구성하는 활성 층은 일반적으로 양자 우물들(quantum wells), 양자 점들(quantum dots), 양자 대시들(quantum dashes), 또는 벌크 화합물 반도체(예를 들어, III-V) 재료로 형성될 수 있다. 특정의 유익한 실시예들에서, 활성 층에 대해 다수의 양자 우물들이 이용된다. 활성 영역에서의 굴절률 변화는 주로 양자 우물들에서 발생하고, 따라서 다수의 우물들의 이용은 링 도파관(114)에서의 광학 모드와 변화된 굴절률의 영역 사이의 중첩을 증가시키는 기능을 할 수 있다. QCSE로 인한 활성 영역에서의 광의 흡수를 감소시키기 위해, 양자 우물들은 그들의 광 발광 파장(photoluminescence wavelength)이 변조될 광의 의도된 동작 파장(예를 들어, 레이저 파장)으로부터 실질적으로 (예를 들어, 적어도 100 nm만큼) 디튜닝되도록 설계될 수 있다.
p-i-n 다이오드 구조체(121)에 대한 전기 접속들은 링 형상 메사를 둘러싸는 n-타입 층(122)의 최상부 상에 배치된 n-접촉 링 전극(128), 및 p-접촉 층(126)의 최상부 상에 (또는, p-접촉 층을 포함하지 않는 실시예들에서, p-타입 층(124)의 최상부 상에 직접) 배치된 p-접촉 링 전극(130)을 포함한다. 또한, 전기 접속들은 전극들(128, 130)을 p-i-n 다이오드 구조체(121)와 연관되고 이것을 동작하는데 이용되는 전자 드라이버 회로의 전기 단자들에 접속하고, 히터(118)를 히터 전원에 접속하기 위한 금속 라우팅 층들 및 비아들을 포함한다. p-접촉 링 전극(130) 바로 위의 레벨에 배치된 제1 금속 라우팅 층은 p-접촉 링 전극(130)의 최상부 바로 위의 폐쇄된(closed) 금속 링(132), 및 연관된 측방향으로 연장되는 금속 트레이스들(metal traces)(136, 137)을 갖는 n-접촉 링 전극(128) 위의 절단된(broken) 금속 링(134)을 포함한다. 절단된 금속 링(134)은 n-접촉 링 전극(128)의 원주(circumference)의 더 큰 부분을 따라 연장되고, 링(134)을 따라 다양한 각도들로 배치될 수 있는 하나 이상의 금속 비아(138)에 의해 n-접촉 링 전극(128)에 접속된다. 제1 라우팅 층의 레벨보다 높은 레벨에 배치된 제2 금속 라우팅 층은 폐쇄 금속 링(132) 위에서, 금속 비아들(또는 단일의, 예를 들어, 링 형상 비아)(142)에 의해 폐쇄 금속 링(132)에 접속된 절단된 금속 링(140)을 포함하고, 연관된 측방향 연장 금속 트레이스(144)를 갖는다. 금속 트레이스(144)는 제1 금속 라우팅 층의 링(134)에서의 절단부(break) 위에 위치된다; 이 절단부는 제1 금속 라우팅 층과 제2 금속 라우팅 층 사이의 증가된 커패시턴스를 피하도록 기능하는데, 이는 그렇지 않으면 달성가능한 신호 변조 속도에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 금속 링(140)에서의 절단부는 제2 금속 라우팅 층에서의 금속 트레이스들(146, 147)을, 트레이스들(146, 147)을 히터(118)에 수직으로 접속하는 비아들(148)에 대해 수용하는 기능을 한다. 히터(118)가 링 도파관(114)을 둘러싸도록 배치되는 실시예들 뿐만 아니라, 히터(118)가 없는 실시예들에서, 제2 금속 라우팅 층에서의 금속 링은 폐쇄될 수 있다. 금속 라우팅 층들 및 비아들의 구성은 링 전극들(128, 130)에 의해 확립된 바와 같이, p-타입 및 n-타입 층들 둘다와의 연속적인 원형 접촉을 가능하게 하도록 설계된다. 제1 및 제2 금속층들을 접속하는 비아들(138)은 p-측 전기 인터페이스가 n-접촉 전극에서 절단부를 생성하지 않고 n-측 전기 인터페이스 위에서 라우팅하는 것을 허용한다. 유사하게, 히터 전기 인터페이스는 그들의 접촉 전극들에서 절단부들을 야기하지 않으면서, p-측 및 n-측 전기 인터페이스들 위에서 라우팅할 수 있다.
링 도파관(114)은 그의 원주의 일부가 실리콘 버스 도파관(102)에 측방향으로 중첩하게 위치되어, 도 1b에서의 광학 모드들(150, 152)에 의해 나타낸 바와 같이, 광이 중첩 영역 또는 "결합 영역"에서 실리콘 버스 도파관(102)과 링 도파관(114) 사이에 수직으로 결합할 수 있게 한다. 즉, 실리콘 버스 도파관(102) 및 링 도파관(114)은 결합 영역에 수직 지향성 커플러(vertical directional coupler)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 실리콘 도파관(102)은 직선이고, 폭이 균일할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 실리콘 도파관(102)은, 예를 들어, 링 도파관(114)의 윤곽의 일부를 따르도록 만곡될 수 있고/있거나 결합 효율을 개선하기 위해 중첩 영역에서 테이퍼 다운(tapered down) 및 백업(back up)된다. 그 아래의 실리콘 디바이스 층(106)에 결합하는 것으로 인한 링 도파관(114)에서의 광학 손실들을 감소시키기 위해, 실리콘은 링 도파관(114) 아래에서 연장되고, 버스 도파관(102)을 정의하는 채널들(120) 중 하나와, 링 도파관(114)의 일 측면에 대해, 통합되는 링 형상 채널(153)에서 에칭되고 산화물 충전될 수 있다(또는 일부 다른 유전체로 충전될 수 있다). 도 1b 내지 도 1e는 광학 입력(일반적으로 154로 표시됨)으로부터 광학 출력(일반적으로 156으로 표시됨)으로의 실리콘 버스 도파관(102)에서의 광 전파의 방향 뿐만 아니라, 링 도파관(114)에서의 광 전파의 방향(도시된 경우에서는 반시계 방향)을 화살표들로 도시한다.
하이브리드 링 변조기(100)의 구조는 일반적인 설계 원리들을 벗어나지 않으면서 다양한 방식들로 변경될 수 있다. 예를 들어, p-i-n 다이오드는 최하부 상의 (n-타입이 아닌) p-타입 원형 디스크 및 최상부 상의 (p-타입이 아닌) 링 형상 n-타입 층으로 형성될 수 있다. 또한, 다양한 링들 및 층들의 상대적인 폭들 및 두께들, 및 다른 치수들은 도시된 것들과 상이할 수 있다. (일반적으로, 도 1a 내지 도 1e는 축척대로 그려진 것이 아니라, 단지 링 변조기의 구조적 구성을 개략적으로 도시하는 기능을 한다는 것을 이해해야 한다.) 또한, n-타입 및 p-타입 층들에 대한, 그리고 적용가능한 경우에 히터(118)에 대한 전기 인터페이스를 집합적으로 형성하는 전극들 및 금속 트레이스들 및 비아들은 (예를 들어, 더 적거나 더 많은 금속 라우팅 층들을 포함하는) 많은 상이한 방식들로 구성될 수 있지만, (예를 들어, 접촉 효율, 제조 복잡도 및 다른 기준들의 관점에서) 일부 구현들이 다른 것들에 비해 바람직하다. 또한, 특정 실시예들에서, 예를 들어, 링 변조기가 튜닝가능한 레이저 입력과 함께 이용되는 경우, 히터(118)는 생략될 수 있다.
이제 도 2a 내지 도 2f를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른, 도 1a 내지 도 1e에 도시된 바와 같은 하이브리드 링 변조기(100)에서 이용하기 위한 예시적인 히터 구성들이 평면도들에 도시되어 있다. 도 2a 및 도 2b는, 수직 비아들(148)에 의해 개개의 히터(200, 202)의 종단 포인트들에 접속되는 금속 트레이스들(146, 147)에 대한 사행형들(serpentines)의 배향에서 서로 상이한 사행형 금속 필라멘트들로서 구현된, (기판의 평면 내로 투영되는 경우, 즉, 임의의 수직 변위를 무시하는 경우의) 링 도파관(114) 내부의 배치를 위한 히터들(200, 202)을 도시한다. 도 1a 뿐만 아니라, 도 2a에 도시된 사행형 히터(200)에서, 사행형들은 히터(200)에 라우팅된 금속 트레이스들(146, 147)에 수직으로 배향된다. 도 2b의 사행형 히터(202)에서, 사행형들은 금속 트레이스들(146, 147)과 평행하게 배향되고, 종단 포인트들(및 비아들(148))은 금속 트레이스들(146, 147)과 동일한 히터(202)의 측면에 있다.
도 2c 및 도 2d는 링 도파관(114)의 원주의 일부를 따라 연장되는 호 형상(arc-shaped)(실질적으로 원형) 및 정사각형 형상 금속 필라멘트들로서 구현되는, 또한 링 도파관(114) 내부의 배치를 위한 히터들(210, 212)을 도시한다. (예를 들어, 육각형 또는 직사각형 필라멘트들 등에 의해 형성되는) 다른 볼록 히터 형상들이 또한 가능하다. 히터들(210, 212)은 금속 트레이스들(146, 147)에 접속된 종단 포인트들을 분리하는 작은 개구를 남기면서, 링 도파관(114) 주위에서 거의 완전히 연장된다. 일반적으로, 이들 및 유사한 볼록 형상 히터들은 링 공진기 구조체의 중심에 관해 적어도 270°의 각도를 커버할 수 있다.
도 2e 및 도 2f는 링 도파관(114)의 외부에 배치된 히터들(214, 216)의 예들을 제공하며, 이러한 히터들 모두는 (예를 들어, 링 도파관(114)의 중심에 관해 적어도 180°의 각도를 둘러싸면서) 링 도파관(114) 주위에서 부분적으로 연장된다. 도 2e에서, 히터(214)는 링 도파관(114) 주위의 호(arc)에서 연장되는 단일의 더 넓은 금속 필라멘트의 형태를 취하며, 종단 포인트들은 히터의 두 측면들 상에 있고, 연관된 금속 트레이스들(218, 219)은 상이한 방향들로부터 들어온다. 도 2f에서, 히터(216)는 링 도파관(114)의 원주의 일부를 따라 앞뒤로 연장되는 호 형상 사행형 필라멘트이며, 히터(216)의 동일한 측면 상에 종단 포인트들 및 금속 트레이스들(146, 147)을 갖는다. 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 다양한 도시된 히터 구성들은 단지 예들일 뿐이며, 다른 형상들 및 구성들이 대안적으로 이용될 수 있다. 일반적으로, 히터(118)는 링 도파관(114)을 효율적으로 가열하기 위해 링 도파관(114)에 충분히 근접하도록 구성된다.
도 3a 내지 도 3g는 다양한 실시예들에 따른, 도 1a 내지 도 1e에 도시된 바와 같은 하이브리드 링 변조기(100)의 제조 동안의 다양한 스테이지들에서의 반도체 광자 구조체들의 측단면도들이다. 링 변조기(100)는 도 3a에 도시된 실리콘 핸들(110), BOX(예를 들어, 실리콘 산화물 층)(112) 및 실리콘 디바이스 층(106)을 포함하는 SOI 기판(108) 상에 형성된다. 제조는 링 변조기(100)가 통합되는 더 큰 광자 회로의 임의의 다른 도파관들 및 실리콘 디바이스 구조체들과 함께, 도 3b에 도시된 실리콘 버스 도파관(102) 및 링 도파관(114) 아래로 연장될 채널을 형성하기 위해 실리콘 디바이스 층(106)을 포토리소그래픽 패터닝 및 에칭함으로써 시작된다. 실리콘 버스 도파관(102)은 부분적인 에칭에 의해 실리콘 디바이스 층(106)에 생성된 채널들(120) 사이에 정의된 리브를 형성할 수 있다. 실리콘 디바이스 층(106)의 그러한 패터닝 이후에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 채널들(120)(및 다른 에칭된 피쳐들)을 충전하고, 패터닝된 기판(108)을 평탄화하기 위해 실리콘 디바이스 층(106) 위에 유전체(예를 들어, 실리콘 산화물) 층(116)이 도포된다.
링 변조기의 화합물 반도체 구조체의 생성은, 도 3d에 도시된 바와 같이, 적절한 층 구조를 갖는 화합물 반도체 다이(300)를 실리콘 디바이스 층(106)에 형성된 실리콘 버스 도파관(102)과 측방향으로 중첩하는 유전체 층(116)에 본딩함으로써 시작한다. 본딩은, 예를 들어, 어닐링(annealing) 또는 진공 지원 웨이퍼 본딩(vacuum-assisted wafer bonding)이 후속되는 본딩 표면들의 플라즈마 활성화(plasma activation), 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 다른 본딩 기술들을 이용하여 달성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 다이(300)는 III-V 재료로 만들어지고, p-i-n 다이오드 구조체(121)의 n-타입, 활성, p-타입, 및 p-접촉 층들로서 기능하게 될 적절하게 도핑된 진성(intrinsic) 층들을 포함한다. 다이오드 구조체(121)는 그 위에 최하부 원형 디스크 및 링 형상 메사를 형성하기 위해 교번하는 포토리소그래픽 패터닝 및 에칭 단계들의 시퀀스에 의해 다이(300)에 생성되고, 이어서 최상부에서의 p-접촉 층(126) 및 최하부 n-타입 층(122)이 금속화되어, 도 3e에 도시된 n-접촉 및 p-접촉 링 전극들(128, 130)을 생성한다.
그 다음, 히터(118) 및 금속 링들(132, 134) 및 제1 금속 라우팅 층의 연관된 트레이스들 및 연관된 비아들(138)이, 다수의 단계들에서 유전체 클래딩(119)을 이용하여 평탄화하고, 유전체 클래딩(119)을 패터닝 및 에칭하고, 에칭된 구조체들을 금속으로 충전하고, 다시 연마함으로써 생성된다. 도 3f는 결과적인 구조체를 도시한다. 그 다음, 제2 금속 라우팅 층 및 연관된 비아들(142)이, 더 많은 유전체 클래딩(119)을 이용하여 평탄화하고, 제2 금속 라우팅 층을 제1 라우팅 층 및 히터(118)에 접속하는 비아들(142, 148)을 에칭 및 충전하고, 금속 링(140) 및 연관된 트레이스(144) 및 히터(118)를 위한 금속 트레이스들(146, 147)을 포함하는 제2 금속 라우팅 층을 도포함으로써, 유사한 프로세스에서 생성된다. 도 3g는 링 변조기(100)의 결과적인 최종 구조체를 도시한다.
전술한 하이브리드 링 변조기들(100)은 일반적으로, 예를 들어, 광자 송신기들 또는 트랜시버들을 포함하는 하이브리드 재료 플랫폼에서 구현된 임의의 광자 시스템에서 이용될 수 있다. 하이브리드 링 변조기들(100)에 의해 제공된 작은 풋프린트 및 높은 튜닝 효율은, 전계 흡수 또는 마하-젠더 변조기들과 같은 종래의 광학 변조기들과 비교하여, 송신기들 또는 트랜시버들에서 (예를 들어, 16보다 큰) 높은 레인 카운트들을 용이하게 하는데 특히 유리하다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른, (예를 들어, 도 1a 내지 도 1e에 도시된 링 변조기(100)에 의해 구현된 바와 같은) 하이브리드 링 변조기(402)를 포함하는 예시적인 광자 트랜시버 시스템(400)의 개략적인 블록도이다. 간소화를 위해, 단일 레인만이 도시된다. 그러나, 도시된 컴포넌트들은 다수 레인 트랜시버 실시예들을 달성하기 위해 바로 복제될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광자 트랜시버 시스템(400)은 제어 및 데이터 처리 기능들을 제공하는 전자 회로(406)와 인터페이스하는 PIC(404)를 포함한다.
PIC(404)는 광학 캐리어 신호를 생성하는 레이저(408), 인가된 전기 신호에 따라 레이저(408)에 의해 출력된 광학 캐리어 신호를 진폭 변조하는 링 변조기(402), 및 송신기 출력 포트(410)를 포함한다. 레이저(408), 링 변조기(402) 및 송신기 출력 포트(410)는 송신기 경로 도파관(412)에 의해 광학적으로 결합되며, 그 일부는 링 변조기(402)의 버스 도파관을 형성한다. PIC(404)는 수신기 입력 포트(418)로부터 수신기 경로 도파관(416)을 통해 수신된 변조된 (데이터 운반) 광학 신호들을 전기 신호들로 변환하는 기능을 하는 데이터 포토다이오드(414)를 더 포함한다. 송신기 출력 포트(410) 및 수신기 입력 포트(418)는, 예를 들어, 트랜시버 도파관들(412, 416)과 광학 통신 네트워크의 광섬유들 사이에 광을 결합하는 광학 커플러들로서 구현될 수 있다. 레이저(408) 및 포토다이오드(414)는, 링 변조기(402)와 같이, 그들 개개의 광학적 활성 영역들에 대해 III-V (또는 다른 화합물 반도체) 재료들을 이용하여 구현될 수 있다.
PIC(404)는 도시된 바와 같이, 링 변조기(402)에 선행 및 후속하는, 송신기 경로 도파관(412)에서의 탭들(420)을 더 포함할 수 있다. 탭들(420)은 송신기 경로 도파관(412)에서 레이저 광의 작은 고정된 부분(예를 들어, 강도에 있어서의 5%)을 분리하여, 그 부분을 (예를 들어, III-V 재료들을 이용하여 마찬가지로 구현된) 개개의 모니터 포토다이오드(422)로 지향시킨다. 링 변조기(402) 이전 및 이후의 광학 강도를 모니터링함으로써, 교정 동안 및 미션 모드 동작(mission-mode operation)에서 타겟 삽입 손실을 달성하기 위해, DC 전압 및 히터 전력 레벨들과 같은 변조기 설정들을 조정하도록 피드백을 제공할 수 있으며, 그러한 피드백 제어의 상세는 도 7 및 도 8을 참조하여 아래에 제공된다.
전자 회로(406)는 전자 전력/제어 및 데이터 라인들(파선들로 표시됨)을 통해 PIC의 다양한 광학 컴포넌트들과 통신한다. 예를 들어, 전자 회로는 링 변조기(402)의 p-i-n 다이오드 양단에 (예를 들어, RF 영역에서의) 전기 스윙 전압, 및 선택적으로 DC 바이어스 전압을 인가하는 변조기 드라이버(424)를 포함한다. 또한, 히터를 포함하는 링 변조기 실시예들에서, 전자 회로(406)는 DAC(digital-to-analog converter) 회로(426)로의 디지털 입력 신호에 의해 설정된 레벨에서 변조기 히터에 전력을 제공하는 DAC 회로(426)를 포함한다. ADC(analog-to-digital converter) 회로(428)는 모니터 포토다이오드들(422)을 판독하는 기능을 한다. 더욱이, PIC 수신기에 의해 수신된 광학 신호들을 처리하기 위해, 전자 회로(406)는 수신기의 데이터 포토다이오드(414)로부터의 데이터 판독을 위한 증폭기, 등화기, 및 고속 ADC 회로(430)를 포함한다. 변조기 드라이버(424), 변조기 링 히터를 위한 DAC 회로(426), 모니터 포토다이오드들(422)을 위한 ADC 회로, 및 데이터 포토다이오드(414)의 판독을 위한 고속 ADC 회로(430)는 모두 마이크로프로세서(432)와 통신할 수 있으며, 마이크로프로세서(432)는 이번에는, 예를 들어, 링 변조기(402)와 연관된 전압 및 전력 설정들을 저장하는 통합된 메모리(434)(예를 들어, 플래시 메모리)를 포함하거나 그것에 액세스할 수 있다.
다수 레인 트랜시버 시스템을 구현하기 위해, 다양한 광학 및 전자 컴포넌트들이 복제될 수 있다. 다수 레인 트랜시버 시스템에서, 각각의 레인은 그 자신의 링 변조기(402) 및 (적용가능한 경우) 히터에 대한 연관된 변조기 드라이버(424) 및 DAC 회로(426) 뿐만 아니라, 그 자신의 데이터 포토다이오드(414)를 갖는다. 더욱이, 각각의 레인은 그 자신의 레이저(408)를 포함할 수 있지만, 대안적으로, 레이저의 출력이 변조 이전에 다수의 레인들 사이에서 또한 분할될 수 있다. 유사하게, 각각의 레인은 그 자신의 송신기 출력 포트(410) 및 수신기 입력 포트(418)를 가질 수 있거나, 대안적으로, 상이한 레인들로부터의 상이한 파장들에서 변조된 신호들이 멀티플렉싱되어 공유 출력 포트(410)를 통해 송신될 수 있고, 공유 입력 포트(416)를 통해 수신된 멀티플렉싱된 인입 신호들은 다수의 연관된 레인들 사이의 분배 이전에 디멀티플렉싱될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 하이브리드 광자 링 변조기들은 그들의 전력 효율 및 작은 풋프린트 덕분에, 다른 타입들의 광학 변조기들에서 실현가능한 것보다 더 높은 레인 카운트 광자 트랜시버 시스템들을 용이하게 할 수 있다.
이제 변조 성능에 관해 논의하면, 도 5a 및 도 5b는 다양한 실시예들에 따른, 각각 더 높은 바이어스 전압에서의 흡수가 없는 및 그러한 흡수가 있는 다양한 바이어스 전압 레벨들에서의 하이브리드 광자 링 변조기의 예시적인 스펙트럼 변조기 응답들이다. 모든 변조기 응답들(또는 "송신 곡선들")은 입력 광학 전력에 대해 데시벨로 측정된 링 변조기의 송신, 즉, 버스 도파관의 출력에서의 광학 전력을, 1299.9 nm 내지 1300.5 nm의 범위에 걸친 레이저 파장의 함수로서 보여준다.
(예를 들어, 레이저 동작 파장으로부터의 양자 우물 광 발광 파장의 충분한 디튜닝으로 인한) 링 도파관에서의 흡수에서의 임의의 전압 의존적 변화의 부재 시에, 도 5a에 도시된 바와 같이, (각각의 송신 곡선의 스펙트럼 피크에 대응하는) 최소 송신 전력은 바이어스 전압 레벨과는 독립적이고; 도시된 예에서, 그 최소는 입력 전력의 1% 미만의 출력 전력에 대응하는 -20 dB보다 약간 작은 값을 가지며, 따라서 입력의 99%를 초과하는 삽입 손실을 갖는다. 볼 수 있는 바와 같이, 그의 공진 파장(즉, 피크와 연관된 파장)을 포함하는 변조기 응답은 전압이 증가함에 따라 더 긴 파장들로 시프트하여, 굴절률에서의 증가 또는 주어진 동작 파장에서의 광학 위상의 증가를 반영한다. 이러한 효과는 스윙 전압을 바이어스 전압 상에 중첩시킴으로써 송신을 변조하는데 이용된다. 스윙 전압의 함수로서의 송신 전력의 단조로운 증가 또는 감소는, 변조된 광의 동작 파장에 대한 변조기 응답의 스펙트럼 위치를, 동작 파장이, 예를 들어, 피크부터 피크까지 1 V의 범위에 걸쳐 있을 수 있는, 전체 스윙 동안의 (시프팅) 피크의 좌측 또는 우측에 각각 속하도록 튜닝함으로써 달성될 수 있다. 도 5a로부터 더 알 수 있는 바와 같이, 파장 구배(wavelength gradient) 또는 전압 증분 당 파장 시프트는 더 높은 전압에 대한 인접 곡선들 사이의 더 큰 확산에서, 0 V, 1 V, 2 V, 3 V, 4 V 및 5 V의 등거리 바이어스 전압들에 대한 일련의 송신 곡선들에서, 반영된 바와 같이, 증가하는 전압에 따라 증가한다. 파장 구배에서의 이러한 증가는 더 높은 전압들에서의 점점 더 지배적인 QEO 효과의 결과이고, 튜닝 효율의 증가에 대응한다.
실제로, 링 도파관에서의 흡수는 QCSE로 인해 더 높은 바이어스에서 적어도 약간 증가하지만, 이러한 효과는, 언급된 바와 같이, (양자 우물들의 적절한 설계를 통해) 링 도파관의 흡수 파장을 동작 파장으로부터 멀리 이동시킴으로써 감소될 수 있다. 도 5b는 (도 5a에 대한 150 nm 이상과 비교하여, 단지 약 100 nm의 양자 우물 광 발광의 디튜닝으로 인해) 0 V와 5 V의 바이어스 전압들 사이의 흡수에서의 증가가 상당한 경우를 도시한다. 도시된 예에서, 링 변조기는 약 2 V의 바이어스에서 임계 결합되고, 0 V에서 과소 결합되고, 4 V 및 5 V에서 과도 결합된다. 과소 결합된 경우에, 버스 도파관에 다시 결합되는 링 도파관에서의 1회 왕복 후의 광학 전력은 입력으로부터 출력으로 버스 도파관을 따라 직접 송신된 광학 전력을 초과한다. 과도 결합된 경우에, 직접 송신된 전력은, 링 도파관에서의 높은 흡수로 인해, 링 도파관을 통한 1회 왕복 후의 전력을 초과한다. 높은 과소 결합 또는 높은 과도 결합에서, 변조 효율이 감소되고; 변조기가 약간만 과소 결합, 거의 임계 결합일 때, 최대 변조 효율이 발생한다.
QCSE 기반 광학 흡수로부터 초래되는 변조 효율에서의 감소에 대해, QEO 효과에 의해 획득된 튜닝 효율에서의 증가를 균형화하는 것은, 동작 파장이, 높지만 너무 높지는 않은 바이어스 전압(예를 들어, 도시된 예에서는, 도 5a에서 약 5 V 또는 도 5b에서 3 V의 바이어스 전압)과 연관된 변조기 응답의 피크 근처에 속하는 것이 일반적으로 바람직하다. 원하는 바이어스 전압에 대한 변조기 응답과의 동작 파장의 정렬은 동작 파장 자체를 튜닝함으로써, 또는 동작 파장이 고정되어 있는 경우, 링 변조기를 가열함으로써 달성될 수 있다. 바이어스 전압에서의 증가와 같이, 열은 변조기 응답을 더 긴 파장들로 시프트한다. 히터 전력 레벨들의 전형적인 범위에 걸쳐, 변조기 응답은 변조기의 다수의 개개의 공진들과 연관된 다수의 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)(FSR)들(여기서, 인접한 스펙트럼 범위들은 링 도파관에 축적된 광학 위상에서 2 π만큼 상이함)에 걸쳐 시프트할 수 있어, 히터가 변조기 응답을 따라 원하는 포인트에서 레이저 파장과 정렬되는 변조기의 FSR을 효과적으로 선택할 수 있게 한다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, 하이브리드 링 변조기에 대한 예시적인 OMA 및 아이 크로싱을 히터 전력의 함수로서 도시하는 그래프이다. 이 예에서, 링 변조기는 더 높은 바이어스 전압에서 무시할만한 흡수를 갖는 Ⅲ-Ⅴ-온-실리콘 링 변조기이다. 1 V(피크-대-피크)의 전압 스윙은 고정된 바이어스 전압 레벨에서 인가되고, 레이저는 고정된 동작 파장에서 유지된다. 히터 전력이 증가함에 따라, 선택된 바이어스 전압에 대한 변조기의 송신 곡선은 더 긴 파장들을 향해 시프트하고, 레이저 파장에 의해 결정되고 전압 스윙의 중심(예를 들어, -0.5 V로부터 + 0.5 V로의 스윙에 대해 0 볼트)에 대응하는 송신 곡선을 따른 동작 포인트는, 따라서 더 낮은 파장들을 향한 방향으로 송신 곡선에 대해 이동한다. 송신 곡선의 더 긴 파장 또는 "적색" 에지 상의 동작 포인트로부터 시작하는 OMA 곡선들(600, 602)에 의해 도시된 바와 같이, 히터 전력이 증가하고 동작 포인트가 곡선의 공진 피크(송신 최소)를 향해 이동함에 따라, OMA(곡선(600))는 초기에 증가하지만, 스윙 전압이 송신 최소를 가로질러 이동함에 따라 (604에서) 최대에 도달하고 빠르게 강하한다. 히터 전력이 더 증가함에 따라, 동작 포인트는 송신 곡선의 더 짧은 파장 또는 "청색" 에지로 이동하고, (이제 곡선(602)을 따라) OMA는 다시 증가하여, (606에서) 피크에 도달하고, 그 후 점진적으로 떨어진다. 볼 수 있는 바와 같이, 무흡수 변조기(absorption-free modulator)의 경우, OMA는 변조기의 공진 피크에 관해 대칭이다.
높은 튜닝 효율, 즉, 주어진 전압 스윙에 대해 높은 OMA를 달성하는 것에 더하여, 광학 변조는 (최대와 최소 광학 진폭 사이의 중간 포인트가 스윙 전압의 0 V 중간 포인트와 일치하는) 50% 아이 크로싱에서 반영된 바와 같이, 전압 스윙의 중간 포인트에 관해 대칭인 것이 바람직하다. 도 6에서, 아이 크로스는 변조기 송신 곡선들의 적색 및 청색 에지들(각각 곡선들(608, 610))에 대한 히터 전력의 함수로서 도시된다. 직관적으로, 스윙 전압이 변조기의 공진 피크를 가로질러 앞뒤로 통과함에 따라, 곡선들(608, 610)에서 매우 낮고 매우 높은 아이 크로싱 레벨에 의해 도시된 바와 같이, 광학 변조는 고도로 비대칭이 된다. 50% 아이 크로싱 레벨은 OMA 피크들(604, 606)에 가깝지만 정확히 그것에 있지는 않은 두 에지들 상에서 달성된다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른, 통합된 히터를 갖는 하이브리드 광자 링 변조기(예를 들어, 도 1a 내지 도 1e의 링 변조기(100))를 교정하는 방법(700)의 흐름도이다. 방법(700)은 타겟 동작 파장에서 고정된 미션 모드 전력으로 설정된 레이저로 수행된다(동작 702). 히터(예를 들어, 링 변조기(100)의 히터(118))의 전력은 초기에, 레이저의 파장에 대한 변조기 공진의 정렬에 대응하여, 링 변조기가 그의 송신 최소(최대 삽입 손실)에 도달할 때까지 튜닝된다(동작 704). 변조기 p-i-n 다이오드 양단의 DC 바이어스 전압은 이어서 전압들의 범위의 걸쳐 스테핑(stepping)되고, 변조기를 최대 삽입 손실로 유지하기 위해 히터 전력이 동시에 조정된다(동작 706). 각각의 단계에서, 링 변조기의 튜닝 효율이 (예를 들어, nm/V 단위로) 결정되고, 최대 삽입 손실과 함께 기록된다. 테스트된 DC 바이어스 전압 범위 내에서, 최대 삽입 손실을 명시된 손실 컷오프 레벨(예를 들어, 20 dB) 위로 여전히 유지하면서 RF 전압 스윙을 최고 튜닝 효율로 유지하는 바이어스 레벨이, 이어서 타겟 DC 바이어스 전압으로서 선택된다(동작 708). 손실 컷오프 레벨은 일반적으로 최대 OMA에 대한 특정 디바이스 최적화에 기초한다. 언급된 바와 같이, 링 변조기가 점점 더 과도 결합됨에 따라, 링 도파관에서의 흡수가 증가하고, 그에 따라 최대 삽입 손실이 감소할 것이다. 손실 컷오프 레벨은 이러한 높은 흡수 영역을 피하도록 설정된다.
타겟 DC 바이어스 전압이 결정되면, 히터 전력은 변조기 응답의 (원하는 바에 따라) 적색 또는 청색 에지가 동작 파장과 정렬되도록, 그러한 에지를 찾기 위해 조정된다(동작 710). 더 구체적으로, 타겟 파장에서의 고정된 미션 모드 전력에서 설정된 레이저 및 타겟 레벨로 설정된 DC 바이어스 전압인 경우, 미션 모드 스윙 레벨에서의 RF 전압이 인가된다. 히터 전력은 튜닝되고(예를 들어, 점진적으로 증가되고, 0 가열(zero heating)에서 시작함), 결과적인 변조기 삽입 손실(또는 송신)이 변조기 응답의 의도된 에지를 찾기 위해 측정된다. 적색 에지에 대해, (전기 데이터 = "1"이 광학 데이터 = "1"에 대응하도록) 히터 전력에 따라 삽입 손실이 증가(송신이 감소)하고, 청색 에지에 대해, (전기 데이터= "1"이 광학 데이터 = "0"에 대응하도록) 히터 전력에 따라 삽입 손실이 감소(송신이 증가)한다. 다음, 히터 전력이 계단식으로 조정되고, 타겟 아이 크로싱 포인트(예를 들어, 50%)를 찾기 위해, 각각의 단계에서 (예를 들어, 링 변조기(402, 100)에 선행 및 후속하는 탭들(420) 및 모니터 포토다이오드들(422)을 이용하여) 아이 크로싱 및 삽입 손실이 측정된다(동작 712). (50% 아이 크로싱에 대응하는) 링 변조기의 DC 전압 바이어스, 히터 전력, 및 타겟 삽입 손실에 대한 결정된 값들은, 이어서 통합된 메모리(예를 들어, 마이크로프로세서(432)에서의 플래시 메모리와 같은 메모리(434))에 저장된다(동작 714). 교정은 온도들의 범위에 걸쳐 DC 전압 바이어스, 히터 전력, 및 타겟 삽입 손실의 타겟 값들에 대한 참조 테이블(lookup table)을 생성하기 위해 다수의 온도들에서 반복될 수 있다(온도는 동작 716에서, 예를 들어, 링 변조기를 포함하는 PIC를 제어된 온도 환경에 배치함으로써 변경됨).
도 8은 다양한 실시예들에 따른, 통합된 히터를 갖는 하이브리드 광자 링 변조기(예를 들어, 도 1a 내지 도 1e의 링 변조기(100))를 동작하는 방법(800)의 흐름도이다. 미션 모드에서 링 변조기를 초기화할 때, 변조기의 온도가 (예를 들어, PIC에 통합된 온도 센서를 이용하여) 판독된다(동작 802). DC 바이어스 전압 및 히터 전력은 이어서, 측정된 온도에 대한 참조 테이블 값들에 기초하여 설정된다(동작 804). 다음, 히터 전력은 초기에 측정된 온도에 대해 참조 테이블로부터 판독된 타겟 삽입 손실에 도달하기 위해 (예를 들어, 링 변조기(402, 100)에 선행 및 후속하는 탭들(420) 및 모니터 포토다이오드들(422)을 이용한) 변조기 삽입 손실의 측정들에 기초하여 미세 조정된다(동작 806). 링 변조기의 동작 동안, 예를 들어, 데이터 의존적 자체 가열로 인한 온도에서의 임의의 변동을 보상하기 위해, 히터 전력이 제어 루프(808)에서 계속하여 조정될 수 있다(동작 808).
링 변조기에 히터를 포함하지 않는 실시예들에서, 교정 및 동작 방법들(700, 800)에서의 히터 튜닝은 레이저 파장을 튜닝하는 것에 의해 대체된다. 참조 테이블은, 이 경우에, 온도들의 범위에 걸친 DC 전압 바이어스, 레이저 파장, 및 변조기 삽입 손실의 타겟 값들을 열거한다.
첨부 도면들에 도시된 예시적인 실시예들과 함께 하이브리드 광자 링 변조기들의 동작의 구조 및 원리들을 설명하였지만, 다음의 번호 부여된 예들은 다양한 예시적인 실시예들을 더 정의한다.
1. 하이브리드 광자 링 변조기로서, 실리콘-온-절연체(SOI) 기판의 실리콘 디바이스 층에 형성된 실리콘 버스 도파관; 및 상기 실리콘 디바이스 층 위에 형성된 링 공진기 구조체―상기 링 공진기 구조체는 반도체 화합물 재료 및 연관된 전극들의 p-i-n 다이오드 구조체를 포함하고, 상기 p-i-n 다이오드 구조체의 활성 영역은 상기 버스 도파관과 측방향으로 중첩하는 링 도파관을 형성하고, 상기 링 도파관 및 상기 실리콘 버스 도파관은 함께 중첩 영역에 수직 지향성 커플러를 형성함―를 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
2. 예 1의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 링 도파관은 약 5 μm와 약 50 μm 사이의 직경을 갖는, 하이브리드 광자 링 변조기.
3. 예 1 또는 예 2의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 반도체 화합물 재료는 III-V 재료인, 하이브리드 광자 링 변조기.
4. 예 1 내지 예 3 중 어느 하나의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 활성 영역은 양자 우물들을 포함하고, 상기 양자 우물들의 광 발광 파장은 상기 하이브리드 광자 링 변조기에 의해 변조될 광의 동작 파장으로부터 적어도 100 nm만큼 디튜닝되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
5. 예 1 내지 예 4 중 어느 하나의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 p-i-n 다이오드 구조체 근처의 상기 실리콘 디바이스 층 위에 배치된, 상기 링 도파관의 공진 파장을 조정하도록 동작하는 히터를 더 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
6. 예 5의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 내부에 배치되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
7. 예 6의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 중심에 관해 적어도 270°의 각도에 걸쳐 상기 링 공진기 구조체를 따라 연장되는 금속 필라멘트 또는 사행형 금속 필라멘트를 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
8. 예 5의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 외부에 배치되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
9. 예 8의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 중심에 관해 적어도 180°의 각도에 걸쳐 상기 링 공진기 구조체를 따라 연장되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
10. 예 5 내지 예 9 중 어느 하나의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 p-i-n 다이오드 구조체에 걸쳐 역방향 바이어스 전압 및 무선 주파수(RF) 전압 스윙을 인가하기 위해 상기 전극들에 전기적으로 접속된 전자 드라이버 회로를 더 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
11. 예 10의 하이브리드 광자 링 변조기에 있어서, 상기 역방향 바이어스 전압 및 상기 히터의 전력의 값들을 저장하는 메모리를 더 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
12. 광자 집적 회로(PIC)로서, 레이저; 및 하이브리드 광자 링 변조기―상기 하이브리드 광자 링 변조기는, 화합물 반도체 재료로 형성된 p-i-n 다이오드 구조체의 링 형상 활성 영역에 수직으로 결합된 실리콘 버스 도파관, 상기 레이저의 출력에 결합된 상기 실리콘 버스 도파관의 광학 입력, 및 상기 PIC의 출력 포트에 결합된 상기 실리콘 버스 도파관의 광학 출력을 포함함―를 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
13. 예 12의 광자 집적 회로(PIC)에 있어서, 상기 광학 링 변조기에 선행 및 후속하는 상기 실리콘 버스 도파관에서의 광학 탭들, 및 상기 광학 탭들의 출력들에서의 포토다이오드들을 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
14. 예 12 또는 예 13의 광자 집적 회로(PIC)에 있어서, 상기 링 형상 활성 영역은 다수의 양자 우물들을 포함하고, 상기 양자 우물들의 광 발광 파장은 상기 레이저의 동작 파장으로부터 적어도 100 nm만큼 디튜닝되는, 광자 집적 회로(PIC).
15. 예 12 내지 예 14 중 어느 하나의 광자 집적 회로(PIC)에 있어서, 상기 링 형상 활성 영역은 약 5 μm와 약 50 μm 사이의 직경을 갖는, 광자 집적 회로(PIC).
16. 예 12 내지 예 15 중 어느 하나의 광자 집적 회로(PIC)에 있어서, 상기 하이브리드 광자 링 변조기는 상기 링 형상 활성 영역의 공진 파장을 조정하도록 동작하는 히터를 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
17. 예 12 내지 예 16 중 어느 하나의 광자 집적 회로(PIC)에 있어서, 상기 PIC는 다수 레인 광자 트랜시버를 구현하고, 상기 하이브리드 광자 링 변조기 및 상기 출력 포트는 제1 트랜시버 레인에 포함되고, 상기 PIC는 하나 이상의 추가적인 레인을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 추가적인 레인 각각은 추가적인 출력 포트에 결합된 광학 출력을 갖는 추가적인 하이브리드 광자 링 변조기를 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
18. 실리콘 도파관에서 유도된 광을 변조하는 방법으로서, 상기 실리콘 도파관으로부터의 광을 상기 실리콘 도파관 위에 형성된 화합물 반도체 p-i-n 다이오드 구조체의 광학적 활성 링 도파관에 수직으로 결합하는 단계; 및 상기 p-i-n 다이오드 구조체 양단에 스윙 전압을 인가하여 상기 링 도파관에서의 굴절률을 변조하는 단계를 포함하는, 방법.
19. 예 18의 방법에 있어서, 상기 p-i-n 다이오드 구조체 양단에 DC(direct-current) 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 DC 바이어스 전압의 값은 최대 변조기 삽입 손실에 대한 명시된 손실 컷오프 레벨을 초과하면서 변조기 튜닝 효율을 최대화하도록 교정된 저장된 값으로 설정되는, 방법.
20. 예 19의 방법에 있어서, 상기 링 도파관을 가열하는 단계를 더 포함하고, 히터 전력은 타겟 크로싱 포인트(crossing point)를 달성하도록 교정된 저장된 값으로 설정되는, 방법.
본 발명의 청구 대상이 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 다양한 수정들 및 변경들이 본 발명의 청구 대상의 더 넓은 범위로부터 벗어나지 않고서도, 이들 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로서 간주된다.

Claims (20)

  1. 하이브리드 광자 링 변조기로서,
    실리콘-온-절연체(SOI) 기판의 실리콘 디바이스 층에 형성된 실리콘 버스 도파관; 및
    상기 실리콘 디바이스 층 위에 형성된 링 공진기 구조체―상기 링 공진기 구조체는 반도체 화합물 재료 및 연관된 전극들의 p-i-n 다이오드 구조체를 포함하고, 상기 p-i-n 다이오드 구조체의 활성 영역은 상기 버스 도파관과 측방향으로 중첩하는 링 도파관을 형성하고, 상기 링 도파관 및 상기 실리콘 버스 도파관은 함께 중첩 영역에 수직 지향성 커플러를 형성함―를 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링 도파관은 약 5 μm와 약 50 μm 사이의 직경을 갖는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 화합물 재료는 III-V 재료인, 하이브리드 광자 링 변조기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성 영역은 양자 우물들을 포함하고, 상기 양자 우물들의 광 발광 파장은 상기 하이브리드 광자 링 변조기에 의해 변조될 광의 동작 파장으로부터 적어도 100 nm만큼 디튜닝되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 p-i-n 다이오드 구조체 근처의 상기 실리콘 디바이스 층 위에 배치된, 상기 링 도파관의 공진 파장을 조정하도록 동작하는 히터를 더 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 내부에 배치되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 중심에 관해 적어도 270°의 각도에 걸쳐 상기 링 공진기 구조체를 따라 연장되는 금속 필라멘트 또는 사행형 금속 필라멘트를 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 외부에 배치되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 히터는 상기 링 공진기 구조체의 중심에 관해 적어도 180°의 각도에 걸쳐 상기 링 공진기 구조체를 따라 연장되는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 p-i-n 다이오드 구조체에 걸쳐 역방향 바이어스 전압 및 무선 주파수(RF) 전압 스윙을 인가하기 위해 상기 전극들에 전기적으로 접속된 전자 드라이버 회로를 더 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 역방향 바이어스 전압 및 상기 히터의 전력의 값들을 저장하는 메모리를 더 포함하는, 하이브리드 광자 링 변조기.
  12. 광자 집적 회로(PIC)로서,
    레이저; 및
    하이브리드 광자 링 변조기―상기 하이브리드 광자 링 변조기는, 화합물 반도체 재료로 형성된 p-i-n 다이오드 구조체의 링 형상 활성 영역에 수직으로 결합된 실리콘 버스 도파관, 상기 레이저의 출력에 결합된 상기 실리콘 버스 도파관의 광학 입력, 및 상기 PIC의 출력 포트에 결합된 상기 실리콘 버스 도파관의 광학 출력을 포함함―를 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하이브리드 광자 링 변조기에 선행 및 후속하는 상기 실리콘 버스 도파관에서의 광학 탭들, 및 상기 광학 탭들의 출력들에서의 포토다이오드들을 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  14. 제12항에 있어서,
    상기 링 형상 활성 영역은 다수의 양자 우물들을 포함하고, 상기 양자 우물들의 광 발광 파장은 상기 레이저의 동작 파장으로부터 적어도 100 nm만큼 디튜닝되는, 광자 집적 회로(PIC).
  15. 제12항에 있어서,
    상기 링 형상 활성 영역은 약 5 μm와 약 50 μm 사이의 직경을 갖는, 광자 집적 회로(PIC).
  16. 제12항에 있어서,
    상기 하이브리드 광자 링 변조기는 상기 링 형상 활성 영역의 공진 파장을 조정하도록 동작하는 히터를 더 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  17. 제12항에 있어서,
    상기 PIC는 다수 레인 광자 트랜시버를 구현하고, 상기 하이브리드 광자 링 변조기 및 상기 출력 포트는 제1 트랜시버 레인에 포함되고, 상기 PIC는 하나 이상의 추가적인 레인을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 추가적인 레인 각각은 추가적인 출력 포트에 결합된 광학 출력을 갖는 추가적인 하이브리드 광자 링 변조기를 포함하는, 광자 집적 회로(PIC).
  18. 실리콘 도파관에서 유도된 광을 변조하는 방법으로서,
    상기 실리콘 도파관으로부터의 광을 상기 실리콘 도파관 위에 형성된 화합물 반도체 p-i-n 다이오드 구조체의 광학적 활성 링 도파관에 수직으로 결합하는 단계; 및
    상기 p-i-n 다이오드 구조체 양단에 스윙 전압을 인가하여 상기 링 도파관에서의 굴절률을 변조하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 p-i-n 다이오드 구조체 양단에 DC(direct-current) 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 DC 바이어스 전압의 값은 최대 변조기 삽입 손실에 대한 명시된 손실 컷오프 레벨을 초과하면서 변조기 튜닝 효율을 최대화하도록 교정된 저장된 값으로 설정되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 링 도파관을 가열하는 단계를 더 포함하고, 히터 전력은 타겟 크로싱 포인트를 달성하도록 교정된 저장된 값으로 설정되는, 방법.
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