本発明は、光を発することができる半導体の特性と、従来の集積回路で使用される半導体の特性と、の両方を使用する、集積された光部品の分野に関する。

特に、本発明は、レーザ装置およびレーザ装置の製造方法に関する。

このようなレーザ装置は、高速光リンクと、チップ間およびボード間のリンクと、自由空間上のリンクと、を製造するために使用できる。

2005年11月14日に発行された「2909491 4 Optics Express」、第13巻、第23号、9460〜9464頁の、Hyundai Parkら著、文献「Hybrid silicon evanescent laser fabricated with a silicon waveguide and III-V offset quantum wells」には、SOI基板に付加され、リブが搭載されたスラブ導波路から形成され製造されたリブ導波路を内部に備えるIII-V材料からなるレーザ光源が記述されている。

レーザ光源と導波路との間の結合(カップリング)はエバネッセント波による。キャビティをバウンディングするミラーは、切断及び研磨によって製造される。レーザ光源と導波路とは自律している。利得キャビティのポンピングは光学的である。この構造の欠点は、切断と研磨を同時に行う「ポリソーイング」のステップが必要なミラーの製造にある。ポリソーイングは、実施するのが非常に困難であり、非ウエハスケールプロセスで工業化が困難な問題である。

変調器、増幅器またはフィルタと同じ基板内に集積され、発光構造と回折格子の両方がIII-V技術で製造され、エンドツーエンドに配置されたレーザは、フランスの特許出願のFR-A-2 826 789によっても知ることができる。シリコン技術が用いられず、シリコン技術による部品と関連付けされる光学部品は、上述の欠点を有する。

光子を生成するように配置されたIII-Vヘテロ構造増幅器と、増幅器に結合され上部が増幅器の近位(近い位置)にある尾根(リッジ)形状またはリブ形状の部分を有するリブ導波路と、を備えるレーザは、国際公開2012/066200号の文書からも知られる。

レーザの中央部分は、酸化物層によって分離され垂直に結合された厚さが約100ナノメートルの2つのガイドであると考えることができる。この2つのガイドは、利得媒体(または増幅媒体)を形成する「アクティブ」な上部導波路、及び、透明な下部導波路または全ての光学的機能が実行され光を伝える役割を果たすパッシブ光回路である。このアクティブなガイドは、量子井戸(またはドット)が配置されたドープされたIII-V族ヘテロ構造と定義される。

それゆえ、レーザキャビティは、レーザの下に位置しシリコンガイドのリブにエッチングされたブラッグミラーにより定義される。

リブはまた、断熱モード変換器として動作する機能を有している。この目的のために、そのリブは、利得媒体の下に配置された最小の部分から出力導波路までに徐々に広がる。

上述の文献の分布帰還型(DFB)レーザにおいて、所望の反射率は65〜80%の間にある。

しかし、この場合には、対向方向の結合のために、単位長さ当たりの反射率は、格子のエッチングされたゾーンとエッチングされていないゾーンとの間の実効屈折率(より深くエッチングされた格子はより高い単位長さ当たりの反射率を持つ)の差だけでなく、後者の幅にも依存する。

しかしながら、DFBレーザとの関連で、格子の幅は、モード変換器、すなわちリブガイドの入力幅に設定される。

モード変換器における開始幅は、0.7μmよりもずっと低くできるにもかかわらず(0.4μm程度に低くできる)、所望の反射率を得るために最小幅を0.7μmにする必要があることが分かる。つまり、必要な反射率(モード変換器の切り捨て)を得るために、より大きな開始幅でモード変換を行う必要がある。しかしながら、この操作は、アクティブガイドモードの閉じ込め性を減少させ、レーザの効率を低下させる。モード変換を開始することができるリブ幅は0.8μm程度に制限されている。

したがって、DFBレーザのために、高反射率と、アクティブガイドとパッシブガイドとの間の効率的な結合と、の両方を得ることが困難であることが理解されるであろう。

本発明は、ブラッグ格子の反射率をリブ導波路のリブの幅から分離することにより、少なくとも部分的に上述の欠点を軽減することのできるレーザ装置を提供することを目的とする。

この目的のために、本発明は、 シリコン内および/またはシリコン上に配置されたIII-Vヘテロ構造のレーザ装置であって、 III-Vヘテロ構造の利得媒体と、 前記利得媒体と対向配置され、縦リブが設けられたスラブ導波路を有し、シリコン内に配置された光リブ導波路と、を備え、 前記光リブ導波路は、前記スラブ導波路における前記利得媒体に対し近い側面上に少なくとも一つのブラッグ格子が配置され、前記スラブ導波路における前記利得媒体に対しに対し遠い側面上に前記リブが配置されるように配向されることを特徴とするものを提供する。

特に、格子の幅とリブの幅とを非相関化することにより、追加の自由度が得られる。反射率を向上させるためにリブよりも幅の広い格子を製造し、結合を最適化するために薄いリブを維持することができる。

レーザ装置は、単独または組み合わせにより、以下の態様を1つまたはそれ以上備えていてもよい。

一実施形態によれば、レーザ装置は、III-Vヘテロ構造の利得媒体のいずれかの側に配置された2つのブラッグ格子を備える。

この場合、出力格子と同じ側に配置されているブラッグ格子は、例えば、約50%の反射率を有する。また、利得媒体の反対側に配置されているブラッグ格子は、例えば、90%以上の反射率を有する。

別の実施形態によれば、レーザ装置は、III-Vヘテロ構造の利得媒体と対向するブラッグ格子を備えている。この場合、単一のブラッグ格子の問題が特にある。

この場合、ブラッグ格子は、単一モード動作を確実にするために、四分の一波長板を備える。

本実施の形態では、ブラッグ格子の反射率は65%から80%の間にある。

以下の態様によれば、いずれか1つの有効な実施形態となる。 ブラッグ格子の幅は、リブよりも大きい。 ブラッグ格子の幅は、スラブ導波路の幅にほぼ等しい。 モード変換器を形成するために、リブ導波路のリブの幅は出力導波路の方に向かうにつれて増加する。 リブの最小幅は0.4μmから0.7μmの間にある。 リブの最大幅は1μm以上で、特に1.1μmである。 リブの高さは、100nmから250nmの間で、特に200nmである。 スラブガイドの高さは、250nmから350nmの間で、特に300nmである。 スラブ導波路と縦リブは、それぞれ、結晶シリコンで形成されているか、または、一方がアモルファスシリコン、他方が結晶シリコンで形成されている。 縦リブは、結晶シリコンからなり、スラブ導波路を2層で構成され、縦リブと接触する一方の層は結晶シリコンで形成され、利得媒体の近くの位置にある他方の層は、アモルファスシリコンで形成されている。

また、本発明は、レーザ装置、特に上述したレーザ装置の製造方法に関し、 キャリア基板の上方に配置された埋め込み絶縁層の上方に配置されたシリコン層に縦リブを有するスラブ導波路を備えたリブ導波路を形成する工程と、 前記リブ導波路を絶縁層で封入する工程と、 アセンブリしたものを反転する工程と、 前記キャリア基板を除去し前記埋め込み絶縁層における前記スラブ導波路の一方の側面が露出される工程と、 前記スラブ導波路の前記側面における少なくとも1つのブラッグ格子をエッチングによって製作する工程と、 絶縁層を堆積し、この層に対し化学的機械研磨を行う工程と、 III-V族半導体で形成されたヘテロ構造を堆積させる工程と、 利得媒体を得るために前記ヘテロ構造に対し選択的化学エッチングを行う工程と、 を備えているものである。

また、本発明は、レーザ装置、特に上述したレーザ装置の製造方法に関し、 キャリア基板の上方に配置された埋め込み絶縁層の上方に配置されたシリコン層に縦リブを有するスラブ導波路を備えたリブ導波路を形成する工程と、 前記リブ導波路を絶縁層で封入する工程と、 アセンブリしたものを反転する工程と、 前記キャリア基板を除去し前記埋め込み絶縁層における前記スラブ導波路の一方の側面が露出される工程と、 前記スラブ導波路の側面にアモルファスシリコン層を堆積させる工程と、 前記アモルファスシリコン層内に少なくとも1つのブラッグ格子をエッチングによって製作する工程と、 絶縁層を堆積し、この層に対し化学的機械研磨を行う工程と、 III-V族半導体で形成されたヘテロ構造を堆積させる工程と、 利得媒体を得るために前記ヘテロ構造に対し選択的化学エッチングを行う工程と、 を備えているものである。

他の利点および特徴は、本発明の説明を読むことと以下の図面によって明らかになる。

本発明に係るレーザ装置の第1の実施形態の概略構成を示す縦断面図である。

図1のレーザ装置のII-II線に沿った横断面図である。

図1のレーザ装置のリブ導波路の概略構成を示す斜視図である。

図1のレーザ装置のリブ導波路の概略構成を示す縦断面図である。

図1のレーザ装置の部分上面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な縦断面図である。

本発明に係るレーザ装置の製造プロセスを示す模式的な横断面図である。

本発明に係るレーザ装置の第2の実施形態の模式的な縦断面図である。

図15のレーザ装置の図15における断面線XVI-XVIに沿った概略横断面図である。

図15のレーザ素子におけるリブ導波路の概略構成を示す斜視図である。

図15のレーザ素子におけるリブ導波路の概略構成を示す縦断面図である。

図15のレーザ装置の部分上面図である。

全ての図面において、同一要素には同一の符号が付されている。

本記述において、用語「縦」(矢印F1参照)は、光の伝播方向に実質的に平行であることを意味すると理解されなければならず、用語「横」は、光の伝播方向を実質的に横断する方向を意味すると理解されなければならない。

従来、所与の平面上に作製された光回路上では、TE(横電界)およびTM(横磁界)の偏向状態は、TE状態では、磁界が回路の平面に垂直であるのに対し電界は回路平面に平行であるように、TM状態では、電界が回路平面に垂直であるのに対し磁界は回路平面に平行であるように定義される。実際、以下で説明するレーザでは、準TEの偏向状態を考慮することが暗黙的に必要であり、すなわち、準TEの偏向状態とは、電界の非常に大部分がTE方向に偏向している状態である。よって、説明するレーザの構造は、好ましくはTEまたは準TEモードの波の結合を可能にする。

図1〜4には、本発明に係るレーザ装置1の第1の実施形態を示す。本実施形態は、シリコンに組み込まれ、ドープされたIII-Vヘテロ構造の分布帰還型レーザ装置の問題である。

図1は模式的な縦断面図、図2は図1の断面線II-IIに沿った横断面図、図3Aは図1におけるレーザ装置のリブ導波路の概略構成を示す斜視図、図4はレーザ装置1の部分上面図である。

レーザ装置1は、III-V族ヘテロ構造の光利得媒体3を備えている。ヘテロ構造とは、光子または光波を生成するように配置された構造である。

「III-V族ヘテロ構造」との表現は、以下の非網羅的リスト、すなわち、InP、GaAs、InGaAlAs、InGaAsP、AlGaAs及びINAsPの中から選択された材料を使用することを意味すると理解される。増幅媒体とも呼ばれる利得媒体3などのヘテロ構造は、例えば、好ましくはnドープされた第1ドープ層7と、好ましくはpドープされた第2ドープ層9と、の間に挟まれた量子井戸を有する積層5を形成するなど、様々な層の積層により構成されてもよい。

一般的には、層9は1×10¹⁹cm³にpドープされ、層7は1×10¹⁸cm³にpドープされる。より正確には、層7及び層9は、それら自体がエピタキシャル成長により形成され、可変にドープされた複数のサブ層(ドーパントの濃度は、量子井戸から距離により増加する)で構成される。量子井戸は、ドープされていない。

第1ドープ層7は、nドープされる場合、InP、GaAs、InGaAsP、AlGaAs及びInGaAlAsから選択された材料により、ほとんどの部分が構成されてもよい。第2ドープ層9は、pドープされる場合、InP、GaAs、InGaAlAs、InGaAsP、AlGaAs及びINAsPから選択された材料により構成されてもよい。すなわち、第1ドープ層7と第2ドープ層9とは、用いられる材料を同じにし、ドーピングのみ変えるようにしてもよい。

もちろん、ドーピングを逆にし、すなわち、第1ドープ層7がpドーピングされ、第2ドープ層9がnドープされてもよい。積層5は、光子を生成するために正孔と電子が再結合することを許容し利得媒体3において光波を生じるように、量子井戸または量子ドットを有していてもよい。量子要素(井戸又はドット)は、例えば、InP、GaAs、InGaAlAs、InGaAsP、AlGaAs及びINAsPなどの材料を有していてもよい。

ヘテロ構造の利得媒体3の厚さは一般的に数ミクロン程度である。

量子井戸の積層5の厚さは、約200〜400nm、例えば300nmであり、層7の厚さは約100〜200nmである。層9は、厚さが1〜3μmであってもよい。

図1及び図2に示すように、利得媒体3の下には、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)の層13内に集積または形成された光リブ導波路11が配置されている。

このリブ導波路11は、利得媒体3に対向して配置され、縦リブ17(図2及び図3を参照)を備えている。搭載したスラブ導波路15から構成されている。スラブ導波路15と縦リブ17は、例えば、両方とも結晶シリコンで形成される。

しかしながら、他の選択も可能である。スラブ導波路15が結晶シリコンで形成され、縦リブ17がアモルファスシリコンで形成される第1のケースは、特に注目される。

第二の特に有利なケースは、縦リブ17が結晶シリコンにより形成され、スラブ導波路15が2つの層で形成され、2つの層のうちの縦リブ17と接触する層がまた結晶シリコンで形成され、利得媒体3に近い他の層、つまり利得媒体3に最も近い層がアモルファスシリコンにより形成される。縦リブ17とスラブ導波路15の結晶シリコンで形成された層はシリコン・オン・インシュレータ(SOI:silicon-on-insulator)の層13内にあり、これに対してスラブ導波路15のアモルファスシリコンで形成された層はシリコン・オン・インシュレータ層の上部にある。この構成は、既存のフロント側のシリコンフォトニクスプロセスとの互換性を最大に維持でき、アモルファスシリコン層に適用されるサーマルバジェットを最小化することができる。

図2の断面に示されるスラブ導波路15と縦リブ17は、両方とも長方形であるが、それらの幅は、光の伝播方向(例えば図4中を参照)で変化するようにしてもよい。ブラッグ格子19がスラブ導波路15の光利得媒体3に近位(近い位置)の側面21上に生成されるように、光リブ導波路11が配向される。ここで「近位」との用語は、ブラッグ格子19が利得媒体3に最も近い側面21上に作製されることを意味すると理解され、それによって、一方のブラッグ格子19と他方の利得媒体3との光学的結合をより効率的にできる。ブラッグ格子の反射率は65%と80%の間にしてもよい。500μm/1mmの長さのDFB格子については、フィードバック結合係数は10〜30cm^-1の間にあることが要求される。接合厚さが100nmであれば、スラブ中において格子は少なくとも100nmまでエッチングされなければならず、リブの幅(L_A)は、おそらく500nmよりも小さくなる。

スラブ導波路15(図1〜4を参照)の下に配置された縦リブ17は、利得媒体3に対して遠位(遠い位置)である。ここで「遠位」との用語は、リブ17が、側面21と反対にある利得媒体3から最も遠い側面23に配置されていることを意味すると理解される。

このことは、図3Aに単独で示されているリブ導波路11においても明確に示されていると思われる。

図3Aに見られるように、ブラッグ格子19の幅L_Bは、リブの幅L_Aよりも広い。特に、ブラッグ格子19の幅L_Bはスラブ導波路15の幅に等しい。

これらの構成のおかげで、ブラッグ格子19と利得媒体3との結合を向上させることができる。

さらに、ブラッグ格子19の反射率に影響を与えることなく、ブラッグ格子19の幅をリブの幅LAとは独立に選択することができる。

図3Bは、リブガイド11のに模式的な縦断面図(光の進行方向)を示している。

ブラッグ格子19は、レーザ装置1のシングルモード動作を保証するために、格子19の中心に位置する四分の一波長板24を備えている。

リブの高さh_Aは、100〜250nmの間、特に200nmである。

スラブガイド15の高さh_Rは250〜350nmの間、特に300nmである。

図4は、図1のレーザ装置の部分上面図を示す。

特に、モード変換器を形成するために出力導波路25の方向に広がるリブ17の形状を、点線で示す。

リブ17の最小幅L_minは、0.4〜0.7μmである。

リブ17の最大幅L_maxは、1μmより大きく、特に1.1μmで、3μm程度の大きさであってもよい。

ここで、図1〜4を参照する。これらの図に見られるように、レーザ装置1は、さらに、出力格子27を備えている。

光ファイバ29に結合するための格子27は、例えば導波路11をエッチングすることにより、導波路11に部分的に形成した一連の溝(トレンチ)を備えていてもよい。好ましくは、溝は、導波路11の縦軸(長手方向の軸)に対して実質的に垂直であり、導波路11の下側に形成される。導波路11の下側31は、図1中において下方に配向され、導波路11の平面と実質的に平行である。導波路11が上記寸法を有するため、溝の深さは、125nm、または、必要に応じて125nmより深くしてもよい。格子は、例えば、ハードマスクを用い、方向性エッチングを行うようにしてもよい。

さらに、第1ドープ層7及び第2ドープ層9上に堆積された共晶堆積物33,35は、第1ドープ層7及び第2ドープ層9上に金属接点を形成することを可能にする。

図5A、図6A,6B〜図14A,14Bを参照し、本発明に係るレーザ装置1の製造方法について説明する。

図5A、図6A,6B〜図14A,14Bは、模式的な断面図を示しており、図の「A」は縦断面図であり、図の「B」は横断面図に対応する。

図5Aに見られるように、図中のSBは、ウェハのシリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板である。

このSOI基板は、厚さが例えば200nmから1μmの間、特に500nmに形成されたシリコン層またはフィルム100を備える。フィルム100は、埋め込み酸化膜(BOX:Buried Oxide)とすることが一般的な埋め込み絶縁層102の上方に配置される。この埋め込み絶縁層102は、それ自体が、キャリア基板104の上方に配置される。

図6A及び図6Bに示される第1のステップでは、シリコン層100は、リブ導波路11を得るために、例えばエッチングにより、造形される。レーザ装置1をより大きな機能アセンブリの一部として形成する場合、他の要素(変調器、光検出器など)は、この工程でBOX層102の上面106に製造することができる。

図7A及び図7Bに見られるように、例えばSiO₂などの絶縁層108は、リブ導波路11をカプセル化するために堆積される。その後、キャリア基板110は、絶縁層108の上面112に接合される。

次のステップ(図8A及び図8B)では、リブ17が図中下方に向けられ、スラブガイド15が図中上方に位置するように、アセンブリが反転される。

キャリア基板層104は、研削、化学機械研磨などによって除去される。その後、最上位に、BOX層102(研磨の停止層として働く)が完全に露出される(図9A及び図9Bを参照)。

次に、スラブ導波路15の側面21が利得媒体3の方を向いて露出するように、BOX層102は、選択的湿式化学エッチングまたはドライエッチング、例えば反応性イオンエッチング(RIE:reactive-ion etching)またはプラズマ(ICP:inductively coupled plasma)エッチングにより除去される(図10A及び図10Bを参照)。

次のステップ(図11A及び図11Bを参照)では、第一の変形例を示し、ブラッグ格子19は、このように露出したシリコン層100の側面21に、好ましくはスラブガイド15の幅全体にわたって、エッチングされる(図11A及び図11Bを参照)。

第二の変形例(図示せず)によれば、アモルファスシリコンの追加層は、スラブ導波路の一部の上に堆積され、ブラッグ格子は、アモルファスシリコンからなるこの追加の層にエッチング(または造形)される。この場合、縦リブ17は結晶シリコンからなり、スラブ導波路15は2つの層によって形成され、縦リブ17と接触する層は結晶シリコンで形成され、利得媒体3の近位にある他方の層はアモルファスシリコンにより形成される。縦リブ17及びスラブ導波路15の結晶シリコンからなる層は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)層13中にある。

これにより、既存のプロセスとシリコンによって形成される光素子(例えば、変調器や光検出器)との最大限の互換性を保持し、アモルファスシリコン層に適用されるサーマルバジェットを最小化することができる。

次に、第一及び第二の変形例のそれぞれ及び両方は、例えば約百nmのSiO₂などの追加の絶縁層116を露出されたすべての側面上に堆積することが可能である(図12A及び図12Bを参照)。追加の層116に化学的機械研磨を施すことが可能である。

次に、一方の側面上に、例えばIII-V族ヘテロ構造を備えたIII-V族ウェハ118が提供される。次に、このヘテロ構造がシリコン中に予め生成された構造と接触するように、ウェハ118は、例えば直接結合によって追加の層116(図13A及び図13Bを参照)に結合される。

最後に、利得媒体3が得られるように、ウェハ118が結合された基板は選択的化学エッチングされる(図14A及び図14Bを参照)。簡略化のために、媒体3の層9、層5及び層7は図示しない。

これにより、エッチング層120及び122上に金属接点を形成することができるようにするための、例えば金などの、共晶堆積物を生成することができる。

アセンブリは、別の絶縁層を堆積させることによってカプセル化されてもよい。金属接点は、既存の方法で生成してもよい。

図15〜18は、本発明に係るレーザ装置1の第2の実施形態を示す。本実施形態は、分布帰還型レーザ装置の問題である。

図15〜18は、図1〜4と類似した図である。図15〜18に示すレーザ装置は、III-Vヘテロ構造の利得媒体3の両側に2つのブラッグ格子19a,19bが配置されていることが異なる。したがって、格子19aと格子19bは、利得媒体3の近位の側面21に生成されるが、リブ17の幅が最も広くなる(L_max)、利得媒体3のフットプリント外の場所においても生成される。

図15、図17A、図17B及び図18に見られるように、出力格子27と同じ側にある格子19aは、利得媒体3の格子19aと反対の側にある格子19bに対し、より短く、約50%程度のより低い反射率を持っており、格子19bは、90%以上、もしくは100%に近い反射率を持っている。

図5A、図6A,6B〜図14A,14Bに関連して説明した製造工程は、本実施の形態に係る分布帰還型レーザ装置の製造にも同様に当てはまる。

したがって、本発明に係るレーザ装置1は、製造工程数が少なく、容易に製造することができることが分かる。

特に、図1〜4に示すリブ導波路11の構成により、スラブガイド15の基端側にブラッグ格子19のフィードバック結合係数の値は、従来技術、特にブラッグ格子をリブに形成されている構成に比べよりも高いことが確認された。

さらに、本発明者らは、帰還結合係数の値におけるエッチング深さの影響の減少と、このようにして製造プロセスのロバスト性が増加することを確認した。