JP2009210797A

JP2009210797A - 電磁波偏波面回転装置

Info

Publication number: JP2009210797A
Application number: JP2008053414A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamada; 浩治山田; Seiichi Itabashi; 聖一板橋; Toshibumi Watanabe; 俊文渡辺; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤; Hiroyuki Shinojima; 弘幸篠島; Hiroshi Fukuda; 浩福田; Hidetaka Nishi; 英隆西
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】製造が容易で、さらには偏波面回転量の調整が可能な電磁波偏波面回転装置を提供する。
【解決手段】シリコンなどの半導体から構成されたコア１０１より構成された導波路１０２と、光など電磁波１３１を導波路１０２の導波方向の側方よりコア１０１に対して照射する電磁波照射部１０３と、導波路１０２の導波方向に平行な磁場１４１を導波路１０２に供給する磁場供給部１０４とを備える。電磁波照射部１０３は、偏波面を回転させようとする処理対象の入力電磁波１１１とは異なる周波数の電磁波１３１を照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波している光などの電磁波の偏波面を回転させる電磁波偏波面回転装置に関するものである。

近年、光回路をはじめとする非常に波長の短い電磁波の信号処理には、誘電体導波路型平面電磁波回路が用いられている。平面電磁波回路化された偏波面回転装置は、アイソレーターや偏波面ダイバーシチ装置を構成するための重要な部品である。平面電磁波回路に偏波面回転装置を構築する場合、図６に示すように、導波路６０１の一部の断面構造を非対称にする技術（例えば、非特許文献１など参照）がある。また、図７に示すように、磁性体のファラデー効果を用いた技術（例えば、非特許技術文献２など参照）がある。

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しかしながら、このような従来技術は、製造が非常に困難であり、さらに偏波回転量の調整ができないという問題点があった。
例えば、図６に示したような従来技術では、導波路断面形状を左右非対称に形成する必要があり、厚さ方向に形状を変化させている。ところが、通常の平面電磁波回路の製作プロセスでは、厚さが一様な薄膜を、基板平面の法線（厚さ）方向より２次元的にエッチングして導波路を形成している。このため、図６に示した従来技術のように、薄膜の厚さ方向に沿っての形状変化を精度良く作製することは、容易ではない。また、たとえこのような形状が形成できたとしても、形状に依存する偏波面回転量は固定となり、任意に調整することはできない。

また、図７に示したような従来技術では、材料に特殊な磁性体を用いており、既存の平面電磁波回路の一部に選択的に磁性体膜を形成する必要があり、製作工程が非常に複雑になる。特に光回路の場合には、構造がμｍレベルと非常に小さいため、このような複合材料系の加工は容易ではない。磁性体の磁化は固定となり、偏波回転量も固定であり、任意に調整することはできない。さらには、周囲の平面電磁波回路と損失なく接続できるよう特殊な設計も必要となる。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、製造が容易で、さらには偏波面回転量の調整が可能な電磁波偏波面回転装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電磁波偏波面回転装置は、基板の上に形成された半導体よりなるコアから構成された導波路と、偏波面を回転させる対象電磁波とは異なる周波数の電磁波を、導波路の側方よりコアに照射する電磁波照射手段と、導波路の導波方向に平行な磁場を導波路に供給する磁場供給手段とを少なくとも備えるようにしたものである。

上記電磁波偏波面回転装置において、電磁波照射手段は、導波路の導波方向に沿ってコアに線状に電磁波を照射するものであるとよい。また、電磁波照射手段が照射する電磁波の強度を制御する電磁波強度制御手段を備える用にしてもよく、磁場供給手段が供給する磁場の強度を制御する磁場強度制御手段を備えるようにしてもよい。

なお、コアは、シリコン系半導体，ゲルマニウム系半導体、ＧａＡｓ系化合物半導体、およびＩｎＰ系化合物半導体の中より選択された材料から構成され、導波路を構成するクラッドは、ＧａＡｓ系化合物半導体またはＩｎＰ系化合物半導体から構成されていればよい。また、コアは、セレン化亜鉛系半導体またはテルル化案系半導体から構成され、導波路を構成するクラッドは、空気，真空，酸化シリコン，サファイア，および酸化マグネシウムの中より選択されたものから構成されていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、偏波面を回転させる対象電磁波とは異なる周波数の電磁波を、導波路の側方より半導体よりなるコアに対して照射し、また、導波路の導波方向に平行な磁場を導波路に供給するようにしたので、製造が容易な構成で回転量の調整が可能な状態で偏波面を回転させることができるとい優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における電磁波偏波面回転装置の構成例を示す構成図である。本実施の形態における電磁波偏波面回転装置は、例えばシリコンなどの半導体から構成されたコア１０１より構成された導波路１０２と、光などの電磁波１３１を導波路１０２の導波方向の側方よりコア１０１に対して照射する電磁波照射部１０３と、導波路１０２の導波方向に平行な磁場１４１を導波路１０２に供給する磁場供給部１０４とを備えるようにしたものである。

導波路１０２は、例えば、シリコン基板と、この上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成されたコア１０１とを備えている。また、下部クラッド層およびコア１０１の上に、酸化シリコンよりなる上部クラッド層を備えるようにしてもよい。また、電磁波照射部１０３は、例えば、発光ダイオードなどの光を照射する光源である。また、磁場供給部１０４は、例えば、電磁石である。

このように構成した本実施の形態における電磁波偏波面回転装置によれば、導波路１０２の電磁波入力部１２１より入力（入射）した入力電磁波１１１が、電磁波照射部１０３からの電磁波１３１の照射を受けている導波路１０２を伝搬（導波）することで、この偏波面が回転した出力電磁波１１２とされて電磁波出力部１２２より出力（出射）する。

次に、本実施の形態における電磁波偏波面回転装置の原理について図２を用いて説明する。図２は、電磁波偏波面回転装置の動作原理について説明するための説明図である。まず、電磁波入力部１２１より偏波を回転させようとする処理対象の電磁波（例えば光）１１１を導入し、コア１０１よりなる導波路を導波させる。この状態で、導波方向の側方よりコア１０１に対し、電磁波照射部１０３より電磁波１３１を照射する。ここで、電磁波照射部１０３は、偏波面を回転させようとする処理対象の入力電磁波１１１とは異なる周波数の電磁波１３１を照射する。このことにより、処理対象の入力電磁波１１１が導波しているコア１０１に対し、電磁波１３１が導入され、コア１０１には自由キャリアが発生する。言い換えると、電磁波１３１の照射は、コア１０１の中に自由キャリアを発生させるために行うものである。

照射する電磁波１３１のエネルギーが、コア１０１を構成している半導体のエネルギーバンドギャップより大きい場合、照射された電磁波１３１はコア１０１に容易に吸収され、コア１０１に多数の自由キャリアを発生させる。この自由キャリアは、自由空間中のプラズマと解釈できる。このプラズマ（自由キャリア）が発生している状態のコア１０１（導波路）に対し、導波方向に平行な磁場１４１が磁場供給部１０４より供給されると、上記プラズマは、電磁波進行（導波）方向に磁化する。

このように、コア１０１の中に、導波方向に平行な方向に磁化している磁化プラズマが形成されている中で、入力電磁波１１１は、磁化プラズマの磁化軸に沿って導波路中を伝搬していることになる。このようにして、磁化プラズマの磁化軸に沿って入力電磁波１１１を伝搬させると、入力電磁波１１１の偏波面は、磁化プラズマのファラデー効果により回転する（非特許文献３参照）。この結果、コア１０１よりなる導波路の電磁波出力部１２２より出力される出力電磁波１１２は、入力電磁波１１１に対して偏波面が回転した状態となる。

ところで、導波路１０２の構造は、誘電体から構成された電磁波を導波可能な誘電体電磁波導波路であればよい。例えば、チャンネル型導波路、リブ型導波路、２次元フォトニック結晶線状欠陥導波路、ハイメサ構造導波路が適用可能である。

また、導波路の材料としては、まず、コアは、伝搬させる電磁波に対して透明な半導体であればよい。例えば、処理対象の電磁波が通信用の１．５μｍ帯赤外線の場合、コアは、シリコン系半導体，ゲルマニウム系半導体，ＧａＡｓ系化合物半導体，ＩｎＰ系化合物半導体から構成されていればよい。また、処理対象の電磁波の波長がテラヘルツ領域である場合、コアは、セレン化亜鉛系半導体またはテルル化案系半導体から構成されていればよい。また、クラッドは、処理対象の電磁波に対して透明であり、また、製造が容易である材料が好ましい。例えば、処理対象の電磁波が通信用の１．５μｍ帯赤外線の場合、コアに対して屈折率の異なる組成としたＧａＡｓ系化合物半導体，ＩｎＰ系化合物半導体からクラッドが構成されていればよい。また、処理対象の電磁波の波長がテラヘルツ領域である場合、クラッドは、空気，真空，酸化シリコン，サファイア，酸化マグネシウムなどから構成されていればよい。

また、上述した本発明の原理は、導波路が単一モードであるか否かには関係ないため、原理的には、導波路の寸法（断面）に制約はない。ただし、対象とする電磁波が用いられる平面電磁波回路は、通常では単一モード条件を満たす構造となっているため、これに対応し、本発明における導波路も、単一モード条件を満たすように一致した形状にすることが好ましい。さらに、低消費電力化や、高速化を考慮すると、導波路の断面は小さい方が好ましい。

最も導波路断面を小さくできるのは埋込型チャンネル導波路の場合であるので、この埋込型チャンネル導波路が断面寸法の参考になる。例えばシリコン細線導波路と呼ばれる埋込型チャンネル導波路の場合、様々なシリコン細線導波路の例が記載されている非特許文献４より、単一モード条件を満たすコア部の最大寸法は５００ｎｍと推測される。

また、キャリアと電磁波とを効率良く相互作用させるには、電磁波の導波路コア部への閉じ込めが強い方がよい。また、偏波面回転以外の導波路回路においては、曲げ半径ができる限り小さい方が良いが、これもまた閉じ込めが強い方がよい。非特許文献４では、数μｍの曲げ半径で導波方向を変化させることを可能としているシリコン細線導波路が多数列挙されているが、これらから、コア部の最小寸法は２００ｎｍ程度であることがわかる。すなわち、この値が十分な閉じ込めを得る最小の断面寸法と考えることができる。

次に、キャリアを生成するための電磁波の強度および磁場の強度について説明する。まず、詳しい式の導出については省略するが、偏波の回転角度は、キャリア密度ｎ（ｍ^-3）、磁束密度Ｂ（Ｔ）および相互作用長Ｌ（ｍ）の積に比例する。

φ＝ｅ³ｎＬＢ／２ｃω²ｍ^*2ε₀ε_r …（１）

ただし、ｅ＝１．６０２×１０^-19（Ｃ）：キャリアの持つ素電荷、ｃ＝２．９９８×１０^-8（ｍ／ｓ）：光速、ω（ｒａｄ／ｓ）：偏波回転させる電磁波の角周波数、ｍ^*（ｋｇ）：導波路コア材料中のキャリアの有効質量、ε₀＝８．８５×１０^-12（Ｆ／ｍ）：真空の誘電率、ε_r：導波路コア材料の比誘電率である。

次に、上記式（１）に基づいて、例えば偏波を９０度（φ＝π／２）回転させる場合に必要なｎ，Ｌ，Ｂを求める場合を考える。まず、式（１）のφ＝π／２とすると、ｎ，Ｌ，Ｂの積は、次の式（２）で求められる。

ｎＬＢ＝πｃω²ｍ^*2ε₀ε_r／ｅ³ …（２）

ここで、偏波回転させる電磁波は、ω＝１，２１×１０¹⁵（ｒａｄ／ｓ）、すなわち波長１．５５μｍとし、導波路コア材料をシリコンとすれば、ｍ^*＝０．２６ｍ_e＝２．３７×１０^-31（ｋｇ）、ε_r＝１２．１である。ただし、ここでは単純化のためキャリアの種類は電子とし、ｍ_e＝９．１１×１０^-31（ｋｇ）は電子の静止質量である。

これらの値を式（２）に代入し、さらに現実的な磁束密度としてネオジウム系永久磁石で実現可能なＢ＝１．５（Ｔ）を代入するとともに、相互作用長として現実的なシリコンチップサイズであるＬ＝０．０２ｍを代入すると、この系において偏波を９０度回転させるに必要なキャリア密度として、ｎ＝６．７×１０²⁵（ｍ^-3）が得られる。

次に、このキャリア密度を、例えば、非特許文献５に記載されている波長０．４７μｍの励起用電磁波（励起光）を、導波路側面より照射する場合を考える。詳しい式の導出は省略するが、このような電磁波（光）励起により導波路内に蓄積されるキャリアの密度ｎは、次の式（３）により求められる。

ｎ＝Ｉτ（１−ｅ^-αd）／（Ｅ_pｄ） …（３）

ただし、α（ｍ^-1）：導波路コア中の励起用電磁波の減衰係数、ｄ（ｍ）：導波路コアの厚さ、Ｉ（Ｗ／ｍ²）：励起光のパワー密度、τ（ｓｅｃ〉：導波路コア中でのキャリアの減衰時間、Ｅ_p＝４．２３×１０^-19（Ｊ）：励起光の光子エネルギーである。

ここで用いているシリコン導波路中のキャリア減衰時間τは、非特許文献６によればτ＝６５（ｎｓ）である。また、コアがシリコンから構成されているものとすると、減衰係数はα＝３．２×１０⁶（ｍ^-1）であり、厚さは、２００ｎｍとし、これらの値を式（３）に代入すると、必要な照射電磁波（励起光）のパワー密度はＩ＝１．８５×１０⁸（Ｗ／ｍ²）となる。実際に導波路（コア）に照射するパワーは、パワー密度と導波路コアを導波方向の側方から見た面積との積にほぼ一致すると考えられる。シリコン細線導波路の場合、コアの断面の幅が５００ｎｍとし、電磁波偏波面回転装置としての領域の長さが０．０２ｍとすると、面積は、１×１０^-8ｍ²であるため、必要な照射電磁波（励起光）のパワーは、１．８５Ｗとなる。これは市販の光デバイスで容易に実現可能な値である。

ところで、本実施の形態における電磁波偏波面回転装置は、例えば、図３の構成図に示すように、導波路１０２（コア１０１）の幅で導波路１０２の導波方向の所定の領域に渡り、導波方向に沿ってコア１０１に線状に電磁波３３１を照射する電磁波照射部３０３であるとよい。電磁波照射部は、面状に電磁波を照射する構成としてもよいが、この場合、導波路（コア１０１）以外にも電磁波が照射されることになり、これらは上述した自由キャリアの発生に関与しないものとなり、非効率である。

ここで、照射する電磁波３３１が、線状とされて導波路の幅の領域とされていれば、照射されたほぼ全ての電磁波が、自由キャリアの発生に関与するものとなり、効率的となる。このような電磁波照射部３０３としては、例えばＧａＮ−ＬＥＤ（非特許文献５参照）のような導波路に沿った線状の光源とすればよい。なお、図３において、他の構成は図１を用いて説明した電磁波偏波面回転装置と同様である。

また、図４の構成図に示すように、電磁波照射部３０３の出力を制御する電磁波強度制御部４０１を備えるようにしてもよい。電磁波強度制御部４０１の制御により、電磁波照射部３０３が照射する電磁波３３１の強度（パワー）を可変可能としている。このように、照射する電磁波の強度を変化させることで、本実施の形態における電磁波偏波面回転装置による偏波面回転を任意に調整することができる。なお、図４において、他の構成は図１および図３を用いて説明した電磁波偏波面回転装置と同様である。

また、図５の構成図に示すように、磁場供給部１０４が発生する磁場の強度を制御する磁場強度制御部５０１を備えるようにしてもよい。磁場強度制御部５０１の制御により、磁場供給部１０４が発生する磁場１４１の強度を可変可能としている。このように、磁場１４１の強度を変化させることで、本実施の形態における電磁波偏波面回転装置による偏波面回転を任意に調整することができる。当然のことながら、磁場強度制御部５０１と、前述した電磁波強度制御部４０１とを組み合わせて用いるようにしてもよい。なお、図５において、他の構成は図１および図３を用いて説明した電磁波偏波面回転装置と同様である。

本発明の実施の形態における電磁波偏波面回転装置の構成例を示す構成図である。本発明の実施の形態における電磁波偏波面回転装置の動作原理について説明するための説明図である本発明の実施の形態における電磁波偏波面回転装置の他の構成例を示す構成図である。本発明の実施の形態における電磁波偏波面回転装置の他の構成例を示す構成図である。本発明の実施の形態における電磁波偏波面回転装置の他の構成例を示す構成図である。従来の電磁波偏波面回転装置を示す説明図である。従来の電磁波偏波面回転装置を示す説明図である。

符号の説明

１０１…コア、１０２…導波路、１０３…電磁波照射部、１０４…磁場供給部、１１１…入力電磁波、１１２…出力電磁波、１２１…電磁波入力部、１２２…電磁波出力部、１３１…電磁波、１４１…磁場。

Claims

対象となる対象電磁波の偏波面を回転させる電磁波偏波面回転装置であって、
基板の上に形成された半導体よりなるコアから構成された導波路と、
前記対象電磁波とは異なる周波数の電磁波を、前記導波路の側方より前記コアに照射する電磁波照射手段と、
前記導波路の導波方向に平行な磁場を前記導波路に供給する磁場供給手段と
を少なくとも備えることを特徴とする電磁波偏波面回転装置。
請求項１記載の電磁波偏波面回転装置において、
前記電磁波照射手段は、前記導波路の導波方向に沿って前記コアに線状に電磁波を照射する
ことを特徴とする電磁波偏波面回転装置。
請求項１または２記載の電磁波偏波面回転装置において、
前記電磁波照射手段が照射する電磁波の強度を制御する電磁波強度制御手段を備える
ことを特徴とする電磁波偏波面回転装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁波偏波面回転装置において、
前記磁場供給手段が供給する磁場の強度を制御する磁場強度制御手段を備える
ことを特徴とする電磁波偏波面回転装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁波偏波面回転装置において、
前記コアは、シリコン系半導体，ゲルマニウム系半導体、ＧａＡｓ系化合物半導体、およびＩｎＰ系化合物半導体の中より選択された材料から構成され、
前記導波路を構成するクラッドは、ＧａＡｓ系化合物半導体またはＩｎＰ系化合物半導体から構成されている
ことを特徴とする電磁波偏波面回転装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁波偏波面回転装置において、
前記コアは、セレン化亜鉛系半導体またはテルル化案系半導体から構成され、
前記導波路を構成するクラッドは、
空気，真空，酸化シリコン，サファイア，および酸化マグネシウムの中より選択されたものから構成されている
ことを特徴とする電磁波偏波面回転装置。