JP2009237094A - 高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、動作速度の高速化、低電圧化を同時に図ることができる光変調器を、フォトニック結晶共振器にＰＩＮ構造を作製してキャリアを高速に共振器の外に引き出す。
【解決手段】本発明は、フォトニック結晶共振器を用いたスイッチ素子において、フォトニック結晶基板中に、共振器部位を挟んで対向する領域に電極領域を設け、共振器に発生させた二光子吸収キャリアを、電極領域に電界を印加して引き抜くことにより、該共振器のキャリアを、拡散によって散逸するよりも早く除去する。また、フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子において、フォトニック結晶基板中で、導波路を挟んだ所定の領域に電極領域を設け、電極領域に挟まれた導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを、電界印加によって拡散より早く導波路から引き抜き、除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法に係り、特に、光通信や光信号処理回路で用いられる、光のＯＮ及びＯＦＦを制御できる集積可能な光変調器を高速化させるための高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法に関する。

屈折率の異なる２つ以上の材料を光の波長オーダの長さで周期的に配列したものをフォトニック結晶という。特に、その周期構造を２次元的に構成したものを２次元フォトニック結晶と呼ぶ。２次元フォトニック結晶の一つに、Si，Ge，GaAs，AlAs，SiC，InP，InAs，GaP，GaN，AlN，ZnSe，ZnOや、これらの混晶等の屈折率の高い半導体材料の薄膜に周期的に空気穴を空けるなどしたスラブ構造をとるものがある。この構造では、薄膜の上下面は空気やSiO₂などの低屈折率材料からなるクラッド層で挟み込んでいる。また、空気穴は三角格子や正方格子状に配置されていることが多い。

フォトニック結晶を用いると、特定の波長の光の伝播を禁止するフォトニックバンドギャップを発現できる。これを利用すると、２次元フォトニック結晶構造では、上下面は空気と半導体材料の屈折率差によって光を閉じ込め、平面内はフォトニックバンドギャップで光を閉じ込めることができる。それを利用すると、微小光共振器を実現できる。

具体的には、２次元フォトニック結晶の周期性を局所的に破壊することによって、そこに光を局在化させ光を閉じ込める。

特に、シリコン２次元フォトニック結晶を用いて作成された微小光共振器では、高度なシリコンの作成プロセスを用いることもできるため、非常に高性能なものを実現できるようになっている。この例として、光の閉じ込めの度合いを示すＱ値が１２０万の共振器がある（例えば、非特許文献１参照）。さらに、この共振器のモード体積は極めて小さい（λ／ｎ）^３。ここではλは光の波長、ｎはシリコンの屈折率である。

フォトニック結晶微小光共振器は光を強く閉じ込められるため、小さな光入力エネルギーで高い光子密度が得られる。その結果、通常では、高強度光電界下でしか観測されない光学非線形性が容易に得られるようになる。代表的な光学非線形性には光カー効果、二光子吸収効果などがあるが、特に、二光子吸収はシリコンでは、1550nm帯の光通信波長帯の光でも実キャリアを生成できる光学非線形性として重要である。

フォトニック結晶微小光共振器とフォトニック結晶導波路を組み合わせると、共鳴トンネルフィルタが実現される。図１１は、入出力導波路１０１とフォトニック結晶共振器１０２が結合した２次元フォトニック結晶共鳴トンネルフィルタ共振器の鳥瞰図である。同図に示す共鳴トンネルフィルタでは共振器１０２の共鳴波長のみが反対側の導波路に伝播することができる。

図１２は、共鳴トンネルフィルタの透過スペクトルの例である。

同図に示すように、二つの共鳴モードを持つフォトニック結晶共振器の共鳴波長の一つをModeＣ、他方をModeＳと呼ぶ。ModeＳに共鳴する波長の信号光をＳ_１、わずかに短波長ずらした波長の信号光をＳ_２として、それぞれフォトニック検証導波路に入力すると、Ｓ_１は高透過率で反対側のフォトニック結晶導波路に出力させる。ここで、ModeＣの波長の制御パルスをデバイスに入射すると、二光子吸収キャリアによるプラズマ分散効果によって、シリコンの屈折率が低下し、ModeＳの共鳴波長が短波長側にシフトする。このときに、Ｓ_１の波長の光は透過率が下がり、Ｓ_２の波長の光は透過率が上がる。キャリアがデバイス中に存在しなくなると、ModeＳの波長は元の位置に戻るため、再びＳ_１の透過率が上がり、Ｓ_２は下がる。

これを利用すると、全光スイッチが実現できる（例えば、非特許文献２参照）。実際に図１３に示す１００fJの低エネルギーで動作する全光スイッチが実現されている。本スイッチのスイッチング回復時間はキャリアが共振器の中に存在しなくなる有効キャリア緩和時間によって決まり、シリコンフォトニック結晶微小光共振器を用いた場合、その値は約８０ps程度である。有効キャリア緩和時間を短くすることが可能であれば、スイッチングの更なる高速化が可能である。

以下に、第１の従来のスイッチング素子について説明する。

光通信や光信号処理回路においては、光の経路やＯＮ／ＯＦＦを制御するために、ある波長の光に対する透過率を高速に変化させることのできる素子が必要である。これまで、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板上にリング状にリブ型導波路を形成することで共振器を構成し、共振器の共鳴波長を変化させることで、所望の光の波長の透過率を変化させるマイクロリング共振器において、半導体であるコア部分とＰ型半導体とＮ型半導体を持つリブを形成したＰＩＮ構造がある（例えば、非特許文献３参照）。

更に、この構造に逆方向電圧をかけることで、キャリアをリブ部に引き抜き、共鳴波長の変化を回復させる方法がある（例えば、非特許文献４参照）。このＰＩＮ構造付マイクロリング共振器の構造を図１４に示す。

次に、第２の従来のスイッチング素子について説明する。

シリコン等の高屈折率材料と空気などの低屈折率材料の周期構造をスラブ方向に形成した、二次元フォトニック結晶は光の閉じ込めが非常に強いため、小さなサイズで素子を作成することができる。周期構造の一部を線状に崩すことによってコアを形成することができ、コア部分のフォトニック結晶導波路の両側のクラッド部分のフォトニック結晶領域にＰ型半導体とＮ型半導体を形成し、順方向に電流を流すことによってキャリアを注入可能な構造がある（例えば、特許文献１参照）。このような構造を図１５に示す。この構造は、ＰＩＮ付２次元フォトニック結晶２００の両端に電極２１２を設け、スラブ２０４に導波路１０８と空気穴２０６を設けたものであり、フォトニック結晶導波路の熱光学効果の制御やキャリア注入による電機光変調器の実現を目的としている。
United States Patent, Pub. No.:US2005/0084195A1, Pub. Date: Apr. 21.2005 T. Tanabe, M. Notomi, E. Kuramochi, A. Shinya, and H. Taniyama, "Trapping and delaying photons for one nanosecond in an ultrasmall high-Q photonic-crystal nanocavity," Nature Photon., Vol. 1, No. 1, 49-52 (2007) T. Tanabe, M. Notomi, A. Shinya, S. Mitsugi, and E. Kuramochi, "All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities," Appl. Phys. Lett., Vol. 87, No. 15, 151112 (2005) Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, and M. Lipson, "Micrometre-scale silicon electro-optic modulator" Nature, Vol. 435, pp. 325-327 (2005) S. Preble, Q. Xu, B. Schmidt, and M. Lipson "Ultrafast all-optical modulation on a silicon chip," Optics Letters, Vol. 30, No. 21, 2891-2893 (2005)

全光スイッチの動作を高速化するためには有効キャリア緩和時間を短くすることが必要である。従来有効キャリア緩和速度は、主にキャリア寿命、表面再結合速度やキャリア拡散定数などの材料パラメータで決まってしまうことが多かった。キャリア緩和速度を短寿命化するためにイオン注入して再結合中心を作ることは可能であるが、光吸収の増加によるデバイスの特性劣化及び熱の発生が増加するためデバイスの動作特性の低下が問題となる。

前述の図１４に示したリング共振器による光スイッチでは、ＰＩＮ構造を用いることで高速にキャリアを引き抜くことが可能となっている。しかし、リング径を直径１０μｍよりも小さくすると、側壁より光が漏洩してしまうために、デバイスサイズをこれ以上小さくすることができない。

また、キャリアを効率的に引き抜くためには、リブ部分の高さをコア部分の高さに近づける必要があるが、図１４のような構造ではリブ部分の高さがコア部分の高さに近くなると光を閉じ込めることができなくなるため、キャリアの引き抜き速度に制限があり、動作速度の向上に制限があった。さらに、キャリアが発生する箇所とＰＮ領域が直線状に無いため、キャリアを十分に引き抜くには高い電圧をかける必要があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、小型化、動作速度の高速化、低電圧化を同時に図ることができる光変調器を、フォトニック結晶共振器にＰＩＮ構造を作製してキャリアを高速に共振器の外に引き出すことが可能な高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法を提供することを目的とする。

図１は、本発明の原理構成図である。

本発明（請求項１）は、フォトニック結晶共振器を用いたスイッチング素子であって、
フォトニック結晶基板中に、
光を閉じ込める共振器２１０と、
共振器２１０を挟んで対向する２つの領域に設けられる電極領域２２０，２３０と、
を有する高速スイッチング素子である。

また、本発明（請求項２）は、フォトニック結晶は、Si，Ge，GaAs，AlAs，SiC，InP，InAs，GaP，GaN，AlN，ZnSe，ZnOの半導体、または、これらの半導体のうち、いずれか複数の混晶半導体の二次元フォトニック結晶基板であり、
電極領域２２０，２３０は、それぞれP型半導体及びN型半導体領域である。

また、本発明（請求項３）は、フォトニック結晶共振器を、特定の領域に空気穴を形成しない点欠陥共振器、または、咳空気穴を１列形成しない線欠陥の幅、または、格子定数または接欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した線欠陥共振器とする。

本発明（請求項４）は、フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子であって、
所定の導波路位置を挟むフォトニック結晶基板中に、対向する２つの電極領域を設け、
二光子吸収キャリアを拡散するより早く導波路から引き抜き除去するために電極領域に電界を印加する印加手段を有する高速スイッチング素子である。

本発明（請求項５）は、フォトニック結晶共振器を用いたスイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるためのスイッチング高速化方法であって、
フォトニック結晶基板中に、共振器部位を挟んで対向する２つの領域に電極領域を設け、
共振器に発生させた二光子吸収キャリアを、電極領域に電界を印加して引き抜くことにより、該共振器のキャリアを、拡散によって散逸するよりも早く除去することで、スイッチング速度を向上させる。

本発明（請求項６）は、フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるスイッチング高速化方法であって、
フォトニック結晶基板中で、導波路を挟んだ所定の対向する２つの領域に電極領域を設け、
電極領域に挟まれた導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを、電界印加によって拡散より早く導波路から引き抜き、除去することで、スイッチング速度を向上させる。

フォトニック結晶は強く光を閉じ込めることが可能なため、共振器の近くにＰＮ領域を設置可能である。そのため、本発明によれば、Ｐ領域とＮ領域を共振器の近くに配置することが可能なため、デバイスサイズを極めて小さくすることが可能である。

また、本発明によれば、キャリアが発生するフォトニック結晶共振器部分と、外部電界を印加し、さらにキャリアを引き抜くために用いるＰＮ領域を直線状に配置可能なため、キャリアを効率的に共振器の外に掃き出し、スイッチングの高速化をすることが可能である。

前述の理由により、キャリアの掃引に必要な印加電界は小さくてもよい。

キャリアが共振器外に掃引されるためにスイッチング速度が向上するが、それに加えてキャリアがＰＮ領域に達すると、電極を介して引き抜かれる。結果的に二光子吸収によって生成されたキャリアがデバイスから外部に引き抜かれるために、従来性能劣化の主要因として挙げられていた熱の発生が抑えられる。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明の第１の実施の形態におけるＰＩＮ構造を示し、図３は、本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック共振器の構成を示す。

共振器１０部分は空気穴を一つだけ空けない点欠陥共振器で六重共振器とも呼ぶ。図３は、当該点欠陥六重共振器の上面から見た例である。共振器１０の最近接穴（空気穴）４０は少し共振器１０の外側にずらしてある。共振器１０の中央から最近接穴４０中央の距離をｃ_kとしたときに、ｃ_k＝1.23ａとした。ここでａは、格子定数（フォトニック結晶の低屈折率材料（空気穴）の間隔の距離）４２０nmである。スラブ厚は２００nmで上下面は空気である。スラブはシリコンである。この共振器１０にて最高Ｑ値３．２×１０^５が実現できる。また、共振器１０の電界分布を図４に示す。

基板シリコン７０の熱平衡キャリア密度は、1.02×10¹⁰cm^‐3である。当該共振器１０から左右それぞれ±２μｍ離れた位置にP型及びN型のシリコン領域２０，３０を作成し、PIN構造を形成する。P領域２０及びN領域３０のドナー及びアクセプタ濃度は5×10¹⁹cm^-3とする。

図５は、本発明の第1の実施の形態におけるPN構造付Air-bridgeフォトニック結晶構造の作製プロセスを示す。

始めにSOI基板をEBレジストとドライエッチング（１）でフォトニック結晶のパターンを作製する（２）。P及びN領域周辺のみ選択的にSiO₂を堆積し（３）、更に選択的にSiO₂をエッチングしてP型シリコン及びN型シリコンを形成するために順番にイオン注入する（４）。その後、電極を堆積とアニーリングにより形成し、フォトニック結晶領域以外をレジストで保護してウェットエッチングによってair-bridge構造を形成する（６）。

図６は、本発明の第1の実施の形態における外部電界を印加しない場合の六重極フォトニック結晶微小光共振器のキャリア分布の時間の変化を示す。

図６（ａ）は、本共振器をスイッチング動作させるときの初期二光子吸収キャリア分布を示す。同図に示す濃度の二光子吸収キャリアを用いると、1550nm帯の光で本共振器の共鳴波長を‐０．１５nmシフトすることが可能であり、スイッチングのコントラストは十分大きくとれる。

始めにＰＩＮ構造に電圧を加えない、共振器への外部電界が印加されていない場合のキャリア拡散の様子を図６（ｂ）、（ｃ）に示す。８ps（図６（ｂ））及び２４ps（図６（ｃ））後にもキャリアが共振器付近に留まっていることがわかり、それが、スイッチング速度を制限していることがわかる。しかし、同時にキャリアが共振器の外側に拡散可能であることもわかり、この結果からキャリアをフォトニック結晶の空気穴をよけながら、共振器外に容易に移動可能であることもわかった。そこで、共振器に外部電界を印加すればキャリアを効率的に共振器の外部に引き抜けることが期待される。

図７は、本発明の第１の実施の形態における４μｍ間隔距離のあるＰＮ間に逆電圧０．５Ｖを印加した場合の、六重極共振器で生成した二光子吸収キャリアの空間分布の時間変化である。同図では、上部をＰ領域、下部をＮ領域とする。同図において、Ｐ領域とＮ領域にそれぞれ接触させた電極間に０．５Vの逆電圧を印加した場合のキャリアの移動の様子を表しており、約８ps（図７（ｂ））でキャリアの大部分が共振器の外に移動している様子が示されている。ＰＩＮ構造を作製することで、スイッチングが１０ps以内に回復できることがわかる。

加えて、１６ps後（図７（ｃ））にはキャリアの大半がｎ領域に達しているため、キャリアが熱に変換されデバイスの熱特性が劣化することもなく、発熱抑制が可能となる。

なお、フォトニック結晶として、Siに限定されることなく、Ge，GaAs，AlAs，SiC，InP，InAs，Gap，Gan，AlN，ZnSe，ZnOの半導体、または、これらの半導体のうち、いずれか複数の混晶半導体を用いてもよい。

［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態におけるＤ４共振器の共振器モードを示す図である。

線欠陥共振器であるＤ４共振器は、フォトニック結晶中の４つの空気穴を一列空けない領域を造り、共振器を形成する。共振器の両端の穴は、外側にシフトさせ穴径も小さくしている。当該共振器におけるQ値は２．３×１０^４である。

図９は、本発明の第２の実施の形態における導波路に結合したＤ４共振器のPIN付構造の模式図である。上記の第１の実施の形態と同様に、図９で示すPIN構造を作製することによって、キャリアを高速に共振器の外に引き抜くことが可能である。

なお、共振器として、上記の他、空気穴を1列形成しない線欠陥の幅、または、格子定数または、接欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した線欠陥共振器を用いてもよい。

［第３の実施の形態］
フォトニック結晶導波路においても、二光子吸収キャリアによるスイッチングが可能である。この場合には、二光子吸収キャリアが生成したことによる自由電子吸収の変化による、信号光の透過率の変化を全光スイッチングとして用いる。このスイッチにおいて動作速度を決めるのはフォトニック結晶導波路から実キャリアがどの程度の速度で消滅するかという点に依存している。そのため、図１０に示すようなシリコンフォトニック結晶導波路８０の両脇にＰＮ構造（Ｐ領域２０、Ｎ領域３０）を形成したPIN構造においても、導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを電界を印加することにより、早く当該導波路から引き抜き除去することで、吸収型スイッチングの高速性が前述の第１の実施の形態と同様の原理にて図られる。

上記の第１〜第３の実施の形態によれば、フォトニック結晶共振器８０の両脇にＰ領域２０、Ｎ領域３０の電極領域を設け、電界を印加することで、波長シフトを起こすキャリアを高速で引き抜き、スイッチング速度を高速化させることができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。

本発明は、光通信や光信号処理回路で用いられる全光スイッチに適用可能である。

本発明の原理構成図である。 本発明の第１の実施の形態におけるＰＩＮ構造である。 本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック共振器の構成図である。 本発明の第１の実施の形態における共振器の電界分布である。 本発明の第１の実施の形態におけるＰＩＮ付Air-bridgeシリコンフォトニック結晶の作成プロセスである。 本発明の第１の実施の形態における外部電界を印加しない場合の六重極フォトニック結晶微小共振器のキャリア分布の時間変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における４μm間隔距離のあるＰＮ間に逆電圧0.5Vを印加した場合の六重極共振器で生成した二光子吸収キャリアの空間分布の時間変化である。 本発明の第２の実施の形態におけるＤ４共振器の共振器モードを示す図である。 本発明の第２の実施の形態における導波路を結合したＤ４共振器のＰＩＮ付構造の模式図である。 本発明の第３の実施の形態における導波路ＰＩＮ構造を示す図である。 入出力導波路と結合した２次元フォトニック結晶共鳴トンネルフィルタ共振器の鳥瞰図である。 共鳴トンネルフィルタの透過スペクトルの例である。 シリコンフォトニック結晶スイッチのスイッチング動作である。 ＰＩＮ構造付シリコンマイクロリング共振器の構成図である。 電気光変調用ＰＩＮ付２次元フォトニック結晶導波路の構成図である。

符号の説明

１０ 共振器
２０ p-Si領域
３０ n-Si領域
４０ 空気穴、最近接穴
５０ 入力導波路
６０ 出力導波路
７０ シリコン
８０ シリコンフォトニック結晶導波路
２００ ＰＩＮ付２次元フォトニック結晶
１０１ フォトニック結晶導波路
１０２ フォトニック結晶共振器
２０２Ａ，２０２Ｂ 電極
２０４ スラブ
２１２Ａ，２１２Ｂ 電極
２０６ 空気穴
２１０ フォトニック結晶共振器部位
２２０ 電極領域（Ｐ型半導体領域）
２３０ 電極領域（Ｎ型半導体領域）

Claims (6)

1. フォトニック結晶共振器を用いたスイッチング素子であって、
   前記フォトニック結晶基板中に、
   光を閉じ込める共振器と、
   前記共振器を挟んで対向する２つの領域に設けられる電極領域と、
   を有することを特徴とする高速スイッチング素子。
2. 前記フォトニック結晶は、Si，Ge，GaAs，AlAs，SiC，IuP，IuAs，GaP，GaN，AlN，ZnSe，ZnOの半導体、または、これらの半導体のうち、いずれか複数の混晶半導体の二次元フォトニック結晶基板であり、
   前記電極領域は、それぞれP型半導体及びN型半導体領域である
   請求項1記載の高速スイッチング素子。
3. 前記フォトニック結晶共振器は、
   特定の領域に空気穴を形成しない点欠陥共振器、または、該空気穴を１列形成しない線欠陥の幅、または、格子定数または接欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した線欠陥共振器である
   請求項１または２記載の高速スイッチ素子。
4. フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子であって、
   前記所定の導波路位置を挟むフォトニック結晶基板中に、対向する２つの電極領域を設け、
   前記二光子吸収キャリアを拡散するより早く前記導波路から引き抜き除去するために前記電極領域に電界を印加する印加手段を有する、
   ことを特徴とする高速スイッチング素子。
5. フォトニック結晶共振器を用いたスイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるためのスイッチング高速化方法であって、
   前記フォトニック結晶基板中に、共振器部位を挟んで対向する２つの領域に電極領域を設け、
   前記共振器に発生させた二光子吸収キャリアを、前記電極領域に電界を印加して引き抜くことにより、該共振器のキャリアを、拡散によって散逸するよりも早く除去する
   ことを特徴とするスイッチング高速化方法。
6. フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるスイッチング高速化方法であって、
   前記フォトニック結晶基板中で、導波路を挟んだ所定の領域に対向する２つの電極領域を設け、
   前記電極領域に挟まれた導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを、電界印加によって拡散より早く導波路から引き抜き、除去する
   ことを特徴とするスイッチング高速化方法。