JP2010503047A5

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Publication number: JP2010503047A5
Application number: JP2009527883A
Authority: JP
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2027-09-12

Description

上述のデバイスは、制限された偏光変換効率、又は他の導波路デバイスとの統合を阻止する特化した製造プロセスに対する要求といった欠点を受ける。例えば、例えば、Ｒａｈｍａｔｉａｎ他により提案されたデバイスは、位相ミスマッチの独立した電気光学制御なしで、低複屈折導波路を用いる。Ｓｃｈｌａｋ他により報告されたデバイスは、位相反転長さに適合する長手方向期間をもって、水平方向の電場方向の周期的な反転を用いることにより、位相ミスマッチの存在を可能にする。このことは、複雑な駆動回路及び特化した製造プロセスを必要とする。Ｇｒｏｓｓａｒｄ他により提案された偏光コンバータは、垂直方向の電場成分の印加により、位相ミスマッチの独立した電気光学制御を提供する。しかしながら、電極の特定の構成によりもたらされる欠陥があり、光学領域の側部にある電極は、導波路の下の別個の接地平面なしで、導波路の上部の電極及び導波路の反対側の電極に対する接地として用いられる。このことは、電場成分と光場との不良な重なりをもたらし、結果的に大きな動作過電圧をもたらす。接地電極の水平方向オフセットのために、上部電極と接地との間に印加された電圧信号は、生成される垂直方向及び水平方向の両方の電場成分をもたらす。このことは、位相モジュレータ及びＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計といった垂直方向の電場のみを必要とするデバイスの統合を阻止する。さらに、光場と同じ平面において横方向の電極の配置を可能にするためには、導波路は浅いエッチングにより形成されなければならず、これは導波路設計における導波路の複屈折の制御に対する範囲を制限し、小半径湾曲部といった深いエッチングを必要とする導波路構成部品の統合する可能性を除外する。

本発明の第１の態様によれば、ここで、導波路コア平面を定める第１及び第２の面を有する導波路コアと、導波路コア平面の第１の側であり且つ該平面の外に配置された複数の一次電極と、導波路コア平面の第２の側であり且つ該平面の外に配置された少なくとも１つの二次電極とを含む電気光学的導波路の偏光モジュレータであって、電極は、使用中、導波路コア内に２つの実質的に垂直方向に場成分を有する電場を与えるように適応され、その屈折率を変調して、コアを通って伝播する電磁放射が第１の偏光状態から第２の偏光状態に変換されるようにする電気光学的導波路の偏光モジュレータが提案される。
本明細書の目的のためには、水平方向は、基板の表面及びそこで成長されたエピタキシャル層間のインターフェースに対して平行であり、導波路コア内の伝播方向に対して垂直であるように定義される。正符号は、基板がエピタキシャル層の下にある状態で、導波路コア内の伝播方向に沿って見たときに、左から右の方向として定義される。偏光方位を定義する目的のためには、角度は、水平方向から反時計周りに測定される。９０°の角度は、垂直方向を与える。

導波路コアは一次電極と少なくとも１つの二次電極との間に配置されることは利便性がある。
一次電極は導波路コア内で移動する電磁波の電磁場の水平方向範囲により実質的に定められる区域において第１クラッド層上に配置されることが好ましい。一例として、一次電極は、電磁波が誘導される導波路コアの領域のすぐ上の第１クラッド層の上面上に配置することができる。
別の実施形態においては、電気光学導波路偏光モジュレータは、第２電極層ないに複数の二次電極を含む。
第１及び第２の電極層が実質的に平行である場合、電極は、使用中、第１及び第２の電極層に対して実質的に垂直な方向に配置された第１成分と、第１及び第２の電極層と実質的に平行な方向に配置された第２成分とを有する電場を与えるように適応されることが好ましい。

本発明の別の態様によれば、ここで、本発明の第１の態様による電気光学的導波路の偏光モジュレータを製造する方法が提案され、この方法は、
（ｉ）基板上に一連の実質的に平行な平面で配置された複数の半導体材料の層を含む電気光学構造体を形成し、
（ｉｉ）実質的に平面の第１の電極層内の複数の一次電極を、基板に対して遠位の電極構造体の表面に適用する、ステップを含む。
好ましい実施形態においては、電気光学構造体は、ＩIＩ−Ｖ半導体材料を含む。例えば、電気光学構造体は、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）合金、インジウム・ガリウム・アルミニウム砒素リン化物（ＩｎＡｌＧａＡｓＰ）合金、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）の少なくとも１つを含むことができる。
或いは、電気光学構造体は、ＩＩ−ＶＩ半導体材料を含む。この場合においては、電気光学構造体は、ニオブ酸リチウム、歪みシリコン、及び電気光学ポリマー材料の少なくとも１つを含むことができる。

本発明は、ここで、一例として、添付の図面を参照して説明される。
ここで、幾つかの図全体を通して、同様な数字が対応する又は同じ要素を識別する図面を参照すると、図１は、従来技術に説明される通常の電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。
導波路の偏光モジュレータ２は、第１クラッド層６と第２クラッド層８との間に配置された導波路コア４を有する深くエッチングされた導波路を含み、このデバイスは、基板１４上に支持される。第１及び第２クラッド６、８は、導波路コア４より低い屈折率を有するように配置されて、導波路コア４内の光学的制限を与えるようにする。導波路モジュレータ２は、典型的には、有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）プロセスを用いて、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から製造される。エッチング領域及び金属付着領域は、典型的には、紫外線フォトリソグラフィを用いて定められる。具体的には、第１クラッド層６及び第２クラッド層８は、典型的には、ガリウム・アルミニウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）合金を含み、導波路コア４及び基板は、典型的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む。導波路の偏光モジュレータ２は、第１クラッド層６上に配置された第１電極１０と、第２クラッド層８上に配置された第２電極１２とを有する。図１に示す実施形態においては、第２クラッド層の近傍の基板領域は、実質的に導電性であるように配置され（例えば、この基板領域は、その中にドーパントを導入することによりｎ型になるように配置することができる）、したがって、第２電極１２として動作する。

図２は、本発明の１つの実施形態による電気光学的導波路の偏光モジュレータの概略断面図を示す。本発明による導波路の偏光モジュレータ２０は、第１クラッド層６と第２クラッド層８との間に配置された導波路コア４を有する深くエッチングされた導波路を含み、デバイスは基板１４上に支持される。制限なく、モジュレータ２０は、通常の有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）プロセスを用いて、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から製造される。具体的には、第１クラッド層６及び第２クラッド層８はガリウム・アルミニウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）合金を含み、導波路コア４及び基板は、典型的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む。
通常の導波路の偏光モジュレータ２は、導波路コア４内に垂直方向の電場１３を確立するために、単に、第１及び第２の電極１０、１２を含むのみであるが、本実施形態の導波路の偏光モジュレータは、第１クラッド層６上に配置された第１及び第２の電極２２、２４と、第２クラッド層上に配置された第３電極２６とを有する。第１及び第２の電極２２、２４は、下にある電気光学的導波路コア４内を移動する電磁波の電磁場の水平方向範囲により実質的に定められる区域において、第１クラッド層６上に配置される。例えば、本実施形態においては、第１及び第２の電極２２、２４は、深くエッチングされた導波路の上面上、及び、電磁波が移動する電気光学的導波路コア４の領域のすぐ上に配置される。第２クラッド層８の近傍における基板１４の領域は、実質的に導電性であるように配置される（例えば、この基板領域は、その中にドーパントを導入することによりｎ型になるように配置することができる）、したがって、第３電極２６として動作する。）或いは、第２クラッド層８は、第３電極として動作するように実質的に導電性とすることができる。

本実施形態においては、第１クラッド層６上に第１及び第２の電極２２、２４を含むことは、２つの相互に直交する方向（例えば、実質的に垂直方向及び水平方向）の場成分１３、１５を有する電場を導波路コア４内に生成することを可能にする。
第３の共通電極２６に関する、第１電極２２に対する第１変調電圧Ｖ₁の印加、及び、第２電極２４に対する第２変調電圧Ｖ₂の印加は、導波路コア４内の垂直方向及び水平方向の電場成分１３、１５の独立した制御を可能にする。
導波路コア４に対して離間した関係で配置された実質的に同一平面状の電極を用いて導波路コア４内にこうした電場を生成することは、これまで実行可能であるとは考えられていなかった。むしろ、従来技術で説明される導波路の偏光モジュレータは、従来、電場が完全に導波路コア４に延びることを保証し、その中に十分な場の強度を維持して、コア４を通って伝播する電磁放射の位相を変調する、平面に配置された駆動電極を使用するものであった（非特許文献９を参照されたい）。

本モジュレータ２０の動作をさらに説明するために、印加された電場の垂直方向成分（Ｅ_v）１３は、導波路コア４の屈折率を水平方向に変調し、垂直方向に偏光された光の屈折率は変化しないまま残すようにすることができる。電場の水平方向成分（Ｅ_h）１５は、導波路コア４における結晶の屈折率を、方向＋４５°及び−４５°の同時の変化が反対の符号で生じるように変調し、水平方向及び垂直方向に対して変化はないようにすることができる。したがって、ｘ、ｙ、及びｚ方向において、導波路コア４の複屈折率の楕円体の半径、及び、導波路内の偏光モードの光学電場の位置合わせの両方は、印加された変調電圧Ｖ₁及びＶ₂に応じて可変である。
導波路の上部に配置された金属電極２２、２４の存在は、各々の電極でショットキーバリアを形成し、これは、印加電圧が光学領域にわたり降下した場合には、逆バイアスがかけられなければならないことに注目されたい。したがって、単一の垂直方向ｖ、及び水平方向ｈ及び−ｈに電場を印加することのみ可能である。
したがって、図２の偏光モジュレータ２０における電極の構成は、導波路の偏光モードの角度及びこれらのモードの等価屈折率間の差異の独立した制御を可能にする。したがって、水平方向偏光入力状態からの正確な偏光制御が可能になる。実際、モジュレータは、どのような入力偏光状態であっても、どのような出力偏光状態にも変換することができる。このことは、モジュレータは、偏光状態をポアンカレ球のいずれかの始点からいずれかの終点に変化させることができることを意味する。

本発明の偏光モジュレータ２０は、付加的な処理段階なしで、標準的なプロセスを用いて製造できるという利点を有する。したがって、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の強度モジュレータといった、水平方向の偏光状態を必要とするデバイスを含む他の導波路構造体で統合することができる。本発明の電極構成により与えられる高められた制御程度のために、制御許容差は、首尾よく繰り返し製造されてきた他の導波路デバイスのそれと比較して、要求が厳しいものではない。
本発明の電気光学的導波路の偏光モジュレータの別の実施形態は、図３の断面図に示される。このデバイスの構造は、図２のものと同様であるが、付加的なキャップ層３０が電極２２、２４と第１クラッド層６との間に与えられる。図３の実施形態は、さらに、複数の第２クラッド層８ａ、８ｂ、８ｃ、及びバッファ層３２を含んで、基板１４からデバイスを分離する。本実施形態においては、下方クラッドのシリコンドープ層８ａ、８ｂ、８ｃは、第３電極２６を与える。多数の下方クラッド層構造の設計は、基本空間モードだけが低損失で伝播し、より高いオーダーのモードは基板に漏れることを可能にするように最適化される。出力状態の正確な制御は、基本モードのみが出力において存在することを要求する。

偏光モジュレータの寸法は、波長幅５．００μｍ、電極幅１．０μｍ、電極分離（図においては番号３４により示される）３．０μｍ、エッチング深さ（図においては番号３６により示される）４．４μｍ、波長長さ３．０ｃｍ、動作波長１５５０ｎｍである。
偏光モジュレータ内の種々の層の各々を含む半導体材料の組成は、以下の表１．０に示される。

表１．０

本発明の電気光学的導波路の偏光モジュレータの別の実施形態は、図６の断面図に示される。デバイスの構造は、図２のものと同様であるが、付加的な下方電極２８が第２クラッド層８上に与えられている。第４の電極２８の備えは、デバイス内の垂直方向及び水平方向の電場の制御を容易にする。
上記の実施形態は、速度を約１ＧＨｚまでに切り換えるのに用いることができるが、より高速の切り換え周波数に対しては、電極２２、２４、２６、２８に印加される電圧は、その波長が電極よりも桁違いに短いため、高周波（ＲＦ）信号として処理されなければならない。単純なひとまとめにされた電極は、この場合、十分に迅速に応答しないため、偏光モジュレータの電気的な態様は、マイクロ波動作のために設計されなければならない。進行波の電極構造は、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の強度モジュレータといった同様なＧａＡｓデバイスにおいて十分に証明されている。これらは、光のそれに適合された群速度で信号を送るように設計されたＲＦ伝送ラインを含み、光の群は導波路に沿ったその移行全体にわたり、同じ屈折率の分散を受ける。さらに、伝送ラインは、ＲＦ信号源及び終端のそれと適合する特性インピーダンスにより設計される。これは多くの場合５０Ωである。これらの証明された設計は、本明細書で説明される本発明の導波路の偏光モジュレータと両立性がある。