JP2011076086A - 導波路結合された表面プラズモンポラリトン光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】
導波路に結合された表面プラズモンポラリトン光検出器を提供する。
【解決手段】
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスは、導波路内の光モードからの光を、当該ＭＳＭデバイスの電極表面の表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードに結合する。ＳＰＰモードにおいては、半導体内での光の吸収は、非常に小さい領域で発生することができる。これは、活性な検出器領域の縮小を可能にし、電気的なキャリアに関して低容量（キャパシタンス）で非常に短い移送距離を可能にし、非常に低電圧なデバイス及び／又は非常に高い周波数を可能にし得る。
【選択図】 図１
導波路に結合された表面プラズモンポラリトン光検出器を提供する。
【解決手段】
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスは、導波路内の光モードからの光を、当該ＭＳＭデバイスの電極表面の表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードに結合する。ＳＰＰモードにおいては、半導体内での光の吸収は、非常に小さい領域で発生することができる。これは、活性な検出器領域の縮小を可能にし、電気的なキャリアに関して低容量（キャパシタンス）で非常に短い移送距離を可能にし、非常に低電圧なデバイス及び／又は非常に高い周波数を可能にし得る。
【選択図】 図１
Description
本発明の実施形態は、光検出器に関し、より具体的には、導波路内の光を導波路モードから表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードに変換することによって該光を検出することに関する。
数多くの用途が、導波路内を進行する光信号を検出する能力に頼っている。光は、光線として知られる直線経路にて伝播する。光線は、物質界面にて屈折され、反射され、散乱され得る。誘電体導波路においては、高屈折率のコア領域が低屈折率のクラッド層によって囲まれ得る。光線は、コア／クラッド界面における内部反射によって高屈折率コア領域に閉じ込められ得る。反射された複数の光線は互いに干渉し、導波路内に電磁場パターンを形成し得る。
導波路内で、光は“モード”と呼ばれる一定の可能な状態のみを有し得る。導波路の“モード”は、分散なく、すなわち、形状を変化させることなくコア領域内で伝播する電磁界パターンを意味する。導波路は、１つのモードのみを担持する場合、“シングルモード”ということになる。“マルチモード”導波路は多数のモードを担持する。モードを例えれば、モードが原子の電子殻に類似するとして、確率関数として考えられ得る。そのモードに光子が見出されるように、電子は電子殻に閉じ込められる。導波路の形状を変化させると、導波路モードはもはや担持されることができなくなり、導波路から、より高い屈折率の検出器へと、追い出され、導き出され、救い出され、あるいは“連れ出され”得る。
導波路は光を検出器へと案内し得る。導波路内の光を電気的に検出するため、光検出器が、放射線を吸収し、光生成電荷を収集し、且つ電流を作り出す。現在、導波路内の光を検出することには、エバネセント結合された導波路光検出器、又は部分的にエバネセント結合／近接結合された光検出器が用いられている。一般的に、エバネセント結合された光検出器を用いる場合、カップリングがかなり弱く、光を効率的に捕捉するためには２０μｍから１００μｍ長のデバイスを必要とする。これでは、より高い暗電流と検出器容量（キャパシタンス）がもたらされ、デバイスの高速性を制限してしまい得る。
本発明の実施形態は、導波路に結合された表面プラズモンポラリトン光検出器を提供する。
一態様によれば、導波路モードにて光信号を運ぶ導波路と、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器とを含む装置が提供される。ＭＳＭ光検出器は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に挟まれた半導体材料とを含む。ＭＳＭ光検出器は、光信号を導波路モードから表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードへと変換する。
添付の図面とともに、以下の構成及び実施形態例の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより、本発明の上述の事項及び更に十分な理解が明らかになる。なお、図面、詳細な説明及び特許請求の範囲は全て、本発明の開示の一部を形成するものである。上述の開示及び後述の開示は、本発明の構成及び実施形態例を開示することに焦点を当てたものであり、明確に理解されるように、それらは例示であって本発明を限定するものではない。
一実施形態に従った導波路結合されたプラズモン検出器を示す断面図である。
図１に示した導波路結合されたプラズモン検出器の上面図である。
ＴＥモードに偏光した光信号を検出する導波路結合されたプラズモン検出器を示す図である。
ＴＭモードに偏光した光信号を検出する導波路結合されたプラズモン検出器の応答を示す図である。
ＴＭモードに偏光した光信号を検出する導波路結合されたプラズモン検出器を示す図である。
ＴＭモードに偏光した光信号を検出する導波路結合されたプラズモン検出器の応答を示す図である。
導波路結合されたプラズモン光検出器の他の一実施形態を示す上面図である。
導波路結合されたプラズモン光検出器の他の一実施形態を示す断面図である。
実施形態は、光導波路内の光強度を検知あるいは検出し、光強度（光子）を電流（電子／正孔）に変換する装置及び方法を記述する。
本明細書全体にわたる“一実施形態”への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。故に、本明細書全体にわたる様々な箇所で“一実施形態において”という言い回しが現れることは、必ずしも、全てが同一の実施形態に言及しているわけではない。また、そのような特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において好適に組み合わされ得る。
実施形態は、導波路結合された光検出器に関連する。導波路は、周囲のクラッドより高い屈折率を有し且つ導波路及びクラッドの双方が光学的に透明である限り、一般的な如何なる材料であってもよい。
一実施形態において、検出器は金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器に基づく。他の実施形態において、検出器はＰＩＮダイオードであってもよい。金属−半導体−金属光検出器の場合、金属電極が、光生成キャリアを掃き出すための電圧を印加するコンタクトと、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードが励起され、電子−正孔対及び光生成キャリアの効率的な生成を可能にするように光を検出器の半導体領域に至らせる表面との双方として機能する。
表面プラズモンポラリトンは、２つの物質の境界における電子密度の揺らぎである。プラズモンは、金属の原子格子サイトを取り囲む電子ガス（又はプラズマ）の集団振動である。プラズモンが光子と結合するとき、得られる素粒子はポラリトンと呼ばれることがある。このポラリトンは、エネルギーがフォノンに変換される吸収によって、あるいは光子への放射遷移によっての何れかで崩壊するまで、あるいはエネルギーが半導体のバンドギャップより高い場合に電子−正孔対を作り出すまで、金属の表面に沿って伝播する。
図１、図２を参照するに、それぞれ、本発明の一実施形態に従った導波路結合されたプラズモン検出器の一形態の断面図、上面図が示されている。例えば窒化シリコン導波路などである導波路１００は、酸化シリコンのクラッド材料１０２を有している。検出器は、ゲルマニウム（Ｇｅ）ベースの金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型検出器を有し、或る距離だけ離隔された第１の金属電極１０４と第２の金属電極１０６とを有し得る。ゲルマニウム（Ｇｅ）の層１０８は、電極１０４及び１０６の底部付近で、第１の電極１０４と第２の電極１０６との間に挟まれ得る。図示のように、電極１０４及び１０６は、例えば銅（Ｃｕ）などの金属を有し得る。
図２に示すように、寸法例が提示されている。例えば、窒化シリコン導波路１００は、概して矩形の断面を有し、０．５μｍ幅とし得る。導波路１００は、第１の電極１０４と平行に走り、例えば０．４μｍだけ第１の電極から離隔されて、第１の電極と非常に近接し、且つＧｅ半導体材料から１μｍの距離だけ隔てられ得る。第１の電極１０４及び第２の金属電極１０６は０．９μｍの距離だけ互いに隔てられ得る。Ｇｅ半導体材料１０８は、１５μｍ幅とすることができ、第１の電極１０４及び第２の金属電極１０６と０．５５μｍだけ重ねられ得る。これらの寸法は全ておおよそであり、必ずしも最適化されていない。これらの寸法は全て１つの可能な例として提示したものであり、最適性能のために具体的な状況に対して微調整あるいは調整され得る。
動作時、“導波路モード”と呼ばれ得るものにて導波路１００を伝播する光２００は、通過するときに検出器によって“表面プラズマポラリトンモード”に変換され得る。導波路１００内に閉じ込められた光は、恐らく誘電体クラッド内へのモードテイルのため、導波路コア１００に近接配置された金属電極１０４と強く相互作用し得る。モードと金属表面との間のこの強い結合は、モード偏光が金属界面に垂直な成分を有する場合、金属表面に表面プラズモンを共鳴励起することができる。
故に、実施形態は、導波路１００内の光モードからの光を電極表面１０４上のＳＰＰモードに結合する非常に効率的なプロセスを使用する。ＳＰＰモードにおいては、半導体１０８内での光の吸収は、非常に小さい領域で発生することができる。これは、活性な検出器領域の縮小を可能にし、電気的なキャリアに関して低容量（キャパシタンス）で非常に短い移送距離を可能にし、非常に低電圧なデバイス及び／又は非常に高い周波数を可能にし得る。
本発明の１つの特徴は、光が先ず導波路モードからＳＰＰモードへと結合されることである。ＳＰＰモードは金属／半導体の表面上に極めて限定される（≪光の波長λ）ので、非常に小さい検出器面積を可能にする。また、電極１０４及び１０６は、（従来の検出器と比較して）光子の収集効率を損ねることなく、互いに非常に近接するように（回折限界より小さく）間隔を空けられ得るので、依然として高電界でありながら電圧を非常に低くすることができる。
これは、キャリアが電極で収集されるために長い距離を進行する必要がないため、デバイスの一層低い暗電流及び高速性に有利となり得る。別の１つの特徴は、ＳＰＰモードの発動が光の入射時の偏光に依存することである。これは、（偏光に基づく）光論理又は偏光センサに有用となり得る偏光検知式検出器を提供する可能性をもたらす。この偏光感度を望まない場合には、例えば、検出器の向きを導波路に対して変化させるなどによって双方の偏光を検出することが可能な検出器を設計することが容易になり得る。プラズモン結合された導波路光検出器は、少量の光を注入してそれを検出する非常に小型の光検出器タップとして使用されるという利点を有し得る。これは、光システム内のデバイス及びフィードバック用のデータを監視するために使用され得る。
図３Ａ及び図４Ａは、本発明に係るデバイス及びその偏光検出能力を例証している。図３Ａ及び４Ａは、例えば窒化シリコン導波路である導波路１００と、酸化シリコンクラッド材料１０２とを示している。これらの図の各々はまた、或る距離だけ隔てられた第１及び第２の金属電極１０４及び１０６とそれらの間に挟まれたゲルマニウム（Ｇｅ）層１０８とを有する金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型検出器を含んでいる。
図３Ｂ及び４Ｂは、双方の偏光に関して、１ＭＨｚの光クロック信号及び１Ｖのバイアスを用いたときのデバイス応答を示している。すなわち、図３Ａ及び３Ｂにおいては、光クロック信号３００はＴＥモード（伝播方向の電界を持たないｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）に偏光され、図４Ａ及び４Ｂにおいては、光クロック信号４００はＴＭモード（伝播方向の磁界を持たないｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）に偏光されている。図３Ｂ及び４Ｂに示す応答によって例証されるように、ＴＭ応答に対するＴＥ応答はおよそ１０：１である。すなわち、本発明に係る検出器は、ＴＥ偏光に高く応答し、ＴＭ偏光された信号には遙かに小さくしか応答しない。
図５Ａ及び５Ｂは、導波路結合されたプラズモン光検出器の一実施形態を示している。図５Ａは、導波路５００と、導波路５００の情報に位置する検出器５０２とを含む上面図を示している。図５Ｂは、図５Ａに示した導波路プラズモン光検出器の断面図である。図示のように、このデバイスは、酸化物クラッド５０４を備えた導波路５００を有している。上述のような金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型検出器は、或る距離だけ隔てられた底部電極５０４及び頂部電極５０６と、それらの間に挟まれたゲルマニウム（Ｇｅ）層５０８とを有し得る。このようなデバイスは、従来の導波路結合型光検出器の場合に可能なデータレートより高いデータレートを達成するのに有用であり、光デバイスの集積化の更なる助けとなり得る非常に効率的な電力センサ又は偏光センサを可能にし得る。
本発明の例示的な実施形態についての以上の説明は、要約書に記載されるものも含め、網羅的なものはないし、本発明を開示したままの形態に限定するものでもない。ここでは例示目的で本発明の特定の実施形態及び例を説明したが、当業者に認識されるように、本発明の範囲内で様々な均等な変更が可能である。
それらの変更は、以上の詳細な説明を踏まえてこそ、本発明に為され得るものである。以下の請求項にて使用される用語は、本発明を明細書及び特許請求の範囲にて開示した特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、確立されたクレーム解釈の原則に従って、専ら以下の請求項によって決定されるべきである。
１００ 導波路
１０２ クラッド
１０４、１０６ 金属電極
１０８ 半導体層
２００ 光
５００ 導波路
５０２ 検出器
５０４ 底部電極
５０６ 頂部電極
５０８ ゲルマニウム層
１０２ クラッド
１０４、１０６ 金属電極
１０８ 半導体層
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５０４ 底部電極
５０６ 頂部電極
５０８ ゲルマニウム層
Claims (17)
- 導波路モードにて光信号を運ぶ導波路；
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器であり：
第１の電極；
第２の電極；及び
前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟まれた半導体材料；
を有するＭＳＭ光検出器；
を有し、
前記ＭＳＭ光検出器は、前記光信号を導波路モードから表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードへと変換する、
装置。 - 前記半導体材料はゲルマニウム（Ｇｅ）を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極は銅（Ｃｕ）を有する、請求項２に記載の装置。
- 前記導波路は窒化シリコンを有する、請求項１に記載の装置。
- 前記導波路より低い屈折率を有するクラッド、を更に有する請求項４に記載の装置。
- 前記光検出器は偏光に対して感度を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記光検出器は前記光信号の偏光に基づいて光論理信号を検出する、請求項６に記載の装置。
- 前記導波路及び前記光検出器は隣り合って配置される、請求項１に記載の装置。
- 前記光検出器は前記導波路の上方に積み重ねられている、請求項１に記載の装置。
- 導波路に光信号を入射するステップであり、該光信号は導波路モードにあるステップ；
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスの近傍で前記導波路を経路付けるステップ；及び
前記光信号を検出する前記ＭＳＭデバイスを用いて、前記光信号を導波路モードから表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードへと変換するステップ；
を有する、光信号を検出する方法。 - 半導体層を間に備えた第１の電極及び第２の電極から前記ＭＳＭデバイスを形成するステップ、を更に有する請求項１０に記載の方法。
- 前記半導体層はゲルマニウム（Ｇｅ）を有する、請求項１１に記載の方法。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極は銅（Ｃｕ）を有する、請求項１２に記載の方法。
- 前記ＭＳＭデバイスは偏光に対して感度を有する、請求項１０に記載の方法。
- 窒化シリコンから前記導波路を形成するステップ、を更に有する請求項１４に記載の方法。
- 前記窒化シリコンより低い屈折率を有するクラッドで前記導波路を囲むステップ、を更に有する請求項１５に記載の方法。
- 前記ＭＳＭデバイスを用いて、前記光信号の偏光に基づいて光論理信号を検出するステップ、を更に有する請求項１４に記載の方法。
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