JP2015227964A

JP2015227964A - 光デバイス

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Publication number: JP2015227964A
Application number: JP2014113766A
Authority: JP
Inventors: 礼高橋; Rei Takahashi; 真一田邉; Shinichi Tanabe; 山田　浩治; Koji Yamada; 浩治山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2015-12-17

Abstract

【課題】グラフェンを利用した光デバイスにおいて、より小型化が可能な状態でより高速な動作ができるようにする。
【解決手段】光制御導波路１０１と、入力光入力導波路１０２と、制御光入力導波路１０３と、信号光出力導波路１０４とを備える。光制御導波路１０１は、コア１１１に接して形成されたグラフェンからなる炭素層１０５を備える。光制御導波路１０１が、多モード導波路から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調や光スイッチなどの光制御を可能とするグラフェンを用いた光デバイスに関する。

光と電気とを変換することができる素子に用いられる光半導体材料には、数多くの元素が知られている。光半導体材料は、一般的にＩＩ−ＶＩ半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＩＶ族半導体材料に分類することが可能である。これらの中でも、光通信分野においては、光応用技術（シリコンフォトニクス技術）に適用可能なシリコン・ゲルマニウム等に代表されるＩＶ族半導体材料が、注目されている。ＩＶ族半導体材料を用いた光応用技術は、大量生産が可能かつ小型・集積化など優れた利点を有することから、チップ間光インターコネクションに代表される極短距離光通信から、中・長距離光通信まで幅広い応用が検討されている。

また、近年では、炭素材料、特にナノカーボンと呼ばれるカーボンナノチューブやグラフェンを用いた光通信の応用技術開発が盛んに行われている（非特許文献１参照）。例えば、グラフェンは、高キャリア移動度、光波長無依存性、高光非線形性などに利点を持ち、従来の材料と一線を画す光デバイスを実現可能である（非特許文献２参照）。

例えば、シリコンなどをはじめとする半導体材料を用いた微小光回路は、導波路コア材料とクラッド材料との屈折率差（Δｎ＝約２．５）が非常に大きいことから、クラッド周囲へのエバネッセント波（漏れ出し電界）が大きくなる。このため、グラフェンと高い相互作用が得られることから、上述した微小光回路にグラフェンを組み合わせた変調器や受光器などに応用する報告例がある。グラフェンを組み合わせた構成としては、電気制御型のグラフェン装荷型光スイッチもしくは光変調器が想定される。

M. Liu et al. , "A graphene-based broadband optical modulator", Nature, vol.474, pp.64-67, 2011. F. Bonaccorso et al. , "Graphene photonics and optoelectronics", NATURE PHOTONICS, vol.4, pp.611-622 ,2010. C.-C. Lee, et. al. , "Doping-induced changes in the saturable absorption of monolayer grapheme," Appl Phys B, vol.108, pp.129-135, 2012. H. Fukuda et al. , "Ultrasmall polarization splitter based on silicon wire waveguides", OPTICS EXPRESS, vol.14, no.25, pp.12401-12408,2006.

しかしながら、上述した電気制御型のグラフェン装荷型光スイッチ（もしくは光変調器）では、金属電極とグラフェン間のコンタクト抵抗が大きく、ＲＣ時定数によってその動作はグラフェンの非常に高いキャリア移動度を生かすことができず、わずか１ＧＨｚ程度の低周波動作に制限されるものとなる。

また、従来のグラフェン装荷型光スイッチ（もしくは光変調器）では、相互作用長が原理的に数１００μｍ程度となり（非特許文献１では２５０μｍ）、あまり小型多ができない。チップ内の光インターコネクション用途では、１００μｍよりさらに小型できることが望ましい。

このように、従来のグラフェンを利用した光デバイスでは、高速な動作や小型化が制限されるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、グラフェンを利用した光デバイスにおいて、より小型化が可能な状態でより高速な動作ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る光デバイスは、コアに接して形成されたグラフェンからなる炭素層を備える光制御導波路と、光制御導波路に入力光を入力する入力光入力導波路と、光制御導波路に制御ポンプ光を入力する制御光入力導波路と、光制御導波路より制御ポンプ光で制御された信号光を出力する信号光出力導波路とを備え、制御ポンプ光は入力光より短波長とされている。

上記光デバイスにおいて、光制御導波路は、多モード導波路から構成すればよい。

上記光デバイスにおいて、光制御導波路、入力光入力導波路、および信号光出力導波路は、１つの光導波路から構成し、制御光入力導波路は、入力光入力導波路に光結合した構成としてもよい。

上記光デバイスにおいて、光制御導波路は、リング導波路から構成し、入力光入力導波路、信号光出力導波路、および制御光入力導波路は、リング導波路に光結合する直線導波路から構成してもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、グラフェンを利用した光デバイスにおいて、より小型化が可能な状態でより高速な動作ができるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における光デバイスの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における光デバイスの一部構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における光デバイスの一部構成を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態１における光デバイスの一部構成を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態２における光デバイスの構成を示す構成図である。図６は、本発明の実施の形態３における光デバイスの構成を示す構成図である。図７は、本発明の実施の形態４における光デバイスの構成を示す構成図である。図８は、本発明の実施の形態４における光デバイスの一部構成を示す断面図である。

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。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光デバイスの構成を示す構成図である。この光デバイスは、光制御導波路１０１と、入力光入力導波路１０２と、制御光入力導波路１０３と、信号光出力導波路１０４とを備える。ここで、光制御導波路１０１は、コア１１１に接して形成されたグラフェンからなる炭素層１０５を備える。実施の形態１では、光制御導波路１０１が、多モード導波路から構成されている。なお、図１では、光制御導波路１０１を構成するコア１１１、入力光入力導波路１０２を構成するコア１２１、制御光入力導波路１０３を構成するコア１３１、信号光出力導波路１０４を構成するコア１４１を示し、クラッドは省略している。

上記構成とした実施の形態１における光デバイスでは、入力光は、入力光入力導波路１０２を導波して光制御導波路１０１に入力し、制御ポンプ光は、制御光入力導波路１０３を導波して光制御導波路１０１に入力する。入力光が入力されている光制御導波路１０１に、制御ポンプ光が入力され、入力された制御ポンプ光の光強度が所定のしきい値を超えると、炭素層１０５における光吸収が抑制され、光制御導波路１０１の透過率が上昇する。

例えば、制御ポンプ光のピーク強度を１００ＭＷ／ｃｍ²とすればよい（非特許文献３参照）。この結果、光制御導波路１０１に入力された入力光は、信号光出力導波路１０４へと導波され、信号光出力導波路１０４より信号光として出力される。このように、信号光出力導波路１０４には、光制御導波路１０１より制御ポンプ光で制御された信号光が出力される。例えば、所望とする波長の連続光を入力光とし、任意の時間波形を持ったパルス光を制御ポンプ光とすれば、入力光を変調した出力光を出力することができる。なお、制御ポンプ光は、入力光より短波長とされていることが重要である。

上述したように、本発明では、グラフェンからなる炭素層１０５を利用しているところに第１の特徴がある。さらに、本発明では、光スイッチングなどの制御原理は、従来の電圧によるフェルミ制御ではなく、グラフェンの可飽和吸収特性のみを利用するところに第２の特徴がある。グラフェンの吸光特性は、入射光の強度が閾値を上回ったところで飽和することが確認されており、この非線形光学的な挙動が、可飽和吸収性と呼ばれている。このようなグラフェンの特性は、伝導帯から価電子帯への励起状態が飽和することに由来する。

このように、本発明では、電圧制御などを用いていないため、従来課題とされていたグラフェンと制御用金属のコンタクト抵抗による周波数帯域のＲＣ時定数律速が回避できる。また、非線形光吸収である過飽和吸収は、相互作用長が数１０μｍ程度と短くできるため、より小型化が可能となる。ここで、所望の状態に変調された出力光のみを得るためには、制御ポンプ光を選択的に除去する波長フィルタが、信号光出力導波路またはこの後段に備え付けられていることが望ましい。方向性結合器、ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラ、ブラッグ反射グレーティングなどをモノリシックに集積できる他、外部に誘電体多層膜を設けて除去することも可能である。

次に、炭素層の形成について説明する。炭素層は、コアの加工中もしくは加工後に、グラフェンを成膜することで形成できる。例えば、遷移金属であるＣｕやＮｉなどより構成した金属基板の上にグラフェンを気相成長により成膜し、この後、金属基板を除去し、形成されていたグラフェンを、コアの上に転写すればよい。

例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を利用し、図２の断面図に示すように、基板２０１の上の埋め込み絶縁層２０２上のＳＯＩ層をパターニングし、コア２０３を形成する。埋め込み絶縁層２０２が、下部クラッド層となる。一方で、前述したように、金属基板の上にグラフェンを成長しておき、金属基板を除去して転写することで、コア２０３の上の所定の箇所に、炭素層２０５を形成する（表面装荷型）。

また、コア材量を堆積してコア２０３を形成する場合、形成途中にグラフェンを転写することで、図３に示すように、コア２０３の途中に、炭素層２０６を挾んだ構成とすることができる（サンドイッチ型）。どちらも、コア材料とクラッド材料との間の屈折率差が十分大きければ、光スイッチングなどの光制御機能に必要な相互作用は得られる。

また、グラフェンの形成技術として、よく知られているように、ＳｉＣ基板の加熱によりＣのみを選択的に析出させるグラフェン成長法が存在する。このグラフェン形成では、炭素層がコアに接触する構成を、前述した転写プロセスを必要とせずに形成可能である。この場合、図４に示すように、ＳｉＣからなるコア２０３ａの表面にグラフェンからなる炭素層２０４を形成することになる。ただし、下部クラッド層２０２ａを形成した基板２０１ａを用意し、下部クラッド層２０２ａの上に、炭化シリコン層を貼り合わせる工程が必要となる。貼り合わせたＳｉＣ層の表面をグラフェンとし、この後でパターニングして、コア２０３ａ，炭素層２０４とする。

ところで、本発明では、制御ポンプ光を導入により入力光の制御を行っているため、キャリア発生による光吸収（２光子吸収による自由キャリア吸収）が発生する条件となっている。例えば、シリコンは、自身の非線形性が大きく、高強度の光パワーを入力することでキャリアが発生し、光強度の減衰を誘起することから、グラフェンの非線形現象である可飽和吸収効果と相殺される場合が発生する。この光吸収は、入力光の制御には好ましくない。従って、コア材料は、Ｓｉを用いてもよいが、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣなどの、材料屈折率（１．６〜２．５程度）は高いが、入力強度に対する線形性が低い材料である方が望ましい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態２における光デバイスの構成を示す構成図である。この光デバイスは、光制御導波路３０１と、入力光入力導波路３０２と、制御光入力導波路３０３と、信号光出力導波路３０４とを備える。ここで、光制御導波路３０１は、コア３１１に接して形成されたグラフェンからなる炭素層３０５を備える。

実施の形態２では、光制御導波路３０１、入力光入力導波路３０２、および信号光出力導波路３０４が、１つの光導波路から構成されている。また、制御光入力導波路３０３は、入力光入力導波路３０２に光結合している。制御光入力導波路３０３は、屈曲して入力光入力導波路３０２に近設する方向性結合器３３１ａを備え、方向性結合器３３１ａで入力光入力導波路３０２に光結合している。また、実施の形態２では、制御ポンプ光を分離する分離導波路３０６を備える。分離導波路３０６は、方向性結合器３６１ａで入力光入力導波路３０２に光結合している。

なお、図５では、光制御導波路３０１を構成するコア３１１、入力光入力導波路３０２を構成するコア３２１、制御光入力導波路３０３を構成するコア３３１、信号光出力導波路３０４を構成するコア３４１、分離導波路３０６を構成するコア３６１を示し、クラッドは省略している。

上記構成とした実施の形態２における光デバイスでは、入力光（連続光）は、入力光入力導波路３０２を導波して光制御導波路３０１に入力し、制御ポンプ光（パルス光）は、制御光入力導波路３０３を導波し、方向性結合器３３１ａで光結合して光制御導波路３０１に入力する。入力光が入力されている光制御導波路３０１に、制御ポンプ光が入力され、入力された制御ポンプ光の光強度が所定のしきい値を超えると、炭素層３０５における光吸収が抑制され、光制御導波路３０１の透過率が上昇する。この結果、光制御導波路３０１に入力された入力光は、信号光出力導波路３０４へと導波され、信号光出力導波路３０４より出力光として出力される。このように、信号光出力導波路３０４には、光制御導波路３０１より制御ポンプ光で制御された信号光が出力される。

例えば、ＴＥ偏光をＣＷ光の入力光として入力光入力導波路３０２より導入し、ＴＭ偏光を制御ポンプ光として制御光入力導波路３０３に導入する。方向性結合器３３１ａは、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の結合効率が異なる状態とされた偏波方向性結合器である（非特許文献４参照）。各々導入された入力光および制御ポンプ光は、方向性結合器３３０１ａにより合波され、光制御導波路３０１に導入される。光制御導波路３０１に導入された合波光は、炭素層３０５の存在により非線形スイッチング（光制御）を受けた後、方向性結合器３６１ａで、制御ポンプ光が分離される。方向性結合器３６１ａも、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の結合効率が異なる状態とされている。上記構成とした実施の形態２によれば、制御性よく、かつ、非常に小型な光スイッチが構成可能である。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図６は、本発明の実施の形態３における光デバイスの構成を示す構成図である。この光デバイスは、光制御導波路４０１と、入力光入力導波路４０２と、制御光入力導波路４０３と、信号光出力導波路４０４とを備える。ここで、光制御導波路４０１は、リングコア４１１に接して形成されたグラフェンからなる炭素層４０５を備える。

実施の形態３では、光制御導波路４０１が、リング導波路から構成され、入力光入力導波路４０２、信号光出力導波路４０４、および制御光入力導波路４０３が、リング導波路に光結合する直線導波路から構成されている。ここでは、制御光入力導波路４０３および信号光出力導波路４０４を１つの直線導波路から構成している。実施の形態３は、リング共振器構造とした例であり、特に、デュアルバスのリング共振器を例にしている。炭素層４０５は、リング状とされているリングコア４１１の一部に形成されている。

なお、図６では、光制御導波路４０１を構成するリングコア４１１、入力光入力導波路４０２を構成するコア４２１、制御光入力導波路４０３を構成するコア４３１、信号光出力導波路４０４を構成するコア４４１を示し、クラッドは省略している。

上記構成とした実施の形態３における光デバイスでは、入力光は、入力光入力導波路４０２を導波し、光制御導波路４０１との近設部により構成される方向性結合器で、光制御導波路４０１の方向と、信号光出力導波路４０４の方向とに分岐される。光制御導波路４０１に分岐された入力光は、リング導波路とされている光制御導波路４０１で、炭素層４０５の形成部を経由する。この入力光は、光制御導波路４０１を周回して導波するなかで、炭素層４０５の形成部を複数回経由し、経由するごとに減衰される（リング共振器のＱ値低下を招く）。このため、制御光入力導波路４０３の延長部との近設部により構成される方向性結合器で分岐されて「Drop」ポートに出力される光（出力光）はわずかとなる。

上述したように入力光が入力されている状態で、光強度の制御ポンプ光を制御光入力導波路４０３に導入すると、光制御導波路４０１との近設部により構成される方向性結合器で光制御導波路４０１の方向に分岐されて炭素層４０５に到達する。このようにして制御ポンプ光が入力された炭素層４０５においては、可飽和吸収特性を示し、入力光の減衰が抑制される（リング共振器のＱ値が上昇する）。この結果、「Drop」ポートへの出力光の透過強度が増加するようになる。また、制御ポンプ光も、光制御導波路４０１を周回して導波するなかで、炭素層４０５の形成部を複数回経由するので、より効果的に過飽和吸収の状態が得られる。

このように、実施の形態３によれば、リング導波路を用いているので、実施例１、２と比較して、わずかな光量（制御ポンプ光）で十分な可飽和吸収性が得られる。なお、リング導波路においては、炭素層を設けているので、光吸収とともに、屈折率（実部）の変化も同時に発生すると予想され、共振ピークの条件も変化すると予想される。屈折率（実部）の変化量が小さい場合は、上記効果を無視できるが、大きい場合は異なる共振次数を用いて可飽和吸収効果を誘起する前後で同一波長にピークが現れるよう設計することが可能である。

［実施の形態４］
ところで、グラフェンは、製造の過程で、不要な不純物が導入されることが知られている。このような場合、次に説明する構成とすることで、炭素層におけるフェルミレベルを調整可能とすればよい。以下、炭素層におけるフェルミレベルを可変とした実施の形態４における光デバイスについて、図７，図８を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態４における光デバイスの構成を示す構成図である。また、図８は、本発明の実施の形態４における光デバイスの一部構成を示す断面図である。

実施の形態４においては、前述した実施の形態３における炭素層４０５を、リングコア４１１に接して形成された第１グラフェン５０５ａと、第１グラフェン５０５ａの上に絶縁層５０４を介して形成された第２グラフェン５０５ｂとから構成した炭素層５０５とすればよい。第１グラフェン５０５ａには配線５１１ａを接続し、第２グラフェン５０５ｂには配線５１１ｂを接続し、電圧が印加可能とされていればよい。絶縁層５０４は、例えば、ＳｉＯ₂またはＡｌ₂Ｏ₃から構成すればよい。

第１グラフェン５０５ａと第２グラフェン５０５ｂとの間に印加する電圧の変化により、炭素層５０５におけるフェルミレベルが調整可能である。フェルミレベルを制御することは、炭素層５０５における吸収係数を制御できることに相当し、この光デバイスにおけるＱ値と消光比の最適化が可能となる。

以上に説明したように、本発明によれば、グラフェンからなる炭素層を備えて入力光を入力する光制御導波路に、制御ポンプ光を入力するようにしたので、グラフェンを利用した光デバイスにおいて、より小型化が可能な状態でより高速な動作ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、光導波路は、フォトニック結晶から構成することも可能である。フォトニック結晶を構成している周期的に配置された孔部を埋めた領域を形成し、ここにグラフェンを接して設ければよい。フォトニック結晶を活用した共振構造や群速度制御を行うことにより、更に効率よく所望の効果を得られる。

また、素子構造としては、実施の形態１で示した多モード干渉カプラ型、実施の形態２で示した偏光方向性結合器型、実施の形態３，４で示したリング共振器型に限らす、方向性結合器型、十字交差型などであってもよい。

また、導波路コア材料に関しては、既に挙げたＳｉ、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣの他に、所望の光波長に対して透明であれば、Ｇｅ、ＩｎＰ、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＰＭＭＡなどから構成することもできる。また、炭素層は、単層のグラフェンに限るものではない。炭素層を構成するグラフェンの層数に関しては、多層化による更なる高感度化が可能であり、炭素層を複数層のグラフェンから構成してもよい。

１０１…光制御導波路、１０２…入力光入力導波路、１０３…制御光入力導波路、１０４…信号光出力導波路、１０５…炭素層、１１１，１２１，１３１，１４１…コア。

Claims

コアに接して形成されたグラフェンからなる炭素層を備える光制御導波路と、
前記光制御導波路に入力光を入力する入力光入力導波路と、
前記光制御導波路に制御ポンプ光を入力する制御光入力導波路と、
前記光制御導波路より制御ポンプ光で制御された信号光を出力する信号光出力導波路と
を備え、
前記制御ポンプ光は前記入力光より短波長とされていることを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記光制御導波路は、多モード導波路から構成されていることを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記光制御導波路、前記入力光入力導波路、および前記信号光出力導波路は、１つの光導波路から構成され、
前記制御光入力導波路は、前記入力光入力導波路に光結合している
ことを特徴とする光デバイス。
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記光制御導波路は、リング導波路から構成され、
前記入力光入力導波路、信号光出力導波路、および制御光入力導波路は、前記リング導波路に光結合する直線導波路から構成されている
ことを特徴とする光デバイス。