JP2018506745A - 改善されたスイッチング効率を有する光スイッチ - Google Patents

Abstract

光デバイスは、光信号を受け取って第１の出力および第２の出力を提供するように構成された第１の光カプラと、光信号の第１の部分のための第１の光路を提供するように構成され、第１の出力と光通信する第１の光導波路と、光信号の第２の部分のための第２の光路を提供するように構成され、第２の出力と光通信する第２の光導波路とを備え、第１の光導波路は、第１の光路と第２の光路の間に位相差を提供するように構成されており、第２の光導波路は、第１の光導波路と関連した横方向の熱拡散長さに応じて配置されており、横方向の熱拡散長さは、第１の光路に対してほぼ直交する方向において熱効果の及ぶ距離である。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年２月２４日に出願された米国特許出願第１４／６３０，０９３号明細書の優先権を主張するものである。

光ネットワークは、情報が光信号として伝送されるデータ通信ネットワークである。光ネットワーク回路は、光ファイバ、光スイッチ、光スイッチマトリクス、光カプラ、および／または光増幅器など複数の光デバイスおよび／または光部品から構築され得る。光スイッチは、光ファイバおよび／または光ネットワーク回路における光信号が、１つの回路から別の回路へ選択的に切り換えられ、かつ／またはルーティングされることを可能にする光部品である。光スイッチマトリクスは、複数の入力ファイバの複数が出力ファイバに対して同時に選択的な接続をすることを可能にする光部品である。

シリコンフォトニクスは、光デバイス用の光媒体としてシリコンを適用することを指し得る。最近、シリコンフォトニックデバイスは、標準的な商用製造プロセス（たとえば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）製造プロセス）を採用することによって製造され得、単一の集積回路上の電子−光学集積化を提供し得るので、研究および産業において関心を得ている。シリコンナノワイヤの光導波路は、光通信用の光部品および／または光デバイスを構築するのに適するプラットホームを提供し得る。シリコンベースの光デバイスのいくつかの例は、光変調器、光送信器、コヒーレント受信器、光スイッチ、光スイッチマトリクス、および／または光クロスコネクトを含み得る。

実施形態では、本開示は、光信号を受け取って第１の出力および第２の出力を提供するように構成された第１の光カプラと、光信号の第１の部分のための第１の光路を提供するように構成され、第１の出力と光通信する第１の光導波路と、光信号の第２の部分のための第２の光路を提供するように構成され、第２の出力と光通信する第２の光導波路とを備える光デバイスであって、少なくとも第１の光導波路が第１の光路と第２の光路の間に位相差を提供するように構成されており、第２の光導波路が第１の光導波路に関連した横方向の熱拡散長さの範囲内に配置されており、横方向の熱拡散長さが第１の光路に対してほぼ直交する方向において熱効果の及ぶ距離である光デバイスを含む。

方法は、第１の光導波路を光スプリッタに結合して、光信号から分割された光の第１の部分のための第１の光路を提供するステップであって、第１の光導波路には、電界によって自由キャリアの注入を引き起こすドーパントが打ち込まれており、自由キャリアの注入が、第１の光路に対してほぼ直交する方向における横方向の熱拡散長さの範囲内に及ぶ熱効果に関連づけられるステップと、第２の光導波路を光スプリッタに結合して、光信号から分割された光の第２の部分のための第２の光路を提供するステップと、第２の光導波路を、第２の光導波路と第１の光導波路が横方向の熱拡散長さに基づく距離だけ分離されてほぼ平行になるように配置するステップとを備える。

さらに別の実施形態では、本開示は、光信号を受け取って第１の出力および第２の出力を提供するように構成された第１の光カプラと、光信号の第１の部分のための第１の光路を提供するように構成され、第１の出力と光通信する第１の光導波路と、光信号の第２の部分のための第２の光路を提供するように構成され、第２の出力と光通信する第２の光導波路とを備える光デバイスであって、第１の光導波路が、ドーパントをドープされて、第１の光路と第２の光路の間に位相差を提供し、第１の光導波路と第２の光導波路が、第１の方向に共に延び、次いで第１の方向と反対の第２の方向へ、互いに交わることなく向きを変えるようにさらに構成されている光デバイスを含む。

これらおよび他の特徴は、添付図面および特許請求の範囲と併用される以下の発明を実施するための形態から、より明白に理解されるはずである。

本開示のより十分な理解のために、次に、以下の簡単な説明が、添付図面および発明を実施するための形態と併用されて参照され、類似の参照数字は類似の部分を表す。
マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）光スイッチの実施形態の概略図である。 横方向の熱拡散長さに応じて構成されたＭＺＩ光スイッチの実施形態の概略図である。 折畳み構造に構成されたＭＺＩ光スイッチの実施形態の概略図である。 正−真性−負（ｐ−ｉ−ｎ）のシリコン導波路位相変調器の実施形態の断面図である。 横方向の熱拡散長さに応じて構成されたＭＺＩ光スイッチの実施形態の断面図である。 ｐ−ｉ−ｎシリコン導波路位相変調器の断面領域における温度分布マップの実施形態を示すグラフである。 ＭＺＩ光スイッチの温度分布図の実施形態を導波路レイアウトに関連して示すグラフである。 ＭＺＩ光スイッチの温度分布図の実施形態を折畳み導波路構造に関連して示すグラフである。 ＭＺＩ光スイッチを構成するための方法の実施形態の流れ図である。

１つまたは複数の実施形態の例示の実装形態が以下で提供されるが、開示されたシステムおよび／または方法は、現在既知の、または存在する、任意の数の技術を使用して実施され得ることを最初に理解されたい。本開示は、本明細書で説明される図示の例示的設計および実装形態を含めて、以下で説明される例示の実装形態、図面および技術に限定されるものではなく、等価物のそれらの全面的な範囲と共に、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更され得るものである。

シリコンベースの光位相変調器を実施するための１つの手法は、シリコンにおけるプラズマ分散効果に基づくものであり得る。プラズマ分散効果は、シリコンの屈折率に対する自由キャリア密度の効果を指すものでよく、キャリア密度の変化が、シリコンの屈折率を変化させ得る。自由キャリア密度は、キャリア注入またはキャリア枯渇によって変化されてよく、かつ／または制御されてよく、キャリア注入は、（たとえばｐ−ｉ−ｎ接合に順バイアスをかけることにより）半導体材料に自由キャリアを注入してよく、キャリア枯渇は、（たとえばｐ−ｉ−ｎ接合に逆バイアスをかけることにより）半導体材料から電荷キャリアを除去してよい。

シリコン光導波路の屈折率は、光信号が導波路に入るときの光信号の（たとえば曲げられる、または屈折される）入射角または光路、ならびに光信号が導波路を伝搬するときの光信号の位相速度を決定し得る。したがって、屈折率の変化は光信号の移相を誘起し得る。

干渉計はシリコン光導波路の対から構築されてよく、光導波路の一方または両方の屈折率が、対の導波路間の位相差を生成するように（たとえば自由キャリア密度を変化させることによって）変えられ得る。導波路からの出力光信号は、位相差に依拠して、より高効率で再結合されてよく（たとえば建設的干渉）、またはより低効率で再結合されてよく、または全く再結合されなくてもよい（たとえば相殺的干渉）。したがって、光スイッチは、光ネットワーク回路間で光信号をスイッチングするためにオン状態および／またはオフ状態を提供するように、光信号のそのような建設的再結合および／または相殺的再結合を基に構築されてよい。干渉計のいくつかの例は、ＭＺＩ干渉計および／またはマイケルソンの干渉計を含み得る。

図１はＭＺＩ光スイッチ１００の実施形態の概略図である。スイッチ１００は、入力導波路１１１および１１２と、出力導波路１２１および１２２と、第１の光カプラ１３１と、第２の光カプラ１３２と、光遅延部分１４０とを備え得る。これらの部品は、示されるように配置されてよく、または任意の他の適切なやり方で配置されてよい。光遅延部分１４０は、能動導波路１４１、受動導波路１４２、および移相器１５０を備え得る。

入力導波路１１１および１１２と、出力導波路１２１および１２２とは、光信号を光路に沿って導き誘導するように構成された任意の光デバイスおよび／または光部品でよい。たとえば、入力導波路１１１および１１２と、出力導波路１２１および１２２とは、光ファイバ、光導波路、および／またはシリコンナノワイヤの光導波路でよい。

第１の光カプラ１３１は、光信号を第１の部分と第２の部分に分割するように構成された任意の光デバイスおよび／または光部品でよい。たとえば、第１の光カプラ１３１は、入力信号を、それぞれが実質的に類似したパワーを備える２つの部分に分割するパワースプリッタでよい。第１の光カプラ１３１は入力導波路１１１および１１２に結合され得る。具体的には、第１の光カプラ１３１は、入力導波路１１１および１１２の各々を介して光信号を受け取ってよく、それぞれの受け取られた光信号を第１の部分と第２の部分に分割してよい。第１の光カプラ１３１は、光遅延部分１４０に結合され得、受け取られた光信号の第１の部分を能動導波路１４１へ伝送してよく、受け取られた光信号の第２の部分を受動導波路１４２へ伝送してよい。

光遅延部分１４０は、能動導波路１４１において伝わる光信号と受動導波路１４２において伝わる光信号の間の光路差を提供するように構成され得る。能動導波路１４１と受動導波路１４２は、入力導波路１１１と１１２および／または出力導波路１２１と１２２に対して実質的に類似のものでよい。しかしながら、能動導波路１４１における光路と受動導波路１４２における光路の間の位相差または相対位相差を提供するために、能動導波路１４１が移相器１５０に結合され得る。第２の光カプラ１３２に対して光遅延部分１４０が結合され得る。第２の光カプラ１３２は、第１の光カプラ１３１と実質的に類似のものでよいが、第１の光カプラ１３１のように光信号を分割するのではなく、能動導波路１４１および受動導波路１４２を通って伝搬される光信号を再結合するように構成され得る。

能動導波路１４１と受動導波路１４２の間の干渉が、第２の光カプラ１３２における光信号の再結合に影響を及ぼし得るので、能動導波路１４１および受動導波路１４２は干渉計アーム（たとえばＭＺＩ干渉計またはマイケルソンの干渉計）と称され得ることに留意されたい。干渉は、能動導波路１４１における光路および受動導波路１４２における光路を変える何らかの変化（たとえば長さ、温度、屈折率、位相、強度、および／または遅延）を含み得る。

光遅延部分１４０において、移相器１５０は、能動導波路１４１の光路に移相を導入することにより、能動導波路１４１と受動導波路１４２の間に位相差を提供し得る。位相差は、第２の光カプラ１３２における光信号の再結合を決定し得、したがって出力導波路１２１および１２２における出力を制御し得る。たとえば、能動導波路１４１において伝わる光信号と受動導波路１４２において伝わる光信号が実質的に同一の位相を備える（たとえば建設的再結合を引き起こす）とき、入力導波路１１１から受け取られた光信号が出力導波路１２２へ導かれてよく、入力導波路１１２から受け取られた光信号が出力導波路１２１へ導かれてよい。しかしながら、能動導波路１４１において伝わる光信号と受動導波路１４２において伝わる光信号が約１８０度の位相差を備える（たとえば相殺的再結合を引き起こす）とき、入力導波路１１１から受け取られた光信号が出力導波路１２１へ導かれてよく、入力導波路１１２から受け取られた光信号が出力導波路１２２へ導かれてよい。そのため、スイッチ１００は、入力光信号に対するオン状態またはオフ状態を提供するように移相器１５０を制御してよい。

移相器１５０は、キャリア注入（たとえばｐ−ｉ−ｎ接合に順バイアスをかけること）により、能動導波路１４１の光路に対して移相を導入し得る。シリコンにドーパントが打ち込まれているとき、以下でより十分に論じられるように、電界（たとえば印加電圧）がかかると、自由キャリアがシリコンに注入され得、シリコンの屈折率を低下させ得る。しかしながら、キャリア注入が熱効果を導入し得る。たとえば、キャリア注入が能動導波路１４１の温度を増加させ得、温度増加に関連した熱が、（たとえば熱源に類似して）能動導波路１４１を取り囲む領域１６０に拡散し得、かつ／または能動導波路１４１の側面から放射状に拡散し得る。熱拡散は、たとえば能動導波路１４１の光路に対してほぼ直交する方向における熱伝播距離といった横方向の熱拡散長さ１６１を延ばし得、ここにおいて、温度は、能動導波路１４１の中央におけるバックグラウンドに対して、最高温度増加の約２０パーセントである。能動導波路１４１と受動導波路１４２が、大きい距離（たとえば約５００マイクロメートル（μｍ））だけ分離されてほぼ平行に配置されているとき、熱拡散は受動導波路１４２に到達し得ない。

温度の増加がシリコンの屈折率を増加させ得るので、熱効果がキャリア注入効果を妨害し得、かつ／または制限し得る。そのため、スイッチ１００が、移相を選択的に調節することにより、光信号のオン状態および／またはオフ状態を制御するとき、熱効果がスイッチ１００のスイッチングパワー効率を低減し得る。キャリア注入ベースのＭＺＩ光スイッチのいくつかの設計は、ＭＺＩ光スイッチの干渉計アーム間のクロストークの改善、フットプリントの低減、および／または全体の消費電力に注目し得るが、キャリア注入によって引き起こされる熱効果には対処し得ない。

本明細書で開示されるキャリア注入ＭＺＩ光スイッチは、光スイッチのスイッチングパワー効率の改善に注目するものである。キャリア注入ＭＺＩ光スイッチは２つの干渉計アーム（たとえばシリコン光導波路）を備え得、スイッチの出力ポートにおける建設的干渉または相殺的干渉を可能にするために、２つの干渉計アームにおいて伝わる光信号間に位相差が生じ得るように、干渉計アームのうち少なくとも１つがキャリア注入用に構成されてよい。キャリア注入が、キャリア注入効果を妨害する熱効果を導入し得るので、スイッチングパワー効率は２つの干渉計アーム間の温度差を低減することによって改善され得る。実施形態では、２つの干渉計アーム間の温度差が低減され得るか、または実質的に等化され得るように、２つの干渉計アームは、横方向の熱拡散長さ（たとえば約１０μｍ未満）に匹敵する距離またはそれよりも実質的に小さい距離だけ分離されてよい。別の実施形態では、２つの干渉計アームは、温度差をさらに低減するために、折畳み構造に構成されてよい。折畳み構造では、２つの干渉計アームは、複数のＳ形屈曲において約１８０度の角度で共に曲げられていてよい。キャリア注入は、たとえば順バイアスのｐ−ｉ−ｎ接合を生成して、シリコンにドーパントを打ち込むことによって生成され得る。キャリア注入ベースの導波路の断面領域（すなわちドーピング領域、接合幅など）は、スイッチングパワー効率をさらに改善するために最適化され得る。開示されたキャリア注入ＭＺＩ光スイッチは、パワー効率が重要な要因であり得る大きいスイッチマトリクスを実施するために採用されてよい。本開示は、２×２のＭＺＩ光スイッチの状況において実施形態を説明し得るが、開示された機構は、任意の他の干渉計ベースの光スイッチおよび任意の他のスイッチ機構（たとえばＮが任意の正整数であるＮ×Ｎのスイッチ）に適用可能であり得ることに留意されたい。

図２は、横方向の熱拡散長さに応じて構成されたＭＺＩ光スイッチ２００の実施形態の概略図である。スイッチ２００は、スイッチ１００と実質的に類似の構造を備え得るが、キャリア注入に関連した横方向の熱拡散長さに応じて構成されてよい。たとえば、スイッチ２００は、入力導波路２１１および２１２と、出力導波路２２１および２２２と、第１の光カプラ２３１と、第２の光カプラ２３２と、能動導波路２４１、受動導波路２４２、および移相器２５０を備える光遅延部分２４０とを備え得る。入力導波路２１１および２１２、出力導波路２２１および２２２、第１の光カプラ２３１、第２の光カプラ２３２、能動導波路２４１、受動導波路２４２および移相器２５０は、それぞれ、入力導波路１１１および１１２、出力導波路１２１および１２２、第１の光カプラ１３１、第２の光カプラ１３２、能動導波路１４１、受動導波路１４２、および移相器１５０と実質的に類似のものでよい。しかしながら、光遅延部分２４０における能動導波路２４１および受動導波路２４２は、スイッチ１００の能動導波路１４１と受動導波路１４２の間の分離距離よりも実質的に接近した分離距離に位置するように構成されてよい。

上記で説明されたように、キャリア注入は移相を導入し得るが、キャリア注入効果を妨害する熱効果を生成し得る。たとえば、キャリア注入は、横方向の熱拡散長さ２６１において、横方向にわたる領域２６０における熱効果を引き起こし得る。受動導波路２４２が、横方向の熱拡散長さ２６１（たとえば約１０μｍ）に匹敵する距離または実質的にそれ未満の距離に配置されているとき、受動導波路２４２に対して少なくともいくらかの量の熱効果も関係し得、したがって、能動導波路２４１と受動導波路２４２は、低減された温度差を備え得る。そのため、スイッチ２００は、スイッチ１００と比較して、改善されたスイッチングパワー効率を提供し得る。

改善されたスイッチングパワー効率に加えて、熱効果の低下がスイッチング時間応答を改善し得ることに留意されたい。たとえば、熱効果の応答時間がマイクロ秒の桁であり得るのに対し、キャリア注入ベースのスイッチはナノ秒の桁のスイッチング時間応答を提供し得る。したがって、熱効果は、スイッチング時間応答を制限するかまたは増加させ得る。そのため、熱効果を低減することにより、スイッチング時間応答が改善され得る。

いくつかの実施形態では、光遅延部分２４０は、１つの能動導波路の代わりに２つの能動導波路（たとえば能動導波路２４１および別の移相器２５０と結合された受動導波路２４２）を採用することによって、位相差を提供してよい。そのような実施形態は、２つの能動導波路が、横方向の熱拡散長さ２６１に実質的に近い距離またはそれ未満の距離で配置されているとき、実質的に類似したスイッチングパワーの効率向上を提供し得る。横方向の熱拡散長さ２６１は、キャリア注入プロセスおよび／または移相器２５０のｐ−ｉ−ｎ接合に依拠して変化し得ることに留意されたい。たとえば、温度が最高温度の約２０パーセントである距離として横方向の熱拡散長さ２６１が定義されたとき、横方向の熱拡散長さ２６１は約１０μｍであり得る。他のいくつかの例では、横方向の熱拡散長さ２６１は、温度がバックグラウンドに対する最高温度増加の約５０パーセントである距離として定義され得、ここで、横方向の熱拡散長さ２６１は、約２μｍ、約５μｍ、または約７μｍであり得る。

図３は、折畳み構造に構成されたＭＺＩ光スイッチ３００の実施形態の概略図である。スイッチ３００は、入力導波路３１１および３１２と、出力導波路３２１および３２２と、第１の光カプラ３３１と、第２の光カプラ３３２と、能動導波路３４１および受動導波路３４２を備える光遅延部分３４０とを備え得る。能動導波路３４１は、移相器１５０および／または２５０に類似の移相器（図示せず）に対して結合され得る。入力導波路３１１および３１２、出力導波路３２１および３２２、第１の光カプラ３３１、第２の光カプラ３３２、能動導波路３４１、および受動導波路３４２は、それぞれ入力導波路２１１および２１２、出力導波路２２１および２２２、第１の光カプラ２３１、第２の光カプラ２３２、能動導波路２４１、および受動導波路２４２と実質的に類似のものでよい。しかしながら、光遅延部分３４０における能動導波路３４１および受動導波路３４２は、能動導波路３４１および受動導波路３４２が反対の方向に延び得るように、約１８０度の角度で（たとえばＳ形の曲線で）共に曲がるように構成され得る。たとえば、光遅延部分３４０において、能動導波路３４１および受動導波路３４２は、第１の光カプラ３３１の出力から、軸に沿って距離にわたって延び、互いに交わることなく軸に沿って反対の方向に共に曲げられ、能動導波路３４１および受動導波路３４２が第２の光カプラ３３２に到達するまで、延びて曲がることを繰り返してよい。スイッチ３００に示されるように、光遅延部分３４０は、はさまれたパターンを備えてよく、ここで、能動導波路３４１の（たとえば互いに隣接した）２つの部分に、受動導波路３４２の（たとえば互いに隣接した）２つの部分がはさまれている。はさまれたパターンは、能動導波路３４１と受動導波路３４２の間の温度差を低減し得、したがって改善されたスイッチングパワー効率を提供し得る。

図４は、ｐ−ｉ−ｎ接合シリコン導波路位相変調器４００の実施形態の断面図である。位相変調器４００は、スイッチ１００、２００、および／または３００などのキャリア注入ＭＺＩ光スイッチにおいて採用され得る。位相変調器４００は、能動導波路１４１、２４１、および／または３４１（たとえば移相器１５０および／または２５０を伴って構成されている）と実質的に類似のものでよい。ＭＺＩ光スイッチの概略図４０１が図４に示されており、断面図に関する参照を提供する。たとえば、この断面図は、ライン４０２に沿った断面領域に対応し得る。位相変調器４００は、基板層４６０（たとえばシリコンスラブ）上に配設された、ドープされたシリコン層４２０を備え得る。真性（ｉ）領域４２２によって分離されたｐ型（ｐ）ドープ領域４２１（たとえばｐドーパントを打ち込まれている）およびｎ型（ｎ）ドープ領域４２３（たとえばｎドーパントを打ち込まれている）を備え得るドープされたシリコン層４２０には、クラッディング４１２によって境界をつけられたコア４１１を備える導波路（たとえば能動導波路１４１、２４１、および／または３４１）が配設され得る。

位相変調器４００は、金属コネクタ４３１および４３２（たとえば銅（Ｃｕ）から構築されたもの）と、電極４４１および４４２（たとえば、タングステン（Ｗ）から構築されたもの）と、オーム接触４５１および４５２（たとえばニッケルケイ化物（ＮｉＳｉ）またはアルミニウム）とをさらに備え得る。オーム接触４５１および４５２は、それぞれｐドープ領域４２１およびｎドープ領域４２３上に配設されてよい。電極４４１および４４２は、それぞれオーム接触４５１および４５２を介して、それぞれｐドープ領域４２１およびｎドープ領域４２３上に直角に配置されてよい。金属コネクタ４３１および４３２が、それぞれ電極４４１および４４２上に配置され得る。位相変調器４００は、コア４１１および（たとえばシリコンの表面品質を改善して光損失を低減するための）クラッディング４１２上に配設された、（たとえば窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）から構築された）絶縁体層４７０をさらに備え得る。

金属コネクタ４３１および４３２にわたって電圧が印加されたとき、金属コネクタ４３１から金属コネクタ４３２まで電流が流れ得、導波路コア４１１およびクラッディング４１２が配置されている真性領域４２２に自由キャリア（たとえば電子および正孔）が注入されることを引き起こし得る。自由キャリアの注入は、導波路コア４１１の屈折率を変化させ得、したがって、導波路コア４１１を通って伝搬する光信号に対する移相を誘起する。

上記で説明されたように、キャリア注入プロセスは、キャリア注入効果を妨害し得る熱効果を生成し得、したがって、ＭＺＩ光スイッチに採用されたときスイッチングパワー効率を低減し得る。スイッチングパワー効率を改善するための１つの手法は、ｐ−ｉ−ｎ導波路位相変調器４００の断面領域の設計を熱伝導率に関して最適化することでよい。たとえば、熱伝導率が増加すると、キャリア注入によって引き起こされる熱効果の横方向の熱拡散長さを増加させ得、したがって、能動導波路（たとえば能動導波路１４１、２４１、および／または３４１）と受動導波路（たとえば受動導波路１４２、２４２、および／または３４２）の間の温度差を低減し得る。

実施形態では、熱伝導率を改善するために、位相変調器４００に対して熱アンダーカットプロセスが適用されてよい。熱アンダーカットプロセスは、導波路（たとえばコア４１１および／またはクラッディング４１２）と基板層４６０の間に気孔が生成され得、導波路を基板から熱的に絶縁し、したがって横方向の熱拡散長さを効果的に増加し得るように、基板層４６０に穴をあけるプロセスおよび／または（たとえば湿式エッチングによって）基板層４６０の一部を除去するプロセスを指してよい。別の実施形態では、熱伝導率を改善し、したがって横方向の熱拡散長さを増加させるために、ドーピング領域４２１および／または４２３におけるドーパントのレベルが低下されてよい。さらに別の実施形態では、熱伝導率を改善し、なおかつ光損失を最小に保つために、ドーパントが、ドーピング領域４２１および／または４２３において、複数のレベルを伴って打ち込まれてよく、熱伝導率が改善されると横方向の熱拡散長さが増加し得る。たとえば、ドーパントは、ドーピング領域４２１および／または４２３のほぼ中央ではより高いレベルを備え、ドーピング領域４２１および／または４２３の端部（たとえば導波路クラッディング４１２に接触する部分）に向かって、より低いレベルを備えてよい。

図５は、横方向の熱拡散長さに応じて構成されたＭＺＩ光スイッチ５００の実施形態の断面図である。図５にはスイッチ５００の概略図５０１が示されており、断面図に関する参照を提供する。たとえば、この断面図は、ライン５０２に沿った断面領域に対応し得る。スイッチ５００は、スイッチ２００と実質的に類似のものでよい。スイッチ５００が備え得る、能動導波路２４１に類似の能動導波路５４１と、受動導波路２４２に類似の受動導波路５４２とが、基板層４６０に類似の基板層５６０上に配置されている。位相変調器４００に関して上記で説明されたものと実質的に類似の機構を採用することによる位相変調のために、ｐドープ領域４２１に類似のｐドープ領域５２１とｎドープ領域４２３に類似のｎドープ領域５２３の間に能動導波路５４１が配設されてよい。図５に示されるように、能動導波路５４１と受動導波路５４２は、実質的に短い距離（たとえば約１０μｍ未満）だけ分離されてよい。この短い分離距離は、能動導波路５４１と受動導波路５４２の間に、実質的に小さい温度差を提供し得、したがってスイッチ５００のスイッチングパワー効率を改善し得る。

図６は、位相変調器４００などのｐ−ｉ−ｎ接合導波路位相変調器の断面領域における温度分布マップの実施形態を示すグラフ６００である。この断面領域は、概略図４０１のライン４０２に沿った断面領域に対応し得るものである。グラフ６００において、ｘ軸は断面領域の長さ（たとえば水平方向の長さ）をμｍの単位で表し、Ｙ軸は断面領域の長さ（たとえば垂直方向の長さ）をμｍの単位で表し、グラフ６００の指標は、正規化された温度（たとえば約０から約１まで変化するものであり、０がバックグラウンド温度に対応し、１が最高の温度に対応する）を示す。グラフ６００において、ホットスポット６１０は、キャリア注入に起因して能動導波路（たとえば能動導波路１４１、２４１、３４１、および／または５４１）に発生した熱を表し得る。グラフ６００に示されるように、ホットスポット６１０（たとえば図６で最も明るい色合いとして示される）における最高の温度が約１の値に正規化されてよく、ホットスポット６１０からの距離が増加すると温度が徐々に低下し得る（たとえば図６では徐々に暗くなる色合いとして示されている）。上記で説明されたように、キャリア注入によって引き起こされる熱効果は、キャリア注入効果を妨害し得るので、ＭＺＩ光スイッチ（たとえばスイッチ２００）のスイッチングパワー効率を低下させ得る。そのため、ＭＺＩ光スイッチの２つの干渉計アームを、横方向の熱拡散長さと実質的に近い距離に配置することにより、２つの干渉計アーム間の温度差が低減され得、したがってスイッチングパワー効率を改善し得る。

図７は、スイッチ１００および／または２００などのＭＺＩ光スイッチの温度分布図の実施形態を導波路レイアウト７２０および７３０に関連して示すグラフ７００である。レイアウト７２０では、受動導波路７２２（たとえば受動導波路１４２および／または２４２）は、能動導波路７２１（たとえば能動導波路１４１および／または２４１）から実質的に大きい距離（たとえば数百μｍ）だけ分離され得る。自由キャリアの注入中に、能動導波路７２１は、能動導波路７２１のほぼ中央において最高の温度を産み出し得る。

レイアウト７３０において、受動導波路７３２は、能動導波路７３１に実質的に近い距離（たとえば約１０μｍ未満）に配置され得る。受動導波路７３２および能動導波路７３１は、それぞれ受動導波路７２２および能動導波路７２１と実質的に類似のものでよい。自由キャリアの注入中に、能動導波路７３１は、能動導波路７３１のほぼ中央において、能動導波路７２１の最高の温度に対して実質的に類似であり得る最高の温度を産み出し得る。

グラフ７００において、ｘ軸は能動導波路７２１および／または７３１の中央からの横方向距離（たとえば線７２３および／または７３３にわたる）をμｍの単位で表し、ｙ軸は正規化された温度（たとえば約０から約１まで変化する）を表す。曲線７１０は、正規化された温度を表し得、能動導波路７２１および／または７３１の中央から横方向に延びる。たとえば、ｘ軸における０μｍの距離は、能動導波路７２１および／または７３１の中央に対応し得、ここにおいて、自由キャリア注入による最高の温度が生じる。見られるように、曲線７１０において示される温度傾向はグラフ６００と実質的に類似のものであり得、温度は、能動導波路７２１および／または７３１の中央から距離が増加すると徐々に低下し得る。そのため、レイアウト７２０における受動導波路７２２は、能動導波路７２１におけるキャリア注入によって引き起こされるいかなる熱効果も経験しなくてよく、したがって、能動導波路７２１と受動導波路７２２の間の温度差が大きくてよい。しかしながら、レイアウト７３０における導波路７３１と７３２の間の温度差は、導波路７３１と７３２の間の実質的により小さい分離距離のために、かなり小さいものであり得る（たとえば約４０パーセント（％）だけ低減される）。上記で説明されたように、キャリア注入によって引き起こされる温度差がキャリア注入効果を相殺し得る。そのため、レイアウト７３０は、レイアウト７２０と比較して、改善されたスイッチングパワー効率を提供し得る。

図８は、スイッチ３００などのＭＺＩ光スイッチの温度分布図の実施形態を折畳み導波路構造に関連して示すグラフ８００である。図８には、グラフ８００に関する参照を提供するために、ＭＺＩ光スイッチの概略図８０１および断面図８０４が示されている。概略図８０１において、ＭＺＩ光スイッチは、スイッチ３００に類似の折畳み構造に構成された能動導波路８４１および受動導波路８４２を備え得る。断面図８０４は、ライン８０２に沿った断面領域に対応し得る。たとえば、導波路部分８３１および８３４は、ライン８０２に沿った能動導波路８４１の部分に対応し得、導波路部分８３２および８３３は、ライン８０２に沿った受動導波路８４２の部分に対応し得る。

グラフ８００において、ｘ軸は、断面図８０４に示された断面領域にわたる距離をμｍの単位で表し、ｙ軸は正規化された温度を表す。曲線８１０は断面領域８０４にわたる温度を表し得る。たとえば、曲線８１０のポイント８１１および８１２における頂点は、能動導波路８４１の導波路部分８３１および８３４に対応し得る。たとえば、曲線８１０のポイント８１３における谷は、受動導波路８４２の導波路部分８３２および８３３に対応し得る。見られるように、グラフ７００を参照しながら上記で説明されたレイアウト７２０と比較して、能動導波路８４１および受動導波路８４２が折畳み構造に構成されたとき、能動導波路８４１と受動導波路８４２の間の温度差が約５０パーセントだけ低減され得る。そのため、折畳み構造を備えるＭＺＩ光スイッチはスイッチングパワー効率を改善し得る。

図９は、スイッチ２００および／または３００などのＭＺＩ光スイッチを構成するための方法９００の実施形態の流れ図である。方法９００は、スイッチ２００および／または３００を設計するときおよび／または製造するとき、実施され得る。方法９００は、ステップ９１０において、光信号を第１の部分と第２の部分に分割する光スプリッタ（たとえば第１の光カプラ１３１、２３１および／または３３１）を提供し得る。方法９００は、ステップ９２０において、光スプリッタに対して第１の光導波路（たとえば能動導波路１４１、２４１および／または３４１）を結合して、第２の光信号のための第１の光路を提供し得る。第１の光導波路の両側にドーパント（たとえばｐドーパントおよびｎドーパント）が打ち込まれてよく、ドーパントは、電界または印加電圧によって自由キャリアの注入を引き起こし得る。自由キャリアの注入が、次に、第１の光路に対してほぼ直交する方向における横方向の熱拡散長さの範囲内で拡散する横方向の熱効果を生成し得る。

ステップ９３０において、方法９００は、光スプリッタに対して第２の光導波路（たとえば受動導波路１４２、２４２および／または３４２）を結合して、第３の光信号のための第２の光路を提供し得る。

ステップ９４０において、方法９００は、キャリア注入によって引き起こされる熱効果が低減され得るように第１の光導波路および第２の光導波路を配置してよい。たとえば、第１の光導波路と第２の光導波路は、キャリア注入によって引き起こされる熱効果の、横方向の熱拡散長さに実質的に近い距離またはそれ未満の距離だけ分離されて、実質的に平行に配置されてよい。その代わりに、またはそれに加えて、第１の光導波路および第２の光導波路は、光遅延部分３４０に対して実質的に類似の折畳み構造に構成されてよい。

ステップ９５０において、方法９００は、第１の光導波路および第２の光導波路に対して光結合器（たとえば第２の光カプラ１３２、２３２、および／または３３２）を結合してよい。たとえば、第１の光導波路および第２の光導波路は、光スプリッタと光結合器の間に配置されてよい。

本開示においていくつかの実施形態が提供されているが、開示されたシステムおよび方法は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の多くの特定の形態で具現され得ることを理解されたい。この例は、例示であって限定するものではないと考えられるべきであり、その意図は、本明細書で示された詳細に限定されるべきではない。たとえば、様々な要素または部品は、別のシステムにおいて結合されるかもしくは一体化されてよく、または特定の機構が省略されてよく、もしくは実施されなくてもよい。

加えて、様々な実施形態において、個別のものまたは分離されたものとして説明されかつ図示された技術、システム、サブシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術、または方法と組み合わされてよく、または一体化されてもよい。結合された、または直接結合された、または互いに通信するものとして示された、または論じられた他の項目は、間接的に結合されてよく、または何らかのインターフェース、デバイス、もしくは中間要素を通じて、電気的に、機械的に、もしくは別様に通信してもよい。変更、置換、および改変の他の例は、当業者によって解明可能であり、本明細書で開示された趣旨および範囲から逸脱することなくなされることが可能である。

Claims (20)

1. 光信号を受け取って、第１の出力および第２の出力を提供するように構成された第１の光カプラと、
   前記光信号の第１の部分のための第１の光路を提供するように構成され、前記第１の出力と光通信する第１の光導波路と、
   前記光信号の第２の部分のための第２の光路を提供するように構成され、前記第２の出力と光通信する第２の光導波路と
   を備える光デバイスであって、
   少なくとも前記第１の光導波路は、前記第１の光路と前記第２の光路の間に位相差を提供するように構成されており、
   前記第２の光導波路は、前記第１の光導波路と関連した横方向の熱拡散長さの範囲内に配置されており、
   前記横方向の熱拡散長さは、前記第１の光路に対してほぼ直交する方向において熱効果の及ぶ距離である光デバイス。
2. 前記第１の光導波路はシリコン材料から構築されており、前記位相差を提供するために、前記第１の光導波路は、前記シリコン材料への自由キャリアの注入を引き起こすためのドーパントでドープされており、前記自由キャリアの前記注入は前記熱効果を引き起こす請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記ドーパントは、前記第１の光導波路によって分離された２つの領域に配設され、前記横方向の熱拡散長さは、前記ドーパントのレベルが前記領域のうち少なくとも１つにおいて低下するとき増加する請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記ドーパントは、前記第１の光導波路によって分離された２つの領域に配設され、前記横方向の熱拡散長さは、前記領域の少なくとも１つが前記第１の光導波路に向かって低下するドーパントのレベルを備えるとき増加する請求項２に記載の光デバイス。
5. 前記第２の光導波路は、前記第２の光導波路と前記第１の光導波路が前記横方向の熱拡散長さ未満の距離だけ分離されるように配置されている請求項１に記載の光デバイス。
6. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間の前記距離は１０マイクロメートル（μｍ）未満である請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記第１の光導波路はシリコン基板層上に配設されており、前記横方向の熱拡散長さは、前記シリコン基板層が前記第１の光導波路と前記シリコン基板層の間に気孔を形成するように熱アンダーカットされたとき増加する請求項１に記載の光デバイス。
8. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路と光通信する第２の光カプラをさらに備える光デバイスであって、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は前記第１の光カプラと前記第２の光カプラの間に配置されており、前記光デバイスはＮ×Ｎの光スイッチである請求項１に記載の光デバイス。
9. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、
   第１の方向に共に延び、
   互いに交わることなく、前記第１の方向と反対の第２の方向へ共に向きを変えるようにさらに構成されている請求項１に記載の光デバイス。
10. マッハツェンダ干渉計である請求項１に記載の光デバイス。
11. マイケルソンの干渉計である請求項１に記載の光デバイス。
12. 第１の光導波路を光スプリッタに結合して、光信号から分割された光の第１の部分のための第１の光路を提供するステップであって、前記第１の光導波路には、電界によって自由キャリアの注入を引き起こすドーパントが打ち込まれており、前記自由キャリアの注入が、前記第１の光路に対してほぼ直交する方向における横方向の熱拡散長さの範囲内に及ぶ熱効果に関連づけられる、ステップと、
    第２の光導波路を前記光スプリッタに結合して、前記光信号から分割された光の第２の部分のための第２の光路を提供するステップと、
    前記第２の光導波路を、前記第２の光導波路と前記第１の光導波路が前記横方向の熱拡散長さに基づく距離だけ分離されてほぼ平行になるように配置するステップと
    を備える方法。
13. 前記距離は前記横方向の熱拡散長さ未満である請求項１２に記載の方法。
14. 前記距離は１０マイクロメートル未満である請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路を前記第１の方向に共に延ばすステップと、
    前記第１の光導波路および前記第２の光導波路を、前記第１の方向に対して約１８０度の第２の方向へ、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路が互いに交わることのないように共に向きを変えるステップと
    をさらに備える請求項１２に記載の方法。
16. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路が前記光スプリッタと前記光結合器の間に配置されるように、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路に対して光結合器を結合するステップをさらに備える請求項１１に記載の方法。
17. 光信号を受け取って第１の出力および第２の出力を提供するように構成された第１の光カプラと、
    前記光信号の第１の部分のための第１の光路を提供するように構成され、前記第１の出力と光通信する第１の光導波路と、
    前記光信号の第２の部分のための第２の光路を提供するように構成され、前記第２の出力と光通信する第２の光導波路と
    を備える光デバイスであって、
    少なくとも前記第１の光導波路が、ドーパントをドープされて、前記第１の光路と前記第２の光路の間に位相差を提供し、
    前記第１の光導波路と前記第２の光導波路が、第１の方向に共に延び、次いで前記第１の方向と反対の第２の方向へ、互いに交わることなく向きを変えるようにさらに構成されている光デバイス。
18. 前記第１の光導波路は、互いにほぼ平行に配置された第１の部分および第２の部分を備え、前記第２の光導波路は、互いにほぼ平行に配置された第１の部分および第２の部分を備える請求項１７に記載の光デバイス。
19. 前記第１の光導波路は前記第２の光導波路から距離を離して配置されており、前記距離は前記第１の光導波路に関連した横方向の熱拡散長さ未満である請求項１７に記載の光デバイス。
20. 前記第１の光導波路および前記第２の光導波路と光通信する第２の光カプラをさらに備える光デバイスであって、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は前記第１の光カプラと前記第２の光カプラの間に配置されており、前記第２の光カプラは、
    前記位相差が約０度であるとき、前記光信号の前記第１の部分と前記第２の部分を結合して第３の出力を提供し、
    前記位相差が約１８０度であるとき、前記光信号の前記第１の部分と前記第２の部分を結合して第４の出力を提供するように構成されている請求項１７に記載の光デバイス。

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