JP2856353B2 - 光−ポラリトン変換素子およびそれを用いた装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光素子とポラリトン
素子との効率的な結合に係り、光をポラリトンに変換す
る光−ポラリトン変換素子および光−ポラリトン変換素
子を用いた装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光素子の高速化が求められ、数十
ＧＨｚの変調帯域を持つ光変調器や半導体レーザが実現
されている。しかし、光素子の電圧印加や電流注入のた
めの電極の大きさの制限のために電極の寄生容量の低減
ができず、それ以上の高速化は難しいのが現状である。
このため、素子の大きさを低減できるポラリトンを用い
たポラリトン素子が提案されている（光学、第２４巻、
第７号、４０４、４０５頁）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この場
合通常の光素子とポラリトン素子とを効率的に結合する
ことが難しい。これは、光素子を伝搬する光の波長とポ
ラリトン導波路を伝搬するポラリトンの波長とが大きく
異なること、すなわち少なくとも１桁以上異なることに
由来する。

【０００４】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、光素子とポラリトン素子とを効率的に結合
することができる光−ポラリトン変換素子、および光−
ポラリトン変換素子を用いた装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、光導波路の端部に上記光導波路
より径の小さいポラリトン導波路の端部の少なくとも一
部を埋め込む。

【０００６】この場合、上記光導波路の中心軸と上記ポ
ラリトン導波路の中心軸とを平行に配置する。

【０００７】この場合、上記光導波路の中心軸と上記ポ
ラリトン導波路の中心軸とを一致させる。

【０００８】また、上記光導波路を伝搬する光が上記光
導波路に対して透明でありかつ上記ポラリトン導波路に
対して励起子と共鳴するエネルギーを持つようにする。

【０００９】また、上記光導波路の等価屈折率を上記ポ
ラリトン導波路の等価屈折率に等しくする。

【００１０】また、上記光導波路と上記ポラリトン導波
路とが存在する変換部を上記光導波路から上記ポラリト
ン導波路へのモード変換に要する長さよりも長くする。

【００１１】また、光素子とポラリトン素子とを有する
装置において、上記の光−ポラリトン変換素子により上
記光素子と上記ポラリトン素子とを接続する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る光−ポラリト
ン変換素子を示す模式断面図である。図に示すように、
断面円形の光導波路１の端部に光導波路１より径の小さ
い断面円形のポラリトン導波路２の端部の全部が埋め込
まれており、光導波路１とポラリトン導波路２とが存在
する変換部３における光導波路１の中心軸１ａとポラリ
トン導波路２の中心軸２ａとが一致している。

【００１３】この光−ポラリトン変換素子においては、
図１紙面左方から伝搬してきた光波が変換部３に到達す
ると、光波はポラリトン導波路２の中に励起子を共鳴的
に励起し、この励起子と光が結合してポラリトンが生成
される。この光波からポラリトンへの変換は変換部３の
中で徐々に起こり、光導波路１がなくなりポラリトン導
波路２のみが存在する領域に到達する前に完了する。そ
の後、生成されたポラリトンはポラリトン導波路２を伝
搬し、図１紙面右方へ導かれる。この結果、光導波路１
とポラリトン導波路２との効率的な結合が得られ、光素
子とポラリトン素子とを効率的に結合するができる。ま
た、変換部３における光導波路１の中心軸１ａとポラリ
トン導波路２の中心軸２ａとが一致しているから、光波
からポラリトンへの変換効率が極めて良好である。この
ため、ポラリトン素子の実用的な効率的な使用が可能と
なる。

【００１４】上述した光波からポラリトンへの変換プロ
セスは、ポラリトンを光波とみなす近似を用いて以下の
ように表すことができる。すなわち、図２(ａ)〜(ｃ)は
図１のＡ−Ａ断面（光導波路１）、Ｂ−Ｂ断面（変換部
３）、Ｃ−Ｃ断面（ポラリトン導波路２）における径方
向の位置ｒと屈折率および光波のフィールドとの関係を
示すグラフで、線７〜９は屈折率分布を示し、線１０〜
１２は光波のフィールド分布を示す。このグラフから明
らかなように、図１紙面左方から伝搬してきた光波のフ
ィールド分布は光導波路１では図２(ａ)の線１０に示さ
れる形になっている。そして、変換部３に達すると、図
２(ｂ)の線１１に示されるように、フィールドはポラリ
トン導波路２の高い屈折率のために中央部に集まってい
く。最終的に、図２(ｃ)の線１２に示されるように、フ
ィールドはポラリトン導波路２の屈折率のために強く束
縛されて伝搬する。

【００１５】なお、上述した実施の形態においては、光
導波路１、ポラリトン導波路２の断面形状を円形にした
が、光導波路、ポラリトン導波路の断面形状は矩形でも
よく、また台形やその他さまざまな任意の形でもよい。
また、上述した実施の形態においては、光導波路１の中
心軸１ａとポラリトン導波路２の中心軸２ａとを一致さ
せたが、光導波路の中心軸とポラリトン導波路の中心軸
とは必ずしも一致する必要はなく、平行に配置されてい
れば光からポラリトンへの変換は可能である。さらに、
光導波路の中心軸とポラリトン導波路の中心軸とが平行
でなくても、基本的には光からポラリトンへの変換は起
こる。また、上述した実施の形態においては、光導波路
１の端部にポラリトン導波路２の端部の全部を埋め込ん
だが、光導波路１の端部にポラリトン導波路２の端部の
一部を埋め込み、ポラリトン導波路２の端部の一部を光
導波路１の端部からその半径方向に突出させてもよい。

【００１６】また、光−ポラリトン変換素子の効率を向
上するには、伝搬する光が光導波路に対しては吸収がな
く透明であることが望ましい。というのは、伝搬する光
が光導波路に吸収されれば、光波の強度が落ち、その結
果全体としての変換効率が落ちるためである。一方、伝
搬する光がポラリトン導波路に対しては励起子と共鳴す
るエネルギーを持つことが望ましく、これによりポラリ
トンを効率よく生成することができ、その結果全体とし
ての変換効率が向上する。

【００１７】また、光導波路の等価屈折率をポラリトン
導波路の等価屈折率に等しくしたときには、光導波路、
変換部、ポラリトン導波路の境界部で生じる反射を最小
限に抑えることができるから、光素子とポラリトン素子
とをより効率的に結合するができる。

【００１８】さらに、変換部が光導波路からポラリトン
導波路へのモード変換に要する長さよりも長いことがよ
り効率的な光からポラリトンへの変換を生じさせる上で
重要であることはいうまでもない。

【００１９】つぎに、本発明に係る光−ポラリトン変換
素子の作製方法を図３（左側には平面図を示し、右側に
は側面図を示す）により説明する。まず、図３(ａ)に示
すように、ＧａＡｓからなる基板１３にＧａＡｓ（３ｎ
ｍ）／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（７ｎｍ）の超格子層（クラ
ッド層）１４を０．８μｍの厚さで分子線蒸着法を用い
て成長させたのち、ＧａＡｓ（７．５ｎｍ）の量子井戸
を中心部にもつポラリトン導波路層１５を０．５μｍ成
長させる。つぎに、図３(ｂ)に示すように、エッチング
によりポラリトン導波路層１５をリッジ状に形成してポ
ラリトン導波路１６を作製する。つぎに、図３(ｃ)に示
すように、ポラリトン導波路１６上にＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａ
ｓからなる光導波路層１７を２μｍ成長させる。つぎ
に、図３(d)に示すように、光導波路層１７を選択的に
エッチングすることにより、幅２μｍの光導波路１８を
リッジ状に形成する。つぎに、図３(ｅ)に示すように、
Ａｌ_0.21Ｇａ_0.79Ａｓからなるクラッド層１９を積層
し、光−ポラリトン変換素子を形成する。そして、光−
ポラリトン変換素子の全長は１ｍｍ、光導波路１８の長
さは７５０μｍ、ポラリトン導波路１６の長さは７５０
μｍ、変換部２０の長さは５００μｍである。

【００２０】このようにして作製した光−ポラリトン変
換素子の光導波路１８から波長０．７９５μｍの光を入
射し、反対側のポラリトン導波路１６からポラリトンを
検出した。このときの光−ポラリトン変換効率は９０％
と非常に高い値を得た。

【００２１】つぎに、本発明に係る他の光−ポラリトン
変換素子の作製方法を図４（左側には平面図を示し、右
側には側面図を示す）により説明する。まず、図４(ａ)
に示すように、基板１３に超格子層１４を０．８μｍの
厚さで分子線蒸着法を用いて成長させる。つぎに、図４
(ｂ)に示すように、径が２０ｎｍの針状結晶からなるポ
ラリトン導波路２１を基板１３に平行に成長させる。こ
の成長は減圧有機金属気相成長法を用いて行ない、ポラ
リトン導波路２１の長さを５０μｍとする。つぎに、図
４(ｃ)に示すように、ポラリトン導波路２１上に光導波
路層１７を２μｍ成長させる。図４(ｄ)に示すように、
光導波路層１７を選択的にエッチングすることにより、
幅２μｍの光導波路１８をリッジ状に形成する。つぎ
に、図４(ｅ)に示すように、クラッド層１９を積層し、
光−ポラリトン変換素子を形成する。そして、光−ポラ
リトン変換素子の全長は２００μｍ、光導波路１８の長
さは１７５μｍ、変換部２２の長さは２５μｍである。

【００２２】このようにして作製した光−ポラリトン変
換素子の光導波路１８から波長０．８３μｍの光を入射
し、反対側のポラリトン導波路２１からポラリトンを検
出した。このときの光−ポラリトン変換効率は８５％と
非常に高い値を得た。

【００２３】また、図３、図４で説明した方法により作
製した光−ポラリトン変換素子の光入力部に単一モード
光ファイバを介して光素子を接続し、他方のポラリトン
出力部にポラリトン素子であるポラリトンスイッチを接
続した装置を作製した。この場合の装置全体としての光
−ポラリトン変換効率は７０％となり、実用上問題のな
い値を得た。

【００２４】なお、上述実施の形態においては、１本の
光導波路１、１８に１本のポラリトン導波路２、１６、
２１を結合したが、１本の光導波路に複数本のポラリト
ン導波路を結合してもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係る光−ポラリトン変換素子、
光−ポラリトン変換素子を用いた装置においては、光素
子とポラリトン素子とを効率的に結合するができる。

【００２６】また、光導波路の中心軸とポラリトン導波
路の中心軸とを平行に配置したときには、光素子とポラ
リトン素子とをより効率的に結合するができる。

【００２７】この場合、光導波路の中心軸とポラリトン
導波路の中心軸とを一致させたときには、光素子とポラ
リトン素子とをさらに効率的に結合するができる。

【００２８】また、光導波路を伝搬する光が光導波路に
対して透明でありかつポラリトン導波路に対して励起子
と共鳴するエネルギーを持つようにしたときには、光素
子とポラリトン素子とをより効率的に結合するができ
る。

【００２９】また、光導波路の等価屈折率をポラリトン
導波路の等価屈折率に等しくしたときには、光素子とポ
ラリトン素子とをより効率的に結合するができる。

【００３０】また、光導波路とポラリトン導波路とが存
在する変換部を光導波路からポラリトン導波路へのモー
ド変換に要する長さよりも長くしたときには、光素子と
ポラリトン素子とをより効率的に結合するができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光−ポラリトン変換素子を示す模
式断面図である。

【図２】(ａ)〜(ｃ)は図１のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、
Ｃ−Ｃ断面における径方向の位置ｒと屈折率および光波
のフィールドとの関係を示すグラフである。

【図３】本発明に係る光−ポラリトン変換素子の作製方
法の説明図である。

【図４】本発明に係る他の光−ポラリトン変換素子の作
製方法の説明図である。

【符号の説明】

１…光導波路 １ａ…中心軸 ２…ポラリトン導波路 ２ａ…中心軸 ３…変換部 １６…ポラリトン導波路 １８…光導波路 ２０…変換部 ２１…ポラリトン導波路 ２２…変換部

フロントページの続き (72)発明者 比留間 健之 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 重田 淳二 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/14 G02B 6/122 G02B 6/26

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光導波路の端部に上記光導波路より径の小
   さいポラリトン導波路の端部の少なくとも一部を埋め込
   んだことを特徴とする光−ポラリトン変換素子。
2. 【請求項２】上記光導波路の中心軸と上記ポラリトン導
   波路の中心軸とを平行に配置したことを特徴とする請求
   項１に記載の光−ポラリトン変換素子。
3. 【請求項３】上記光導波路の中心軸と上記ポラリトン導
   波路の中心軸とを一致させたことを特徴とする請求項２
   に記載の光−ポラリトン変換素子。
4. 【請求項４】上記光導波路を伝搬する光が上記光導波路
   に対して透明でありかつ上記ポラリトン導波路に対して
   励起子と共鳴するエネルギーを持つことを特徴とする請
   求項１に記載の光−ポラリトン変換素子。
5. 【請求項５】上記光導波路の等価屈折率を上記ポラリト
   ン導波路の等価屈折率に等しくしたことを特徴とする請
   求項１に記載の光−ポラリトン変換素子。
6. 【請求項６】上記光導波路と上記ポラリトン導波路とが
   存在する変換部を上記光導波路から上記ポラリトン導波
   路へのモード変換に要する長さよりも長くしたことを特
   徴とする請求項１に記載の光−ポラリトン変換素子。
7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の光−ポラ
   リトン変換素子により光素子とポラリトン素子とを接続
   したことを特徴とする装置。