JP4653815B2

JP4653815B2 - 可変光学パワーリミッタ

Info

Publication number: JP4653815B2
Application number: JP2007552165A
Authority: JP
Inventors: ロン、ハイシェン
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP2008529059A; US20060159382A1; WO2006078496A1; TWI340839B; EP1859315B1; US7840098B2; TW200632406A; EP1859315A1

Description

本発明の実施例は一般的には光学デバイスに関連するものの、更に詳細には、但しそれに限られないが、光学ビームのオフおよびオンに関連する。

光学パワーリミッタは、そのデバイスから送信される光の強度をある値に制限することのできるデバイスである。光学リミッタは強度の強い光から人間の目やセンサーを守ることを含む多くの目的のために役立ち得る。既知の光学パワーリミッタは、光伝導性に基づく半導体の光パワーリミッタを有し、そして、その電気光学的効果は電気光学的な結晶の中で観測される。光パワーの制限のために他に知られた材料は、マタロナフタロサイアニン、および、メタロナフタロサイアニン、などの、分子材料を含み、そしてそれは、比較的低いリニアな吸収、および、励起状態から基底状態にかけての、高率の吸収を示す。クリスチャンセン・フィルタもまた光学パワーリミッタの応用においてデバイスから送信される最大のパワーをあるクランプされた値に制限するために利用されてきた。クリスチャンセン・フィルタは、例えば、液体を混ぜた、砕かれたガラスの小さい粒を有し、そして、そのガラスの粒がそのホストの液体の中で消滅したかのような、正確なリニアの屈折率を示す。その液体およびガラスコンポーネントの間の率のミスマッチが、高い強度の光にさらすことによって生じ、そしてそれは、それゆえに、そのデバイスにおいてその光学パワーリミッタのふるまいをもたらす。上記のように要約されたもののような、既知の光学パワーリミッタの使用は、これらの複雑さ、および、これらの技術を他の光学技術と実際の解決策において組合せ、そして、統合することに含まれる挑戦のせいで、制限されてきた。
特許文献１米国特許第３８９９４３０号明細書
特許文献２米国特許出願公開第２００１／００４４７３１号明細書
特許文献３米国特許出願公開第２００３／００４３９７５号明細書
特許文献４米国特許出願公開第２００３／００５３７８５号明細書
特許文献５米国特許出願公開第２００３／０１８４７５８号明細書
特許文献６米国特許出願公開第２００４／０１６０６５８号明細書
特許文献７米国特許出願公開第２００４／０２０３９４２号明細書
特許文献８欧州特許第０５６５９９３号明細書
特許文献９独国特許発明第２３７６０８２号明細書
非特許文献１ FISCHER, G. et al., "Nonlinear-optical Christiansen filter as an optical power limiter," Vol. 21, No. 20, OPTICS LETTERS
非特許文献２ SUN, W. et al., "Optical limiting performances of asymmetric pentaazadentate porphyrin-like cadmium complexes, " Vol. 73, No. 9. APPLEID PHYSICS LETTERS
非特許文献３ GUO, J. et al., "Light-controlled electro-optic power limiter with a Bi ₁₂ SiO ₂₀ crystal, " Vol. 24, No. 14, OPTICS LETTERS
非特許文献４ "Optical Power Limiter - Series 86580," KiloLambda Limited
非特許文献５ SIMPSON, A., "Windows（登録商標） XP Bible," Hungry Minds. pgs. 9-11, 23, 74, 113, 235, 438, 445, 462, 487 and 488

発明の詳細な説明

光学信号の光学パワーを可変に制限するための方法および装置が開示される。以下の記載において数多くの具体的な詳細は、本発明の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、その具体的な詳細は必ずしも本発明を実施するために採用されないことが、当業者にとって明らかであろう。他の場合において、よく知られた材料又は方法は、本発明を曖昧にすることを避けるために詳細には説明されない。

この明細書における「１つの実施例」あるいは「ある実施例」という参照は、その実施例と結び付けて説明される特定の機能、構造、あるいは特徴が、本発明の少なくとも１つの実施例に含まれるということを意味する。従って、この明細書の様々な場所における「１つの実施例において」または「ある実施例において」というフレーズの出現は、必ずしも全てが同じ実施例を参照するとは限らない。さらに、その特定の機能、構造、又は特徴は１又は２以上の実施例において如何なる適切な方法によって組み合わされてもよい。加えて、ここで提供される図面が、当業者にとっての説明の目的のためであって、図面は必ずしもスケール通りに描かれてないことが理解されよう。

図１は、本発明の教示に従う可変の光学パワーリミッタ１０１の１つの実施例を含むあるシステムの１つの実施例を一般的に説明するブロック図である。図１に示したように、光学パワーリミッタ０１は、半導体物質１０５の中に配置された光学導波路１０３を有する。光源１１１は、光学ビーム１１３を光学導波路１０３を通るように導くために光学導波路１０３に光学的に接続されている。議論されていくように、光学ビーム１１３は、光学ビームのその入力パワーレベルに応じた２光子吸収により、光学導波路１０３を伝播する間に、光学導波路１０３において自由荷電キャリアを生成する。

１つの実施例において、Ｐ領域１０７およびＮ領域１０９を有するダイオード構造体は、その光学導波路１０３の何れかの側面に沿って配置される。１つの実施例において、そのダイオード構造体は、可変の電圧源１１５に接続され、２光子吸収過程を通じてその光学導波路において生成されるその自由キャリアのそのライフタイムを制御するために逆バイアスされる。本発明の教示に従うと、その自由キャリアのライフタイムを制御することにより、その光学ビームのその出力パワーは可変に制限され、又は、クランプされる。光学導波路１０３から出力される場合のその光学ビームを図１において光学ビーム１１４として示す。本発明の教示に従えば、１つの実施例において、出力の光学ビーム１１４のそのパワーレベルは、可変の電圧源１１５によりそのダイオードのそのバイアスに応じた出力パワーレベルにクランプされる。

その説明される実施例においても示されるように、システム１０１は、光学導波路からの出力光学ビーム１１４を受信するように光学的に接続された光学受信部１１９を更に有する。１つの実施例において、出力の光学ビーム１１４は、光学導波路１０３から光学ファイバ１１７を通って光学受信部１１９に至るように導かれている。システム１０１の１つの実施例において、光学パワーリミッタ１０１は、システム１０１における複数の光学パワーリミッタのうちの１つである。本発明の教示に従うと、そのような実施例において、複数の光学ビーム１１３は、それぞれ、対応する光学パワーリミッタ１０１に向けて導かれており、その結果、出力光学ビーム１１４は、それぞれの光学受信部１１９に向けてそれぞれ導かれている。本発明の教示に従うと、そのような実施例において、その出力光学ビームのその出力パワーレベルは全てそのクランプされた出力光学パワーレベルに均一化される。そのような実施例において、システム１０１は、例えば高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）システムのような、複数の光学ビーム１１３のそれぞれがそのＤＷＤＭシステムの固有のチャネルに対応する、光学通信システムであってよい。

図２は、本発明の教示に従う可変の光学パワーリミッタ１０１に含まれる光学導波路１０３の１つの実施例の断面図である。図２に記載されたその実施例において説明されるように、光学導波路１０３は、リブ領域およびスラブ領域を有するリブ導波路である。その説明された実施例において、そのリブ導波路を伝播する光学ビーム１１３が示されている。示したように、光学ビーム１１３のその光学モードの配光は、その光学ビーム１１３の大部分が、光学導波路１０３のそのリブ領域の部分を通ってそのリブ導波路の内部に向かって伝播するというものである。加えて、光学ビーム１１３の一部は、スラブ領域の部分を通って光導波路１０３の内部に向かって伝播する。光学ビーム１１３のその光学モードと共にも示したように、光学ビーム１１３の光学モードを伝播させることについての強度は、光学導波路１０３のそのスラブ部分のその「側面」と同様に、リブ領域の「上部側の角」において、殆ど無いくらいに小さい。その説明された実施例において、光学導波路１０３は、下地の半導体物質１０５およびシリコン層２２３の間に配置された、半導体物質１０５、シリコン層２２３、および、埋められた酸素層２２１を含む、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）・ウェハにおいて形成される。

図２に示すその実施例において、光学導波路１０３の内部に配置されたそのダイオード構造体のＰ領域１０７およびＮ領域１０９は、光学導波路１０３の内部のそのスラブ領域の反対側の側面であって、光学ビーム１１３のその光学モードの外側に配置される。その例示した実施例において説明するように、光学導波路１０３の内部に配置されたそのダイオード構造体は、Ｐ領域１０７におけるＰにドープされたシリコン、半導体物質１０５における本来備わっているシリコン、および、Ｎ領域１０９におけるＮにドープされたシリコンを含む、ＰＩＮダイオード構造体である。説明されたその実施例において、光学ビーム１１３のその光学モードは、そのＰＩＮダイオード構造体の半導体物質１０５の中のその本来備わっているシリコンを通って伝播する。

図２のその実施例において、可変の電圧源１１５は、Ｐ領域１０７およびＮ領域１０９の間に接続されるように示されている。可変の電圧源１１５は、本発明の教示に従えば、Ｐ領域１０７およびＮ領域１０９の間に調整可能な電圧を印加するために接続され、そのダイオード構造体を逆バイアスさせることができる。示したようにそのダイオード構造体を逆バイアスすることで、その光学導波路１０３から出力される電子および／またはホールである自由キャリア２２５を一掃するために、そのＰ領域１０７およびＮ領域１０９の間に電界が生成される。本発明の教示に従えば、その自由キャリア２２５を一掃することにより、その自由キャリア２２５のその自由キャリア・ライフタイムは制御され、光学ビーム１１３の出力パワーレベルをクランプすることを制御できる。

説明するように、図３は、本発明の実施例に従う可変の光学パワーリミッタの実施例における様々な逆バイアス電圧値の入力パワーに対する、出力パワーの関係を説明する図である。特に、図３は、本発明の実施例に従う光の伝送曲線を説明する。示したように、光学導波路１０３からの光学ビーム１１４の出力のその出力パワーレベルは、より低い入力パワーレベルにおいてその光学ビーム１１３のその入力パワーレベルに依存する。光学ビーム１１３のための低い入力パワーレベルにおいて、半導体物質１０５のそのシリコンは、シリコンのバンドギャップが光学ビーム１１３の光子エネルギーより大きいので、赤外（ＩＲ）光に対し透明である。そのため、この光学パワーリミッタ１０１は、出力光学ビーム１１４の実質的に全ての赤外光をとても少ない損失で伝送する。図３において観察できるように、低い入力パワーレベルにおけるその出力のパワーレベルはその入力のパワーレベルにリニアに依存する。

しかしながら、その入力パワーレベルが高い入力パワーレベルに向かって増加するのにつれて、価電子帯の中の電子が２つの光子を同時に吸収し、そして、伝導帯に遷移するのに充分なエネルギーを獲得する、２光子吸収プロセスが、光学導波路１０３において発生し、ホールを後に残す。その２光子吸収プロセスにより生成されるこれらの正孔のペアは、その物質の性質およびその導波路の大きさに依存した、有限のライフタイムを有する。光学ビーム１１３のその入力パワーレベルが増加し続けるにつれて、自由キャリア２２５を形成するその自由正孔のペアの密度は、光学導波路１０３における光学ビーム１１３の光子を吸収し始めるほどの膨大なレベルにまで蓄積され得る。結局、本発明の教示に従えば、出力の光学ビーム１１４のその出力パワーレベルは制限され、あるいは、クランプされ、そして、その入力レベルに対する増加を、図３に説明するように、停止させるであろう。このため、本発明の教示に従えば、本発明の実施例に従う光学パワーリミッタは、低い強度の光を送信するが、しかし高い強度の光をクランプする、非線形な自己動作型の光学デバイスとして機能する。

図３の例において示されるように、本発明の実施例に従えば、自由キャリアのその自由キャリア・ライフタイムは、Ｐ領域１０７およびＮ領域１０９の間の開路状態に対して、おおよそ１６ｎｓであり、一方、短絡に対しては、その自由キャリア・ライフタイムはおおよそ６．８ｎｓに、５ボルト逆バイアスについては３．２ｎｓに、そして、２５ボルト逆バイアスについては１ｎｓに、減少する。その出力のパワーレベルは、１６ｎｓの自由キャリア・ライフタイムについてはおおよそ１５０ｍＷの出力パワーレベルに、６．８ｎｓの自由キャリア・ライフタイムについてはおおよそ２５０ｍＷに、３．２ｎｓの自由キャリア・ライフタイムについてはおおよそ３５０ｍＷに、そして、１ｎｓの自由キャリア・ライフタイムにとってはおおよそ５００ｍＷに、クランプされ、あるいは、それで安定化し始める。本発明の教示に従えば、もちろんこれらの測定のそのパワーレベルおよび自由キャリア・ライフタイムは例示のために存在し、そして、説明の目的のために提供され、そして、他の値も実現され得ることが理解される。

１つの実施例において、パワー制限の閾値は、それはその出力のパワーが安定し始める部分であるが、光学導波路１０３のそのシリコンの中のその２光子吸収プロセスによって生成される自由キャリア（電子およびホール）のライフタイムに依存する。本発明の教示に従えば、自由キャリアのライフタイムを制御することにより、その出力のパワーの飽和レベルが変更され得る。このため、上述に議論のように可変に逆バイアスされたそのダイオード構造体によれば、Ｐ領域１０７およびＮ領域１０９の間に印加された電界によって光学導波路１０３の外にその自由キャリアが一掃される。従って、自由キャリア２２５についての有効な自由キャリア・ライフタイムが減少する。本発明の教示に従えば、可変電圧源１１５によりＰ領域１０７およびＮ領域１０９に印加される逆バイアス電圧を変更することにより、言い換えると、その自由キャリアのライフタイムを変更することにより、その出力パワーレベルは調整され得る。

図４は、本発明の教示に従って、マルチプル・チャネルを有する光学の通信ネットワークにおける光学のパワー・イコライザとして利用される、可変の光学パワーリミッタの実施例を説明する図である。説明した例において、複数の入力光学ビームあるいはチャネル４１３は、固有ではなく、あるいは、等しくない光学パワーレベルを有する。本発明の実施例に従う光学パワーリミッタ４０１は、複数の出力光学ビームあるいはチャネル４１４と共に示される複数の入力光学ビームのパワーレベルを均一化するために、採用されてもよい。説明されるこの例において、そのパワーリミッタ４１４は、複数の入力光学ビーム４１３において表れる最も低いパワーレベルよりも小さい、図示のレベルに、その出力パワーレベルをクランプするよう設定される。このため、本発明の教示に従えば、複数の出力光学ビームのうちのその出力光学パワーレベルは、図示のように、同一のクランプされた値に均一化される。

図５は、本発明に教示に従う、ノイズのある入力光学信号からノイズを実質的に取り除くために利用される、可変の光学パワーリミッタの実施例を説明する図である。説明した実施例のように、入力光学ビーム５１３はノイズのある入力信号として説明されている。入力光学ビーム５１３のそのノイズのある入力信号からそのノイズを取り除くためには、その可変の電圧源が、パワーリミッタ５０１についてのクランプした出力電圧を調整するように設定されてもよく、示したように、その結果、図５に説明されるように、きれいな出力信号５１４をもたらす。

本発明の実施例に従って提供される、可変の光学パワー制限機能は、本発明の教示に従えば、他の用途の応用を有し、そして、提供される例示は説明の目的のためであることが、理解される。本発明の教示に従えば、例えば、本発明の教示に従う他の実施例は、目の保護の応用、強度に敏感な機器の保護、光学信号の均一化、ハイパワーの光学増幅器のパワーの制限、および／または、光学ビームのその光学パワーがクランプされ、あるいは、調整される、他の適した応用を含む。

本発明について上述のように説明された実施例は、その要約部分で述べたことも含めて、開示された正確な文書に対して網羅的であること、あるいは、それに限定されることを意図したものではない。本発明の詳細な実施例および本発明のための具体例は、説明の目的のためにここで述べられている一方で、様々な均等の変更が可能であることを、当業者であれば認識するであろう。実際、本発明の教示に従えば、その具体的な波長、大きさ、材料、時間、電圧、電力領域の値など、は、説明の目的のために提供され、そして、他の実施例においては他の値が更に採用され得ることが理解される。

上述の詳細な説明の観点から、本発明の実施例にはこれらの変更を加えることができる。後述の請求項で用いられる用語は、その発明を明細書および特許請求の範囲に開示された特定の実施例に限定するように解釈されるべきではない。むしろ、その範囲は後述の請求項によって完全に決定され、そしてそれは、請求項解釈についての確立された主義に従って解釈されるべきである。

限定的でなく、かつ、網羅的でない、本発明の実施例は、以下の図面を参照して説明される。そして、他に特定されない限り、様々な観点において似通った参照番号は似通った部分を参照する。
図１は、本発明の教示に従う可変の光学パワーリミッタの１つの実施例を含むシステムの１つの実施例を説明するブロック図である。図２は、本発明の実施例に従う可変の光学パワーリミッタを含むリブ光学導波路の１つの実施例の断面図である。図３は、本発明の実施例に従う、可変の光学パワーリミッタのある実施例における、様々な逆バイアス電圧値のための入力パワーに対する、出力パワーの関係を説明する図である。図４は、本発明の教示に従って、マルチチャネルを有する光通信ネットワークにおけるイコライザとして利用される可変の光学パワーリミッタの実施例を説明する図である。図５は、本発明の教示に従って、ノイズのある入力光学信号からノイズを実質的に取り除くために利用される、可変の光学パワーリミッタの実施例を説明する図である。

Claims

半導体物質の中に配置された光学導波路であって、光学ビームが前記光学導波路を通るように導かれ、前記光学ビームが前記光学ビームの入力パワーレベルに応じた２光子吸収により前記光学導波路において自由キャリアを生成する、光学導波路と、
前記光学導波路に配置されたダイオード構造体と、を備え、
前記ダイオード構造体は、
前記光学導波路の側面に配置されたＰ領域と、
前記光学導波路の反対の側面に配置されたＮ領域と、を有し、
前記光学導波路において前記光学ビームに応じて前記２光子吸収が発生したのに応じ前記光学導波路から生成された前記自由キャリアを一掃することにより、前記光学導波路における前記自由キャリアの自由キャリア・ライフタイムを制御すべく、前記Ｐ領域と前記Ｎ領域とに接続された電圧源により変更可能に逆バイアスされて接続されており、前記光学ビームの出力パワーを前記ダイオード構造体の前記逆バイアスに応じてクランプされた出力パワーレベルに制限する、
装置。
前記電圧源を更に備える、請求項１に記載の装置。
前記電圧源は前記クランプされた出力パワーレベルを変更するための可変電圧源である、請求項２に記載の装置。
前記ダイオード構造体は、前記光学導波路内に配置されたＰＩＮダイオードを備える、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の装置。
前記半導体物質はシリコンを備える、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の装置。
前記光学導波路は前記半導体物質の中に配置されたシリコン・リブ導波路を備える、請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の装置。
前記シリコン・リブ導波路は、シリコンを含むスラブ領域およびリブ領域を備え、
前記リブ領域のシリコンは、前記スラブ領域のシリコン上に直接配置され、
前記光学ビームは前記リブ領域のシリコンを通って伝播することで前記光学導波路を通る、請求項６に記載の装置。
前記シリコン・リブ導波路は、前記リブ領域のシリコンを通って伝播する前記光学ビームのほうが前記スラブ領域のシリコンを通って伝播する前記光学ビームより多くなるような前記光学ビームの光学モードの強度分布となるように構成される
請求項７に記載の装置。
前記入力パワーレベルが前記クランプされた出力パワーレベルより低い場合に全ての前記光学ビームは前記光学導波路を通って伝播するとともに、前記入力パワーレベルが前記クランプされた出力パワーレベルより高い場合に前記光学ビームの出力パワーは前記クランプされた出力パワーレベルにクランプされる
請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の装置。
半導体物質において規定された光学導波路の中に光学ビームを導くことと、
前記光学導波路の中に導かれた前記光学ビームの入力パワーレベルに応じ前記光学導波路において発生する２光子吸収により前記光学導波路の中で自由キャリアを生成することと、
前記光学導波路に配置されたダイオード構造体であって、前記光学導波路の側面に配置されたＰ領域と前記光学導波路の反対の側面に配置されたＮ領域と有するダイオード構造体を、前記Ｐ領域と前記Ｎ領域との間に接続された電圧源により変更可能に逆バイアスさせることで、前記光学導波路からの前記自由キャリアを一掃することにより、前記光学導波路において発生する前記２光子吸収によって前記光学導波路において生成される前記自由キャリアの自由キャリア・ライフタイムを制御することで、前記光学ビームの出力光学パワーをクランプされた出力パワーレベルに制限すること
を備える方法。
前記入力パワーレベルが前記クランプされた出力パワーレベルよりも低い場合に全ての前記光学ビームを前記光学導波路を通って伝播させることを可能にすること、を更に備える請求項１０に記載の方法。
前記光学ビームの出力光学パワーをクランプすることで前記光学ビームからのノイズを取り除くこと、を更に備える請求項１０または請求項１１に記載の方法。
前記光学導波路において生成される前記自由キャリアの前記自由キャリア・ライフタイムを変更することで、前記出力パワーレベルを変更すること、を更に備える、請求項１０から請求項１２のいずれか１つに記載の方法。
前記半導体物質の中に規定され、前記Ｐ領域と前記Ｎ領域との間に配置された第２の光学導波路の中に向けて第２の光学ビームを導くことと、
前記第２の光学導波路の中に導かれた前記第２の光学ビームの入力パワーレベルに応じて前記第２の光学導波路において発生する２光子吸収により、前記第２の光学導波路において自由キャリアを生成することと、
前記ダイオード構造体を、前記電圧源により変更可能に逆バイアスさせることで、前記第２の光学導波路からの前記自由キャリアを一掃することにより、前記第２の光学導波路において発生する前記２光子吸収により前記第２の光学導波路において生成される前記自由キャリアの自由キャリア・ライフタイムを制御することで、前記第２の光学ビームの出力光学パワーを前記出力パワーレベルにクランプすることと
を更に備える、請求項１０から請求項１３のいずれか１つに記載の方法。
半導体物質の中に配置された光学導波路であって、光学ビームが前記光学導波路を通るように導かれ、前記光学ビームが前記光学ビームの入力パワーレベルに応じた２光子吸収により前記光学導波路において自由キャリアを生成する、光学導波路と、
前記光学導波路に配置されたダイオード構造体と、
前記光学導波路から前記光学ビームを受信するように光学的に接続された光学ファイバと、
前記光学導波路から前記光学ファイバを介して前記光学ビームを受信するように光学的に接続された光学受信部と
を備え、
前記ダイオード構造体は、
前記光学導波路の側面に配置されたＰ領域と、
前記光学導波路の反対の側面に配置されたＮ領域と、を有し、
前記光学導波路において前記光学ビームに応じて前記２光子吸収が発生したのに応じ前記光学導波路から生成された前記自由キャリアを一掃することにより、前記光学導波路における前記自由キャリアの自由キャリア・ライフタイムを制御すべく、前記Ｐ領域と前記Ｎ領域との間に接続された電圧源により変更可能に逆バイアスされて接続されており、前記光学ビームの出力パワーを前記ダイオード構造体の前記逆バイアスに応じてクランプされた出力パワーレベルに制限する、
システム。
前記クランプされた出力パワーレベルを変更するために前記ダイオード構造体の逆バイアスを制御するための前記ダイオード構造体に接続された、可変の電圧源を更に備える、請求項１５に記載のシステム。
前記光学ビームは、複数の光学ビームのうちの１つであり、そして、前記光学受信部は複数の光学受信部のうちの１つであり、そのそれぞれは、前記複数の光学ビームのうちの１つをそれぞれ受信するように光学的に接続され、前記光学受信部により受信された前記複数の光学ビームのそれぞれは前記クランプされた出力パワーレベルに均一化されたパワーレベルを有する、請求項１５または請求項１６に記載のシステム。
前記複数の光学ビームのそれぞれは光学通信システムの固有のチャネルに対応する、請求項１７に記載のシステム。