JP5711749B2 - 絶縁体上半導体の高速でコンパクトな光変調器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、コンパクト性を高めるための且つ光波及び電波のそれらの間の適合性を促進するための改良された電気光学変調素子に関する。

本発明によれば、前記素子は導波路のアーキテクチャを備えており、ここで、光束が進む経路の長さが、制御電気信号が進む経路の長さに対して、光束と電気信号との伝播速度の差を低減又は補正するように決定された差を有するように、前記導波路のアーキテクチャが配置される。特に、この素子は、例えば、この制御信号とこの光束との間の相互作用の第一領域と第二領域との間に、電気信号が進むより大きい長さを有する光束の経路を変調領域内で含む。

本発明は、前記素子の製造方法と、前記素子を含むデバイス又はシステムとに更に関する。

技術分野
本発明は、シリコンフォトニクスの分野にあり、主として、集積回路における光通信及び光インターコネクションの分野での利用を対象としている。

高速の情報伝達鎖を形成するためには電子／光変換素子が必要であり、そして、オプトエレクトロニクス変調器は、電気信号の情報を光波上に移すことを可能にする重要な要素である。本発明は、高速（１０Ｇｂｉｔ／ｓより高速であり、典型的な現行の利用では変調器当たり１０〜４０Ｇｂｉｔ／ｓを必要とする）で動作する独自のコンパクトなオプトエレクトロニクス変調器構成に関する。

本発明は、半導体（特に、シリコン）上のオプトエレクトロニクス及びフォトニクスの分野にある。本発明は、多くのオプトエレクトロニクスの用途に、そして特に、集積回路における光通信及び光インターコネクションの分野の用途に有用である。

光ファイバ又は光回路内の光に基づく信号と電気信号との両方を含む、特に高速の通信鎖を形成するためには、電子／光変換素子が必要である。電気光学変調器は、情報を電子信号から光波へ移すことを可能にする、例えば、電子形態のデジタル情報を、短距離、中距離又は長距離の伝送用に光ファイバ内に送られる光デジタル信号に変換することを可能にする、重要な要素である。

他のエレクトロニクスの分野でも変調器、例えば、種々の波長を検出又は観察するシステムを用いることができる。

背景技術
最新世代の素子及びオプトエレクトロニクスシステムは１０Ｇｂｉｔ／ｓより高速であることができる速度で動作し、そして、その典型的な適用はシリコンで色彩チャネル（canal chromatique）ごとに１秒間当たり４０Ｇｂｉｔ／ｓまでの速度を目標としている。

典型的には、電気光学変調器は変調領域を含み、前記変調領域は、変調すべき光束が通る導波路を含む。この変調領域において、少なくとも２つの電極が導波路を含む活性領域に変調電気信号を印加する。

この変調領域は変調器のタイプによって別様に動作し、そして、別様の導波路のアーキテクチャを備えていることができる。

変調領域は、例えば、導波路の屈折率を変化させることによって動作し、そしてそれによって、そこを通過する光の位相変調を与えることができる。次いで、変調されない他の部分と入射後に干渉計内で組み合わせられる入射光束の一部を位相変調するようにこの変調領域を配置する。干渉計の出力において、この組み合わせは干渉によってこの光束の強度変調を与える。この位相変調要素は干渉計、例えば、マッハ・ツェンダー型の干渉計内に組み込まれる。

前記位相変調領域は、例えば、異なった材料及び／又は光スペクトルが選択された、上記と同様のアーキテクチャを備えていることができる。

半導体の導波路内に光を通すことによっても位相変調領域を形成することができる。この導波路は、変調電気信号が印加されるダイオードを間に形成する少なくとも２つのドープ領域と一定の長さで相互作用する。このダイオードに印加されたバイアス電圧に従って、導波路の半導体はその屈折率を変化させ、そしてこのようにして伝播速度を変調させ、そのことによってそこを通る光の位相を変調する。

このタイプのデバイスは、例えば、ＰＣＴ／ＦＲ／０５／００７４８及びＵＳ７１１６８５３に記載されており、その動作は、導波路内で屈折率に作用するダイオードを形成する、別様にドープされた複数の半導体に基づく。

他のメカニズム、例えば、活性領域内に形成された導波路が存在し、前記活性領域は、伝播方向と平行する量子井戸を間に形成する種々の材料からなる複数の層を含む。この活性領域は２つの群の電極によって囲まれており、これらの電極に電気信号を印加して活性領域をバイアスし、そして、導波路内を伝播する光モードの有効率（indice effectif）を変化させる。

欠点：長さ／コンパクト性
所定のタイプの変調器について得られる性能は、例えば対照的に、現在では１ミリメートル以上のオーダーにおける長さに達することのある、充分に大きい変調長さを用いることに大きく依存している。
この長さは、集積回路及び／又は小さな素子内の集積の可能性を制限するので、特に、コンパクト性の点で不都合を生じさせる。

欠点：長さ／速度
長さは変調速度の点でも不都合を有している。実際に、光は所定の速度で導波路内を伝播するが、この速度は変調ダイオードの電極における変調電気信号の伝播速度とは異なる。一定の長さを超えて、変調信号の周波数をあまりに増加させると伝送速度を改善することができない場合には、伝播速度のこの差が障害となる。
このように、所定の伝送速度に対して、一定の変調長さを超えることができないことが多く、そうでなければ、信号は劣化が激しくなりそのアナログ形態からの後続のデジタル再構成が妨げられるか又は阻止される。
この問題は、現在のところ、信号品質に対する変調長さと、情報速度に対する変調周波数との間での釣合選択を行うことを余儀なくさせる。これは、現在、変調長さで数ミリメートルの構成において１０Ｇｂｉｔ／ｓそして更に４０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送速度に達する又はそれを超える上での制限となっている。

リング共振器型の干渉計構造を用いることにより、光束と電気信号との間のこの共伝播（copropagation）の問題を制限することができる。しかしながら、このタイプの干渉計は極めて温度感受性であり、多くの用途においてその使用が限定され、及び／又は、例えば、温度制御（例えば、熱放散による温度制御）に関して関係するシステム工学に一層の制約を持ち込む。

この変調領域は、例えば、導波路吸収の変化によって動作し、そしてそれによってそこを通過する光の強度変調を直接に与えることができる。それは、例えば、伝播方向と平行する量子井戸を間に形成する種々の材料からなる複数層を含む活性領域内に形成された導波路であることができる。この活性領域は２つの群の電極によって囲まれており、これらの電極に電気信号を印加して活性領域をバイアスし、そして、導波路を通る光の吸収特性を変化させる。

ＵＳ６，５９３，５８９は、例えば、ＧａＮ−ＡｌＮ又はＧａＮ−ＩｎＮ又はＩｎＧａＮ−ＧａＮ対を用い、約５．２μｍを吸収することによって動作するＩＳＢユニポーラ変調器を記載している。前記素子は、例えば、無線伝送又は検出に用いられ、波長３〜５μｍ及び８〜１２μｍの大気の透明電磁窓を利用する。

電気信号の伝播又は到着の速度に作用する、とりわけ、それを速めるための解決法が提案されてきたが、それは複雑で精巧な形状を備えた電極を設計することにある。しかしながら、この工学タイプの電極は制限及び多くの制約を有しており、複雑さの原因となりそしてとりわけ、大量生産において又は製造された素子のスクラップ率を低減することが望ましい場合に、達成が難しく費用のかかる極めて精密な製造公差を要求することが多い。

制御電気信号を調整しようとする試みの中で、ＵＳ７５１５７７５は、その制御信号が一連の連続的な遅延線を通って伝達される、能動遅延変調器（modulateur a retard actif）を記載している。各遅延線の出力において、いくつかの連続的な変調要素に信号を印加する。信号の遅延を調節し、その結果、能動遅延線を横切って通る変調信号の速度が、回路の変調要素を横切って通る光波と一致する。このように、能動遅延を用いることによって、電気電極の長さの問題を免れることができ、そして各変調要素内部で光路を曲げることによって（図１２参照）又は並行して数列に配置された遅延線を連続的に横切らせるようにそれを折り曲げることによって（図１２Ａ参照）省スペース化することができる。

しかしながら、この種の能動的な解決法は不利な点を有しており、そして特に、種々の変調要素において種々の注入時間を調整するべき制御電子回路が存在するため、製造において更に集積又は使用において少なからぬコスト及び複雑さを有している。

従って、本発明の或る目的は、温度感受性並びに設計及び／又は製造の間の精密性の制約を制限しながら、位相又は強度の電気光学変調器の速度性能だけでなく、コンパクト性、集積能力及び製造簡潔性をも改善することである。

この目的を達成するために、本発明は、変調領域を含み、制御電気信号に応じて光束を変調する電気光学素子であって、ここで、前記光束が、導波路内を伝播し、そして、例えば、２つの異なる方法でドープされた導電性材料及び／又は半導電性材料の少なくとも１つの第一のいわゆる電気制御要素及び少なくとも１つの第二のいわゆる電気制御要素の作用に付されるものとする、前記電気光学素子を提供する。それによって、両方の制御要素は制御電気信号を受ける１対の制御要素を、典型的には、電極の各々がこれらの制御要素の一方に電気的に接続されている１対の前記電極から形成する。これらの制御要素の各々及び／又はこれらの電極の各々は、単一の連続部分によって形成されることができるが、同様に電気制御信号を受けるいくつかの別個の部分から形成されることもできる。

本発明によれば、この変調領域において、前記光束の進む経路の長さが制御電気信号の進む経路の長さと所定の差を有するように、光束と１対の制御要素との間に相互作用の少なくとも１つの第一の領域及び少なくとも１つの第二の領域が存在するように、導波路を配置する。更に詳細には、この長さの差が、相互作用のこれらの第一領域と第二領域との間で、光束の伝播速度と電気信号の速度との間に存在する差を、この電気信号の本来の伝播速度の意味で、完全に又は部分的に補正するように、これらの長さを決定する。素子の設計のときに、電極の制御電気信号と導波路の光束との伝播方向の相対的配置を考慮することによって、この長さの差を計算してこの速度差の低減を得ることができる。

更に詳細には、本発明に係る素子では：
− 変調領域において光束が進む経路が一方の制御要素から他方の制御要素まで少なくとも２回通るように、前記導波路を配置し；及び
− 前記導波路は、変調領域の少なくとも一部において、それ自体巻かれた形状であって、これらの制御要素の少なくとも２つから出ている相互に挿置された少なくとも２つの鋸歯状突出部（indentations）を連続的に通過する前記形状を備えている。

ＵＳ７５１５７７５に記載のような能動的電子制御による解決法では、能動回路を用いて変調領域の離散した部分に制御信号が印加されるべきずれを計算することによってレイアウトの問題を免れる試みがなされている。これらの離散した部分の各位置で速度の差を調整又は補正することができるが、これらの各部分の残部では速度の差が残る。

それとは逆に、本発明は、このレイアウトの設計に取り組み、まさにその性質によって、そして、変調領域の長さの全体にわたって漸次且つ連続的に、より効果的なものにするものである。

このように、制御要素に関して設計され及び計算された導波路のレイアウト又は設計図を選択することによって、少なくとも制御要素及び電極に関しては受動的な構造を用いながら、そこから生じるあらゆる利点を備えて、信号のずれの低減又は補正を得ることができる。その結果、能動制御の開発に頼ることなしにこれらの利点を得ることができる。

これらの利点は、現在まで提案された電極の複雑な工学技術にも頼ることなしに得ることもできる。実際に、形状を描くのに用いられる技術及び導波路の製図は、しばしば、複雑さがより少なく、より柔軟性がありそして寸法正確性の必要がより少ない。更に、多くの種類のレイアウトは、特に、異なった成長又はドーピング領域間の境界に関する、高い寸法正確性を必要せずに前記長さの差を得ることができ、例えば、本明細書で以下に記載する実施態様に用いることができる。

この配置は、例えば、単純な形状又は矩形でさえある形状を有する制御要素を用いながら、導波路のレイアウトのみを対象としていることができる。この配置は、活性領域の制御要素（例えば、ダイオードのドープされた半導体）の形状に基づいて作用するか、又は、後述する相互にかみ合った実施態様におけるように両方の部分の工学を調整することによって作用することもできる。

この現時点で好ましい、いわゆる巻かれた実施態様において、少なくとも１対の電気制御要素の２つの制御要素は、互いに対向して、相互に挿置された鋸歯状突出部を含む形状を有し、そして、導波路は前記鋸歯状突出部を連続的に通過し、前記導波路は変調領域の少なくとも一部においてそれ自体巻かれた形状を有している。

或る特徴によれば、相互に挿置された実質的に放射状（radiales）の放射部（emanations）を連続的に通過する螺旋状に巻かれた部分を光束の進む経路が備えているように、導波路を配置し、前記放射部は：
− 一方では大部分が前記螺旋の内側に位置した一方の制御要素から、及び
− 他方では大部分が前記螺旋の外側で且つ周囲に位置した他方の制御要素から
延長している。

別のいわゆる直線的な実施態様によれば、導波路は、それ自体巻かれていることなく、正確な長さを得るように計算された曲線の形状を有していることができる。少なくとも１対の電気制御要素の制御要素は、導波路の両側に設けられ、そして、この第一の相互作用領域と第二の相互作用領域との間でこの導波路を囲んでいる形状を有する。その結果、これらの制御要素が第一の相互作用領域と第二の相互作用領域との間の導波路の長さより小さい長さを有する。

別の観点によれば、本発明は前記素子を含むデバイス又はシステムも提供する。

更に、本発明は、本明細書に明記したような規定された素子を製造するように選択され、規定され、そして、組み合わせられた工程を含むオプトエレクトロニクス素子の製造方法も提供する。

更に詳細には、本発明に係る素子は、変調領域を通過する光束の位相を制御電気信号に応じて変化させるように配置されたアーキテクチャを前記変調領域が有するタイプのものであることができる。

前記位相変調器は、いくつかの用途にはそのまま用いることができる。

他の用途において、少なくとも１つの前記変調領域を干渉計、例えば、マッハ・ツェンダー干渉計内に挿入して、前記変調領域を通過する光束の位相変調から、前記干渉計を通過する光束の強度変調を得る。

このように、例えば、伝送速度及び／又は長さの制限並びに変調コントラストの制限の、伝播速度の差による欠点を制限しながら、このタイプの変調器の有利な特徴、温度安定性、堅牢さ（robustesse）を得ることができる。

本発明によれば、導波路の経路を計算して、特に、変調器の動作範囲の周波数に対して及び例えば１ＧＨｚより高く素子のカットオフ周波数より低い周波数に対して、好ましくは、伝播速度の差を最も接近して１０％まで又は更には５％まで補正する。

好ましくは、本発明は、制御信号の処理を行って伝播速度の差を補正するであろう電子素子も電気回路も含まない、本発明に係る素子を用いるか又は含むデバイスも提供する。

典型的には、後述する実施態様におけるように、ＰＮ型又はＰＩＮ型ダイオードを形成する活性領域内に形成された導波路によってこの変調領域を得ることができる。

しかしながら、半導体の少なくとも１対の制御要素によって囲まれた活性領域に形成された導波路を含む変調領域に、本発明によって提供される変調領域の配置特性を適用することもでき、ここで、この活性領域は、２種の異なるＩＩＩ−Ｖ型の半導電性材料から形成された１つ以上の量子井戸を備えた少なくとも１つの構造を含む。その結果、これらを１対のバンドギャップ半導体を形成するように選択し、そして、前記制御要素に印加される電気信号に応じたこの活性領域における有効吸収率（indice effectif d'absorption）の変化を得る。

本発明は、高速電気信号からの光変調を必要とする多くの用途に、そして特に、光通信、マイクロプロセッサにおける光インターコネクション、又は検出システムの用途に有用である。

本発明の実施態様の可能な全ての組み合わせに従い、本明細書に提示した種々の任意の特性を統合して、本発明の様々な実施態様を提供する。

本発明の更なる特徴及び利点は、決して限定的でない実施態様の詳細な記載、及び添付の図面からより明白となるであろう：
− 図１は、ＷＯ２００５／０９３４８０に示されるような、その真性領域に垂直なドープ面を備えた側面構成のＰＩＮ型ダイオードを含む従来技術の一例を示す斜視断面図であり；
− 図２は、ＷＯ２００５／０９３４８０に示されるような、非対称マッハ・ツェンダー干渉計内に埋め込まれた、図１のダイオードのような横方向ダイオードから変調器を形成する従来技術の一例を示す上面図であり；
− 図３〜図５は、制御要素が導波路のレイアウトを完全に囲む、本発明のまっすぐな（droit）実施態様を示す縮尺通りではない上面図であり；
− 図３は、ＰＮ型ダイオードを形成する制御要素の変調領域の部分を示し、そして
− 図４は、ＰＩＮ型ダイオードを形成する制御要素の変調領域の部分を示し、
− 図５は、非対称変調器のマッハ・ツェンダー干渉計内に対称的に設けられたＰＮダイオードを備えた２つの変調領域を示し；
− 図６〜図９はＰＮダイオードが巻かれた実施態様の種々の変形態様を示し、ここでは、制御要素が、導波路の螺旋状のレイアウトと交差する実質的に放射状の相互にかみ合った構造を有するものとする；
− 図６は、同心性の制御要素を備えた変形態様を示し、ここで、導波路は入力螺旋の中で巻かれ、そして、ターンして入力螺旋に挟まれた出力螺旋の中を通って出て行くものであり；
− 図７は、同心性の制御要素を備えた変形態様を示し、ここで、導波路は中心を通って来てそして外側へと螺旋を描くものであり；
− 図８は、図６及び図８の例に対する制御要素及びそれらの電極の構造を示し；
− 図９は、並置された制御要素を備えた変形態様を示し、ここで、導波路は中心を通って来てそして外側へと交互に繰り返される螺旋の部分を描くものであり；
− 図１０〜図１２は、挟まれた鋸歯状突出部の一部における、巻かれた実施態様の制御要素内の電荷密度分布を示し：
− 図１０は、制御電位の差が０Ｖの場合の測定写真を示し；
− 図１１は、制御電位の差が５Ｖの場合の測定写真を示し；
− 図１２は、制御要素の構造内の図１０及び図１１の測定位置をより広範囲に示す図面である。

導波路を囲む制御要素
制御要素が導波路のレイアウトを完全に囲む、いわゆるまっすぐな実施態様を図３〜図５を参照して説明する。本明細書に記載のこの実施態様の例において、導波路の長手方向のレイアウトはうねった形状を有しており、前記形状は、伝播速度の差を低減又は補正することを可能にする長さを有するように計算される。

図３は、制御要素がＰＮ型ダイオードを形成する変形態様における変調領域の部分を示す。

半導電性材料、例えば、単結晶半導体（例えば、シリコン）の層内に導波路３１０を形成する。第一の制御要素３２１及び第二の制御要素３２２は１対の電気制御要素を形成し、そして導波路３１０の両側に設けられ、そして両側からそれを囲む。例えば、これらの制御要素の一方は「Ｐ」ドープされたシリコン部分３２１であり、そして他方は「Ｎ」ドープされたシリコン部分３２２である。

両方の制御要素３２１と３２２との間の分離は、導波路のレイアウトに実質的に沿う。図に示されるように；両方の制御要素の間の境界を、例えば、導波路の片側へずらし、次いでこれら２つの制御要素の一方の中に完全に含めることができる。導波路内で両方の制御要素を隣接させることもできる。

両方の制御要素３２１，３２２は、例えば、相互に平行な金属電極である２つの電極３３１，３３２をそれぞれ通る制御電気信号３０９を受ける。このようにして、両方の制御要素３２１，３２２は一緒になって、制御電気信号３０９によって制御されるＰＮ変調ダイオードを形成する。

変調されるべき光束３１１が導波路３１０内を通る場合に（ここでは、図面の左側に）、図の垂直方向に応じて、制御ダイオード内に形成された電場により、導波路材料の光学特性が変化する。このようにして、導波路の各点で、制御ダイオードは光束３１１と相互作用してその特性（例えば、本例では位相）を変調する。

制御電極３３１，３３２内で、そしてそれによって制御要素３２１，３２２内で、制御電気信号は、相互の電極の位置によって決定される長手方向に沿って、例えば、図の左側から右側へ直線状に進む。

例えば、シリコン層の上部に突き出た長手方向のリッジの公知技術によって、又は、この層の特定領域の光学特性（例えば、屈折率）を変化させるリソグラフィー処理によって、導波路３１０を形成する。

本発明によれば、電極と制御要素との間で決定される線（dessin）、例えば、本明細書中に示されるようなうねりを形成す非直線状の線に従ってこの導波路を形成する。

図に示されるように、任意の第一の相互作用領域Ｒ１と任意の第二の相互作用領域Ｒ２との間（両者とも導波路３１０上に位置する）で、光束３１１はその伝播速度Ｖ３１１で所定の長さＬ３１１を進む。

一方、これら２つの領域Ｒ１とＲ２との間で、制御電気信号はその伝播速度Ｖ３０９に従って所定の長さＬ３０９を進む。

例えば、これら２つの相互作用領域Ｒ１とＲ２との間の制御信号のレイアウトＬ３０９より長いレイアウトＬ３１１であって、どのような場合であってもレイアウトL３０９とは異なる非直線状の前記レイアウトＬ３１１を導波路に設けることによって、本発明は、これらの種々の伝播速度Ｖ３１１とＶ３０９との間の差を補正することを可能にする。

この伝播速度Ｖ３１１とＶ３０９との差からレイアウトを選択及び計算して、長さＬ３１１とＬ３０９との差を設ける。この長さＬ３１１とＬ３０９との差は、望ましい補正を得ることを可能にするか又はこの速度差を望ましく低減させることを可能にする。

図４は、図３に対するその違いについてここで記載しようとするだけの、制御要素がＰＩＮ型ダイオードを形成する変形態様における変調領域の部分を表す。

このＰＩＮダイオードは制御要素４２１，４２２によって形成され、前記制御要素４２１，４２２は、１対の電気制御要素を形成し、導波路４１０の両側に設けられ、そして、両側から前記導波路４１０を囲む。例えば、これらの制御要素の一方は「Ｐ」ドープされたシリコン部分４２１であり、そして他方は「Ｎ」ドープされたシリコン部分４２２である。

図５は、非対称変調器のマッハ・ツェンダー干渉計内に対称的に設けられた、例えば、図３のＰＮダイオードを備えた２つの変調領域を示す。

電極３３１，３３２を介して、電気信号３０９によって変調領域３３０を制御する。ドープされた半導体層の表面にこれらの電極を別様に設けて、この変調領域３３０の導波路３１０を囲む第一の制御要素３２１及び第二の制御要素３２２を形成する。

位相変調導波路３１０を進む位相変調されるべき束３１１と参照分岐路３１０’を形成する導波路を進む参照束３１１’とに分離する導波路に、強度変調されるべき光束３１を注入する。

変調領域の出力において、両方の束は合流して、出力導波路３９０を進む強度変調された束３９１になる。

導波路と交差する制御要素
先行する実施態様に対するそれらの相違について記載しようとするだけである図６〜図９を参照して、いわゆる巻かれた実施態様を説明する。この巻かれている実施態様においては、導波路のレイアウトが数回通過する、実質的に放射状の相互にかみ合った構造を有する制御要素によってＰＮダイオードを形成する。本明細書に記載したこの実施態様の例において、導波路のレイアウトは、伝播速度の差を低減又は補正することを可能にする長さを有するように計算された、螺旋形状の全て又は一部を備えている。

図に示した実施態様の例において、光束の進む経路が螺旋状に巻かれた部分を有するように、導波路６１０、６９０、７９０又は９９０を配置し、ここで、前記螺旋状に巻かれた部分は、相互に挿置された実質的に放射状の制御要素６２１，６２２及び９２１，９２２の放射部６０１，６０２及び９０１，９０２を連続的に通過する。これらの放射部は：
− 一方では、大部分が前記螺旋の内側に位置した制御要素の一方６２２，９２２から延長し；及び
− 他方では、大部分が前記螺旋の外側で且つ周囲に位置した制御要素の他方６２１，９２１から延長する。

例えば、（図１２に示すように）相互に平行する複数の挟まれた鋸歯状突出部のような、本明細書には示されていない他の実施態様も考えることができる。このようにして、同じ導波路が複数のループを描くことができ、ループの１つは、これらのループの各々と又は前記ループの大部分と同じ方向に、これらの鋸歯状突出部に対して直線的に且つ垂直に鋸歯状突出部を通過する。

図６は同心性の制御要素６２１，６２２を備えた変形態様を示しており、ここでは、導波路が入力螺旋の中で巻かれ、そして、ターンして、入力螺旋に挟まれた出力螺旋の中を通って出て行く。明確化の目的で、図８は、図６の制御要素及び電極に限定した表示を提供する。

第一の制御要素６２１（例えば、「Ｐ」ドープされたシリコン）は、例えば、この例の場合のように完全に、また後述するように場合により不完全に、窪みを囲む周辺部分６０１０を備える。

第二の制御要素６２２（例えば、「Ｎ」ドープされたシリコン）は、この例では実質的に円形の中心部分６０２０を備えている。鋸歯状突出部６０２を形成する枝部は、この中心部分６０２０から外側へ、この例では一定幅を有する放射状枝部として延長する。

第一要素６２１の周辺部分６０１０は、第二制御要素６２２の中心部分６０２０を囲んでいる。この周辺部分６０１０は、内側へ延びている鋸歯状突出部６０１を備えており、第二要素６２２の外側枝部６０２同士の間の空隙を実質的に相補的にうめる。

第一制御要素６２１の内部鋸歯状突出部６０１と第二要素６２２の外部鋸歯状突出部６０２とは、このように、相互に挟まれるか又は相互に「かみ合う」。こうして、内部鋸歯状突出部６０１と外部鋸歯状突出部６０２との間の各セパレーションは局部的に制御ダイオードを形成する。

この例では、これらの鋸歯状突出部６０１，６０２の長さを利用可能なスペースより若干小さくして、これらの鋸歯状突出部の端部に空隙又は中性の若しくは非ドープの部分を残すことによって、精度の制約を減らして製造を容易にすることができるだけでなく、これらの端部領域における干渉のリスクも制限することができる。

図示しない変形態様では、制御要素が、それらの接触の全周囲で中性又は非ドープ領域によって分離されることができ、それによってＰＩＮ型制御ダイオードを形成することもできる。

第一の制御要素６２１は、例えば、この制御要素を形成する半導体層上に堆積された金属層としての、第一の電極６３１と接触している。第一の電極６３１のこの金属層は、相互にかみ合った鋸歯状突出部を含む中心部分全体に窪みを備えていると共にその周囲の部分で開口部を備えている。

この開口部によって、絶縁中間層上に設けられた金属層は変調領域６３０の外側から入り第一の制御要素６２２の中心領域６０２０まで延長している。絶縁中間層の中断により、この第二の電極６３２の内側端部は、この中心部分６０２０によって第二の制御要素６２２と接触している。

このようにして、第一の電極６３１及び第二の電極６３２は、変調領域を担持するプレートの外側から容易にアクセス可能であり、そして、電気制御信号がそれらの電極に印加される場合に、両方の制御要素６２１，６２２を通して変調を制御することができる。

相互にかみ合ったこれらの鋸歯状突出部６０１，６０２の全部又は一部、従ってこのようにして形成されたダイオードの全部又は一部、を通過する曲線経路に導波路を設ける。本明細書に記載の変形態様において、この導波路の経路は、例えば、所定の式に従い螺旋状に、内側へと巻かれた第一の部分６１０を備えている。中心領域６０２０において、この経路はターンし、例えば、所定の式に従い螺旋状に、第一の部分の渦巻の間に挟まれながら外側へと巻き戻る第二の部分６９０が後に続く。

このようにして、この巻いてそして巻き戻る渦巻のレイアウトは、制御ダイオードを形成する領域を多くの回数通過する導波路の大きな長さの全体を、コンパクトな単位表面積当りのスペース内に得ることを可能にする。相互に挿置された第一の部分６１０と第二の部分との渦巻のレイアウトは、とりわけ、レイアウトの全体を半導体の実質的に同一平面層内に保存することを可能とし、このことは製造を単純化することに資する。

従って、導波路６１０に導入された変調されるべき光束６１１が進む経路は、出力の螺旋経路６９０上で、一方の制御要素から他方の制御要素への光束の第一の通過領域に対応する少なくとも１つの第一の相互作用領域Ｒ１ａを通ることが理解されよう。図面には、例えば、図面中の「Ｐ」ドープされた第一の制御要素６２１の内部鋸歯状突出部６０１から、図面中の「Ｎ」ドープされた第二の制御要素６２２の外部枝部６０２までこの経路が通るときの、前記第一の相互作用領域Ｒ１ａが示されている。

同様にして、この経路は、少し先で、一方の制御要素６２２から他方の制御要素６２２への光束の第二の通過の領域に対応する第二の相互作用領域Ｒ２ａを通る。図面には、例えば、図面中の「Ｐ」ドープされた第一の制御要素６２１の内部鋸歯状突出部６０１（同じ又は別のもの）から図面中の「Ｎ」ドープされた第二の制御要素６２２の外部枝部６０２までこの経路が通るときの、前記第二の相互作用領域Ｒ２ａが示されている。

図に示すように、この第二の領域Ｒ２ａの（Ｒ１ａに対する）位置は、順に、光束６１１の経路において更に前に位置する別の相互作用領域Ｒ２ｂに対する第一の相互作用領域Ｒ１ｂと同じように考えることができる。

図面から理解することができるように、第一の領域Ｒ１ａと第二の領域Ｒ２ａとの間を速度Ｖ６１１で光束６１１が進む経路は長さＬ６１１ａを有しており、これは両方の領域Ｒ１ａとＲ２ａとの間を制御電気信号が速度Ｖ６０９で進む長さＬ６０９ａより大きい（従って、長さＬ６０９ａはより小さい）。

光束と制御信号とが進む経路の長さの差は、それらのそれぞれの伝播速度Ｖ６１１とＶ６０９との間の差を補正又は低減することを可能にし、そしてこのようにしてこの速度差に関連した欠点を制限又は抑制することを可能にする。

或る特徴によれば、光束６１１が進む経路はこのように細長いループを備えており、前記ループは、自らとは交差することなくそれ自体が曲がっており、らせん状に巻かれており、そして、実質的に放射状の相互に挿置された放射部６０１，６０２を連続的に通過する。これらの放射部はそれぞれ：
− 一方では、大部分が前記螺旋の内側に位置した制御要素の一方６２２から延び；そして
− 大部分が前記螺旋の外側で且つ周囲に位置した制御要素の他方６２１から延びている。

図７は、同心性の制御要素６２１，６２２を備えた変形態様を示しており、ここで、導波路は中心から発生しそして外側へと螺旋を描く。図８の制御要素及び電極の表示内容は、図７に示した変形態様にも適用することができ、そして図６の変形態様との差だけを本例に記載する。

変調されるべき光束７１１は、例えば、実質的に放射状に、第二の制御要素６２２の中心部分６０２０まで第一の部分７１０内を貫通する導波路を通って来る。この中心部分から、導波路は、制御要素６２１，６２２のかみ合った鋸歯状突出部６０１，６０２を連続的に数回通過することによって、例えば、所定の式に従い螺旋状に外側へと展開する第二の部分７９０を有する。

図からわかるように、第一の相互作用領域Ｒ１ａと第二の相互作用領域Ｒ２ａとの間を光束７１１が進む経路は長さＬ７１１ａを有し、これはこれらの両方の領域Ｒ１ａとＲ２ａとの間を制御電気信号が進む長さＬ７０９ａより大きい。光束と制御信号とが進むこの経路の長さの差は、それらのそれぞれの伝播速度の間の差を補正又は低減することを可能にし、そしてこのようにしてこの速度差に関連した欠点を制限又は抑制することを可能にする。

導波路のその第一部分７１０内への螺旋の内側までの貫通は、相互にかみ合った鋸歯状突出部と交差することなしに、又は出力の螺旋におけるものよりも少なく交差することによってなされる。このまっすぐな貫通は、図６の変形態様において内側へ向かう螺旋の経路によって引き起こされることがあるかもしれない干渉又は妨害を制限することを可能にすることができる。導波路７１０，７９０の交差によって、あるいは、これらを同じ層内で相互に異なった深さにするか又はこれらを異なる層において形成することによって、この貫通をなすことができる。

図９は、並置された制御要素を備えている変形態様を示すものであり、ここで、導波路が中心を通って来てそして外側へと交互に繰り返される螺旋の部分を描く。この変形態様は、図６、図７及び図８の変形態様に対するその差について記載しようとするのに過ぎない。

図７の構造に対して、制御要素は共通の特徴を備えているが完全には互いを囲んでいない。

第一の制御要素９２１は第二の制御要素９２２を囲んでいるが、それは部分的であって、３６０°より小さく、１８０°より大きい、あるいは２７０°又はそれより大きい扇形部分Ａ９００についての部分だけである。この変調扇形部分Ａ９００において、両方の制御要素は上記と同じ種類の挟まれた鋸歯状突出部９０１，９０２を備えている。

導波路９１０は第二の制御要素９２２の中心部分９０２まで貫通し、それから変調の扇形部分Ａ９００上で、外側へ螺旋状に、第一の曲線部分９１０２を開始する。この扇形部分から外へ出ると、導波路は、ターンしてそこで再び外側へと巻き戻る螺旋の新規部分９１０３中を新たに通る。それによって、導波路は、図の右側で出力９９０する前に、変調の扇形部分内で連続して交互に繰り返される複数の螺旋部分９１０４，９１０５を進む。

この変調の扇形部分Ａ９００内において、例えば、同じ鋸歯状突出部上にある、第一領域Ｒ１ａと第二領域Ｒ２ａとの間で、光信号が長さＬ９１１ａの経路を進むのに対して、制御電気信号はこれより長さの短いＬ９０９ａの経路を進み、これによって両方の信号間の伝播速度の差を補正又は制限することを可能にする。

この相対的配置は、製造が容易でありながらコンパクトで効率的な構造を可能にする。光導波路の種々の部分間での交差を含まず、また全ての制御要素が変調領域の外側からアクセス可能であり、このことは、第一の制御要素９２１を第二の制御電極９３２から分離するための絶縁中間層をもはや用いる必要がなくなるので電極９３１，９３２の配置を単純化する。

好ましくは、用いる螺旋形状は、伝播速度の様々な特徴に応じて決定される。

シリコンに基づくオプトエレクトロニクスの場合では、そして、上記のような螺旋では、電波は光波より低い速度で放射状に伝播する。

それゆえ、２つの連続する相互作用領域の間を電波と同じ見掛け速度で進むことを可能にする固有の経路に沿って、光波が進むことが好ましい。

電波の放射状の伝播に対して、本発明は、次式：

［式中：
− 「ｏ（ｔ）」は時間「ｔ」の関数として螺旋の各点の座標を表す複素数であり、
− 「ｎ_ｅｆｆ」は導波路における有効屈折率であり、そして
− 「ｎ_{ｅｆｆ，ｃｏｍ}」は電気制御要素における有効屈折率である］
で表される螺旋の形成経路を提供する。

図１０及び図１１に、挟まれた鋸歯状突出部６０１，６０２の一方の部分での、巻かれた実施態様の制御要素内の電荷密度分布の測定結果を示す。

これらの画像は、どのように制御電気信号による電圧変化が制御要素の電場をどのように変化させ、そしてそれによって、導波路６１０，６９０，７１０を構成する領域が通過する半導電性材料６２１，６２２の光学的特性との相互作用をどのように制御するかを示している。

図１２は、鋸歯状突出部が相互に平行に設けられた変形態様における、制御要素６２１，６２２の構造内のこれらの測定の位置決めを示す。

もちろん、本発明は述べてきた例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなくこれらの例に対する多くの変更を行うことができる。

Claims (14)

1. 変調領域（６３０，７３０，９３０）を含み、制御電気信号に応じて光束を変調する電気光学素子であって、
   前記光束（６１１，７１１，９１１）は、導波路（６１０，７１０，９１０）内を伝播し、そして、前記制御電気信号（６０９）を受ける１対の電気制御要素を形成する半導電性材料の少なくとも１つの第一電気制御要素（６２１）及び少なくとも１つの第二電気制御要素（６２２）の作用に付され、
   前記変調領域（６３０，７３０，９３０）において、前記光束（６１１，７１１，９１１）と前記１対の電気制御要素（６２１，６２２）との間の相互作用の少なくとも１つの第一領域（Ｒ１ａ）から少なくとも１つの第二領域（Ｒ２ａ）まで、前記光束（６１１，７１１，９１１）の進む経路の長さ（Ｌ６１１ａ，Ｌ７１１ａ，Ｌ９１１ａ）が前記制御電気信号（６０９）の進む経路の長さ（Ｌ６０９ａ，Ｌ７０９ａ，Ｌ９０９ａ）とは異なるように、前記導波路（６１０）を配置し、
   ここで、前記長さの差は、前記相互作用の第一領域（Ｒ１ａ）と第二領域（Ｒ２ａ）との間の電気制御要素（６２１，６２２）において、光束の伝播速度（Ｖ６１１）と電気信号の伝播速度（Ｖ６０９）との間の差によって生じる伝達結果の差を低減又は補正するように決定されるものとする、
   前記電気光学素子において、
   − 前記変調領域において光束の進む経路が、少なくとも２つの異なる領域（Ｒ１ａ，Ｒ２ａ）において、前記１対の第一及び第二電気制御要素から選んだ一方の電気制御要素（６２２）から、その同じ１対の第一及び第二電気制御要素から選んだ他方の電気制御要素（６２１）へ通過するように、前記導波路（６１０，７１０，９１０）を配置すること；及び
   − 前記導波路が、前記変調領域（６３０，７３０，９３０）の少なくとも一部において、それ自体巻かれた形状であって、前記電気制御要素（６２１，６２２）の少なくとも２つから出ている相互に挿置された少なくとも２つの鋸歯状突出部（６０１，６０２，９０１，９０２）を連続的に通過する前記形状を備えていること；
   を特徴とする、前記電気光学素子。
2. 互いに対向する少なくとも２つの電気制御要素（６２１，６２２）が、それらの輪郭部が相互に挿置された鋸歯状突出部を含む形状を有していること、そして、導波路（６１０）が、前記鋸歯状突出部を連続的に通過し、前記変調領域（６３０）の少なくとも一部においてそれ自体巻かれた形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
3. 光束（６１１）の進む経路が実質的に放射状の電気制御要素放射部を連続的に通過する螺旋状に巻かれた部分（７９０）を備えているように、導波路を配置すること、そして、前記電気制御要素放射部は、相互に挿置され、そして、その挿置された電気制御要素放射部は、一方では大部分が前記螺旋の内側に位置した電気制御要素の一方（６２２）から、及び、他方では大部分が前記螺旋の外側で且つ周囲に位置した電気制御要素の他方（６２１）から放射状に延長していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の素子。
4. 光束（６１１）の進む経路が実質的に放射状の電気制御要素放射部を連続的に通過する細長く且つ螺旋状に巻かれたループを備えているように、導波路（６１０，６９０）を配置すること、そして、前記電気制御要素放射部は、相互に挿置され、そして、その挿置された電気制御要素放射部は、一方では大部分が前記螺旋の内側に位置した電気制御要素の一方（６２２）から、及び、他方では大部分が前記螺旋の外側で且つ周囲に位置した電気制御要素の他方（６２１）から放射状に延長していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の素子。
5. 導波路が、螺旋状導波路のひと巻きである渦巻状導波路の１つ以上と交差することによって、前記螺旋状導波路の内側に貫通する部分（７１０）を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の素子。
6. 交互に繰り返される方向に且つ連続的に同じ扇形部分（Ａ９００）を通る、実質的に同心性の螺旋形の一連の曲線部分（９１０２，９１０３，９１０４，９１０５）を導波路（９１０）のレイアウトが備えていること、そして、前記導波路が、一方では大部分が前記曲線部分の内部に位置した電気制御要素の一方（９２２）から、及び、他方では大部分が前記曲線部分の外側で且つ周囲に位置した電気制御要素の他方（９２１）から放射状に延長している、相互に挿置された実質的に放射状の電気制御要素放射部（９０１，９０２）を連続的に横切ることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の素子。
7. 螺旋が、以下のタイプの式：
   

   

   ［式中：
   − 「ｏ（ｔ）」は時間「ｔ」の関数として螺旋の各点の座標を表す複素数であり、
   − 「ｎ_ｅｆｆ」は導波路における有効屈折率であり、そして
   − 「ｎ_{ｅｆｆ，ｃｏｍ}」は電気制御要素における有効屈折率である］
   によって定義することができる形状を備えていることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載の素子。
8. 導波路の経路を計算して、最も接近して１０％まで伝播速度の差を補正することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の素子。
9. 末端に印加された電気信号（６０９）に応じてその屈折率が変化するＰＮ型（６２１，６２２）又はＰＩＮ型（４２１，４２２）ダイオードを形成するようにドープされた、ＩＶ型半導体の、少なくとも１対の電気制御要素を含む活性領域に形成された導波路（６１０）を、前記変調領域（６３０，７３０，９３０）が含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の素子。
10. 前記変調領域が、半導体の少なくとも１対の電気制御要素によって囲まれた活性領域内に形成される導波路を含むこと、そして、１対のバンドギャップ半導体を形成するように選択され且つこのように前記電気制御要素に印加された電気信号に応じて前記活性領域における有効屈折率又は有効吸収率の変化を得るように選択された、ＩＩＩ−Ｖ型の２種類の異なった半導電性材料から形成される１つ以上の量子井戸を備えた少なくとも１つの構造を前記活性領域が含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の素子。
11. 前記変調領域が、制御電気信号に応じて前記変調領域を通過する光束の位相を変化させるように配置されたアーキテクチャを備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の素子。
12. 少なくとも１つの前記変調領域を干渉計内に挿入して、前記変調領域を通過する光束の位相変調から、前記変調領域を通過する光束の強度変調を得ることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の素子。
13. 制御信号を処理することによって伝播速度の差を補正する電気回路又は電子素子のいずれも含んでいないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の素子を用いる又は含むデバイス。
14. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の素子を含むデバイス又はシステム。

Images