JP7454687B2 - デバイスおよび光スイッチ - Google Patents

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Description

優先権主張
本出願は、米国仮特許出願第６２／９６７，１６６号、名称「Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ」、２０２０年１月２９日出願に対する優先権を主張するものであり、当該出願全体が、十分に、完全に本明細書に記載されているかのように、参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書の実施形態は、一般に、移相器及びスイッチ等の電気光学デバイスに関する。
電気光学（ＥＯ）変調器及びスイッチは、光学分野において使用されている。一部のＥＯ変調器は、自由キャリア電気屈折、自由キャリア電気吸収、又はＤＣカー効果を利用して動作中の光学特性を修正する、例えば、ＥＯ変調器又はスイッチを通って伝搬する光の位相を変更する。一例として、光位相変調器は、一体型光学システム、導波路構造体、及び一体型オプトエレクトロニクス内で使用し得る。
ＥＯ変調器及びスイッチの分野における進歩にもかかわらず、当技術分野には、ＥＯ変調器及びスイッチに関する方法及びシステムに対する改善が必要とされる。
本明細書で説明するいくつかの実施形態は、電気光スイッチ及び移相器等のフォトニック・デバイスに関する。フォトニック・デバイスは、第１のクラッディング層と、第１の誘電体部分に結合される第１の導線を備える第１の電気接点と、第２の誘電体部分に結合される第２の導線を備える第２の電気接点と、第１の材料を含むスラブ層を備える導波路構造体と、第２のクラッディング層とを含み得る。スラブ層は、第１の電気接点の第１の誘電体部分、及び第２の電気接点の第２の誘電体部分に結合し得る。
第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分を隔てる方向で、第１の材料の比誘電率よりも大きい比誘電率を有し得る。第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の比誘電率は、第１の温度で、第１の材料の比誘電率よりも大きくてよく、第１の温度は、１ｍＫ超、７７Ｋ未満、１５０Ｋ未満、及び／又は別の温度範囲内である。いくつかの実施形態では、第１の材料は、第１のクラッディング層及び第２のクラッディング層の屈折率よりも大きい屈折率を有する透過性材料である。いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の比誘電率と、第１の材料の比誘電率との間の比率は、２以上である。
導波路構造体は、第１の隆起部分を含むことができ、第１の隆起部分は、第１の材料を含み、スラブ層に結合され、第１の電気接点と第２の電気接点との間に配設される。隆起部分は、スラブ層の第１の側に配設し、第１のクラッディング層内に延在し得、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、導波路構造体の隆起部分に当接するスラブ層の第１の側でスラブ層に結合し得る。
他の実施形態では、隆起部分は、スラブ層の第１の側に配設され、第１のクラッディング層内に延在し、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、第１の側とは反対のスラブ層の第２の側でスラブ層に結合される。いくつかの実施形態では、第１の電気接点及び第２の電気接点は、スラブ層の第２の側に配設される。
いくつかの実施形態では、第１の電気接点は、スラブ層の第２の側からスラブ層の第１の側までスラブ層を貫通することによって、第１の誘電体部分に結合され、第２の電気接点は、スラブ層の第２の側からスラブ層の第１の側までスラブ層を貫通することによって、第２の誘電体部分に結合される。
いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化グラフェン、酸化タンタル、チタン酸鉛ジルコニウム（ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタンジルコニウム（ＰＬＺＴ）、又はニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ）の１つから構成される。
いくつかの実施形態では、第１の材料は、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、ニオブ酸リチウム、チタン酸鉛ジルコニウム（ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタンジルコニウム（ＰＬＺＴ）、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又はニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ）の１つである。
本概要は、本明細書で説明する主題の一部に対する簡潔な概要を提供することを意図する。したがって、上記の特徴は例にすぎず、決して、本明細書に記載の主題の範囲又は趣旨を狭めるように解釈すべきではないことを了解されたい。本明細書に記載の主題の他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
説明する様々な実施形態をより良好に理解するため、以下の図面と共に、以下の詳細な説明を参照されたい。図面において、同様の参照番号は、図面全体を通じて対応する部分を指す。
いくつかの実施形態による光スイッチを示す簡略図である。 いくつかの実施形態による、高κ電極を組み込む導波路構造体の断面を示す簡略図であり、高κ電極は、導波路隆起部の反対に置かれる。 いくつかの実施形態による、高κ電極を組み込む導波路構造体の断面を示す簡略図であり、高κ電極は、導波路隆起部の反対に置かれ、導線が貫通する。 いくつかの実施形態による、高κ電極を組み込む導波路構造体の断面を示す簡略図であり、高κ電極は、導波路隆起部と同じ側に置かれる。 いくつかの実施形態による、導波路構造体の断面を示す簡略図であり、導波路構造体は、高κ電極を組み込み、サンドイッチ構造を呈する。 いくつかの実施形態による、垂直導波路構造体の断面を示す簡略図であり、導波路構造体は、高κ材料を組み込む。 いくつかの実施形態による、導波路構造体の断面を示す簡略図であり、誘電体部分は、導波路構造体と直列である。 いくつかの実施形態による、導波路構造体の断面を示す簡略図であり、誘電体部分は、隆起状外形部を呈する。 いくつかの実施形態による、導波路構造体の上面図を示す簡略図である。 いくつかの実施形態による、ユーザがハイブリッド量子コンピューティング・デバイスとインターフェースする図である。 いくつかの実施形態による、誘起される電界の方向を示す、導波路構造体の断面を示す簡略図である。
本明細書に記載の特徴は、様々な修正形態及び代替形態が可能であり得るが、特定の実施形態を例として図面に示し、本明細書で詳細に説明する。しかし、図面及び図面に対する詳細な説明は、開示する特定の形態を限定する意図ではなく、反対に、添付の特許請求の範囲によって定義される主題の趣旨及び範囲内にある全ての修正形態、同等物及び代替形態を含む意図であることを理解されたい。
次に、実施形態を詳細に参照されたい。実施形態の例は、添付の図面に示す。以下の詳細な説明では、多数の具体的な詳細は、説明する様々な実施形態に対する完全な理解を提供するように示される。しかし、説明する様々な実施形態は、これらの特定の具体的な詳細を伴わずに実行し得ることは当業者には明らかであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、回路及びネットワークは、実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように、詳細に説明していない。
上記の説明は、説明のために、特定の実施形態を参照して説明してある。しかし、上記の例示的な説明は、網羅的であること、又は開示するそのものの形態に特許請求の範囲を限定することを意図しない。多数の修正形態及び変形形態が上記教示に鑑みて可能である。実施形態は、特許請求の範囲の基礎をなす原理及びそれらの実用的な適用例を最良に説明するように選択した。これにより、当業者が、企図される特定の使用に適するような様々な修正形態を伴う実施形態を最良に使用することを可能にする。
本発明の実施形態は、光学システムに関する。より詳細には、本発明の実施形態は、動作中の電力消費を低減するため、光変調器及びスイッチにおいて高比誘電率材料（即ち、高κ材料）を利用する。本明細書で使用する「高比誘電率材料」は、光変調器又はスイッチの動作可能構成要素内の他の材料と比較して、特に、導波路を構成するために使用される材料と比較して、高い比誘電率を有する材料を指すことを意図することに留意されたい。単なる例として、本発明の実施形態は、能動光学デバイスを含む一体型光学システムの状況で提供されるが、本発明は、この例に限定されず、様々な光学システム及びオプトエレクトロニクス・システムに対して広範な適用範囲を有する。
いくつかの実施形態によれば、本明細書に記載の能動フォトニック・デバイスは、光信号の変調及び／又は切替えを実施するため、半導体内で自由キャリアに誘起される屈折率の変動、ポッケルス効果及び／又はＤＣカー効果等の電気光学効果を利用する。したがって、本発明の実施形態は、透過光がオン若しくはオフで変調される変調器、又は光が透過率の部分的な変化により変調される変調器の両方、及び透過光が第１の出力（例えば、導波路）若しくは第２の出力（例えば、導波路）上で出力される光スイッチ、又は３つ以上の出力及び２つ以上の入力を有する光スイッチに適用可能である。したがって、本発明の実施形態は、本明細書で説明する方法、デバイス及び技法を利用するＭ（入力）×Ｎ（出力）システムを含む様々な設計に適用可能である。
図１は、本発明の一実施形態による光スイッチを示す簡略図である。図１を参照すると、スイッチ１００は２つの入力、即ち入力１及び入力２と、２つの出力、即ち出力１及び出力２とを含む。一例として、スイッチ１００の入力及び出力は、単一モード又は多モードの光ビームを支持するように動作可能な光導波路として実装し得る。一例として、スイッチ１００は、５０／５０ビーム・スプリッタ１０５及び１０７のセットとそれぞれ一体化されるマッハ－ツェンダー干渉計として実装し得る。図１に示すように、入力１及び入力２は、方向性結合器とも呼ばれる、入力１又は入力２からの光を受け取る第１の５０／５０ビーム・スプリッタ１０５に光学的に結合され、５０／５０ビーム・スプリッタ内のエバネッセント結合を通じて、入力１からの入力光の５０％を導波路１１０に誘導し、入力１からの入力光の５０％を導波路１１２に誘導する。同時に、第１の５０／５０ビーム・スプリッタ１０５は、入力２からの入力光の５０％を導波路１１０に誘導し、入力２からの入力光の５０％を導波路１１２に誘導する。入力１からの入力光のみを考慮すると、入力光は、導波路１１０と１１２との間で均等に分割される。
マッハ－ツェンダー干渉計１２０は、位相調整部１２２を含む。電圧Ｖ０は、位相調整部１２２において制御可能に変更される屈折率を有し得るように、位相調整部１２２内の導波路にわたり印加し得る。導波路１１０及び１１２内の光は、第１の５０／５０ビーム・スプリッタ１０５を伝搬した後、依然として十分に規定された位相関係を有する（例えば、光が同相である、１８０°位相がずれている等）ので、位相調整部１１２における位相調整は、導波路１３０及び１３２内に伝搬する光の間に所定の位相差を導入し得る。当業者には明白であるように、導波路１３０及び１３２内に伝搬する光の間の位相関係は、出力１に存在する出力光（例えば、光ビームは同相である）又は出力２に存在する光（例えば、光ビームは、位相がずれている）をもたらすことができ、これにより、位相調整部１２２で印加される電圧Ｖ０を関数として、光が出力１又は出力２に誘導された際のスイッチ機能をもたらす。単一の能動アームが図１で示されるが、マッハ－ツェンダー干渉計の両アームが位相調整部を含み得ることは了解されよう。
図１に示すように、電気光スイッチ技術は、全ての光スイッチ技術と比較して、光学的な変動をもたらすように、スイッチの能動領域にわたるスイッチの電気バイアス（例えば、図１のＶ０）の印加を利用する。この電圧バイアスの印加からもたらされる電界及び／又は電流により、屈折率又は吸光度等、能動領域の１つ又は複数の光学特性に変化をもたらす。
マッハ－ツェンダー干渉計の実装形態を図１で示すが、本発明の実施形態は、この特定のスイッチ構成に限定されず、リング共振器設計、マッハ－ツェンダー変調器、汎用マッハ－ツェンダー変調器等を含め、他の位相調整デバイスが本発明の範囲内に含められる。当業者は、多くの変形形態、修正形態及び改変形態を了承するであろう。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の光移相器デバイスは、図１０に示すハイブリッド量子コンピューティング・システム等の量子コンピューティング・システム内で利用し得る。代替的に、これらの光移相器デバイスは、他の種類の光学システム内で使用し得る。例えば、他の計算、通信及び／又は技術システムは、システム又はネットワーク内に光信号（例えば、単一光子又は連続波（ＣＷ）光信号）を誘導するフォトニック移相器を利用でき、本明細書に記載の移相器構成は、様々な実施形態で、これらのシステム内で使用し得る。
図２～図８－フォトニック移相器の断面
図２～図８は、様々な実施形態によるフォトニック移相器の様々な構成を示す簡略化した断面図である。図２～図８に示す構成は、概略的な図であり、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。図２～図８に示す構成は、いくつかの重要な設計特徴が異なるが、これらは、いくつかの特徴も共通して有する。例えば、以下でより詳細に説明するように、図２～図８のそれぞれは、２つの電気接点を呈し、各電気接点は、誘電体電極（２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０、及び８４０、並びに２４２、３４２、４４２、５４２、６４２、７４２、及び８４２）に接続される導線（２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、及び８３０、並びに２３２、３３２、４３２、５３２、６３２、７３２、及び８３２）を含む。いくつかの実施形態では、導線は、金属、又は代替的に半導体材料から構成し得る。
誘電体電極は、導波路の光モードの位置に極めて近接して延在するように構成され、フォトニック移相器は、導波路を通って進むフォトニック・モードの蓄積された位相を変更するため、制御可能な電圧差を２つの誘電体電極にわたり導入し得るように構成される。例えば、誘電体電極は、導線を介して、制御可能な電圧差をかける電圧源に結合し得る。
重要なことには、誘電体電極は、誘電体電極が導波路及び／又はスラブ層の材料よりも大きな比誘電率を有するように、大きな比誘電率を有する高κ材料から構成し得る。本明細書で使用するκは、比誘電率の実成分を指す比誘電率、κ＝Ｒｅ（εｒ）＝Ｒｅ（ε／ε０）を表すために使用され、εｒは、複素数値の比誘電率であり、εは、材料の絶対誘電率であり、ε０は、誘電率の自由空間である。明快にするため、虚成分εｒは、材料の導電率に関連する一方で、実成分κは、材料の誘電体の偏光性に関連することを留意されたい。
材料の比誘電率は、（ＡＣ）電圧と比較して、直流電流（ＤＣ）電圧の存在下、異なる値を有することができ、ＡＣ電圧における材料の比誘電率は、周波数の関数、κ（ω）とし得る。したがって、いくつかの実施形態では、誘電体電極、スラブ層及び／又は隆起導波路のための材料を選択する際、材料の比誘電率は、フォトニック移相器の動作周波数で考慮し得る。
誘電体電極は、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分を隔てる方向（例えば、図２～図５及び図７～図８のｘ方向、又は図６のｙ方向）に沿って、スラブ層の第１の材料よりも高い比誘電率を有する材料から構成し得る。例えば、異方性媒質において、誘電率テンソルεは、電界Ｅを電気変位Ｄに関連付ける以下の行列によって表し得る。
Figure 0007454687000001
式中、成分εｘｘ、εｘｙ等は、誘電率テンソルの個々の成分を示す。いくつかの実施形態では、第１の誘電体電極及び第２の誘電体電極の材料は、誘電体電極を隔てる方向に沿った誘電率テンソルの対角成分が、スラブ層及び／又は導波路構造体の材料の誘電率テンソルの対応する対角成分よりも大きいように選択し得る。
Figure 0007454687000002
表１は、様々な材料に対するχ（３）、屈折率、及び比誘電率の値を示す。表１に示すように、いくつかの実施形態では、ＳＴＯは、１０Ｋ未満の温度で非常に高い比誘電率を有し、このため、ＳＴＯは、誘電体電極での使用に望ましい材料であり得る一方で、ＢＴＯは、スラブ層及び／又は導波路の隆起部分で使用し得る。
図示のように、図２～図８のそれぞれに示される構成は、第１のクラッディング層と第２のクラッディング層とを備えるフォトニック・デバイスを呈する。例えば、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０及び８１０でマークされる領域は、導波路の一方の側における第１のクラッディング層を表す一方で、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２、７１２及び８１２でマークされる領域は、導波路のもう一方の側における第２のクラッディング層を表す。用語「第１」及び「第２」は、単に、２つのクラッディング層の間を区別することを意味し、例えば、用語「第１のクラッディング層」は、導波路のいずれの側のクラッディング層も指し得ることに留意されたい。いくつかの実施形態では、第１のクラッディング層及び第２のクラッディング層の屈折率は、導波路構造体の屈折率より低くてよい。
図２～図８は、第１の誘電体部分（２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０）に結合される第１の導線（２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０及び８３０）を含む第１の電気接点、及び第２の誘電体部分（２４２、３４２、４４２、５４２、６４２、７４２及び８４２）に結合される第２の導線（２３２、３３２、４３２、５３２、６３２、７３２及び８３２）を含む第２の電気接点を呈する。第１の導線及び第２の導線は、金属等の導電性材料から構成し得るか、又は代替的に半導体材料から構成し得る。様々な実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化グラフェン、酸化タンタル、チタン酸鉛ジルコニウム（ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタンジルコニウム（ＰＬＺＴ）、ニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ）、酸化アルミニウム、又はそれらのドープされた変形体若しくは固溶体の１つ又は複数から構成される。
図２～図８は、第１の材料を含むスラブ層（２２０、３２０、４２０及び５２０、６５１、７５４及び８５１）を含む導波路構造体を示し、スラブ層は、第１の電気接点の第１の誘電体部分及び第２の電気接点の第２の誘電体部分に結合される。いくつかの実施形態では、導波路構造体は、隆起部分（２５１、３５１、４５１及び５５１）を更に含み、隆起部分（２５１、３５１、４５１及び５５１）は、第１の材料（又は異なる材料、例えば、窒化ケイ素若しくはあらゆる他の材料）から構成され、スラブ層に結合され、隆起部分は、第１の電気接点と第２の電気接点との間に配設される。様々な実施形態では、第１の材料は、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、酸化ハフニウム、ニオブ酸リチウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化グラフェン、酸化タンタル、チタン酸鉛ジルコニウム（ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタンジルコニウム（ＰＬＺＴ）、ニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ）、酸化アルミニウム、又はそれらのドープされた変形体若しくは固溶体の１つである。
いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分を構成する第２の材料は、スラブ層及び／又は導波路構造体を構成する第１の材料に基づき選択し得る。例えば、第２の材料は、第２の材料が、第１の材料の比誘電率よりも大きい比誘電率を有するように選択し得る。一例として、第１の材料がＢＴＯである場合、第２の材料は、ＳＴＯであるように選択でき、ＳＴＯは、フォトニック・デバイスが動作することを意図する極低温（例えば、４Ｋ）において、ＢＴＯよりも大きい比誘電率を有する。有利には、誘電体電極の大きな比誘電率により、金属電極と比較して、導波路から電極への所与の許容可能なレベルの損失と引き換えに、導波路のより近傍に誘電体電極を置くことが可能になる。例えば、高い導電率の金属電極は、導波路からの同じ距離において、誘電体電極の吸収と比較して、導波路からより大きな光子吸収度（即ち、損失）をもたらす。したがって、誘電体電極は、所与の損失裕度と引き換えに、金属電極よりも導波路のより近傍に置くことができる。誘電体電極の高い比誘電率は、誘電材料の高い偏光性に対応し、この高い偏光性により、導波路構造体内で電界を調整するのにエネルギー効率の良い制御機構がもたらされる。
いくつかの実施形態では、誘電体電極のために使用される材料、及び導波路構造体は、これらの実効比誘電率に基づき選択し得る。例えば、材料の比誘電率（又は異方性材料の誘電率テンソル）は、固有の材料特性である一方で、構造体の実効比誘電率は、構造体の比誘電率に比例するが、構造体の形状及び寸法にも依存する。これらの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分のために使用される材料は、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の実効比誘電率が、導波路構造体の実効比誘電率より大きいように選択し得る。
いくつかの実施形態では、図１０に示すクライオスタット１１１３等の極低温デバイスは、第１の電気接点、第２の電気接点、及び導波路構造体を極低温、例えば７７ケルビン以下で維持するように構成し得る。
いくつかの実施形態では、第１の電気接点及び第２の電気接点は、導波路構造体内の１つ又は複数の方向に沿って、例えば、ｘ方向に沿って電界を生成するように構成され、導波路構造体は、電気光学係数（例えば、χ（２）、ポッケルス係数、又はχ（３）、カー係数）が、電界方向に沿って整合される非ゼロ値を有することを特徴とし得る。例えば、導線は、図１０に示すように、制御可能（例えば、プログラム可能）な電圧差をかける電圧源に結合され、これにより、導波路構造体内に電界を生成し得る。追加又は代替として、導波路構造体によって支持される案内モードは、ｘ方向で整合される偏光方向を有し得る。
いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、スラブ層と同一平面である第２の層として構成され、スラブ層の第１の側に隣接して配設される。例えば、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、（例えば、エピタキシ、又は有機金属気相成長、分子線エピタキシ、物理蒸着、ゾル－ゲル等の別の方法を使用して）スラブ層の第１の側の上に成長させ、第１の誘電体層及び第２の誘電体層をスラブ層に直接結合することができる。代替的に、いくつかの実施形態では、介在層をスラブ層と第１の誘電体層及び第２の誘電体層との間に配設し、スラブ層並びに第１の誘電体層及び第２の誘電体層を間接的に結合し得る。いくつかの実施形態では、介在層は、酸化物材料から構成し得る。
第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、間隙領域、例えば、間隙領域２４３又は３４３によって隔てることができる。いくつかの実施形態では、間隙領域をエッチングし、クラッディング材料で充填し得る。いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の両方をスラブ層上に単一の第２の層として成長させ、次に、一領域をエッチングし、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分を隔てることができる。次に、このエッチングした領域をクラッディング材料で充填し得る。代替的に、エッチングした領域は、空のままにし得る（即ち、空気又は真空を充填し得る）。
いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分を隔てる方向において、第１の材料の比誘電率よりも大きい比誘電率を有する。第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の比誘電率は、第１の温度で、導波路構造体の比誘電率よりも大きくてよく、第１の温度は、１ｍＫ超、７７Ｋ未満、１５０Ｋ未満、及び／又は別の温度範囲内である。いくつかの実施形態では、第１の材料は、第１のクラッディング層及び第２のクラッディング層の屈折率よりも大きい屈折率を有する透過性材料である。いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の比誘電率と、第１の材料の比誘電率との間の比率は、２以上である。
以下の段落は、図２～図８に示す構成の間で異なる様々な設計特徴を記載する。
図２は、導波路構造体（２５１）の隆起部分が、スラブ層の底部に配設され、第１のクラッディング層（２１０）内に延在する構成を示す。図２に示すように、隆起部分とスラブ層との組合せは、スラブ層（２２０）単体の第２の厚さ（２６０）よりも大きい第１の厚さ（２６２）を有し、第２の厚さに対する第１の厚さの余剰部は、スラブ層の底側上でクラッディング層（２１０）内に延在する。図２に示すように、第１の誘電体部分（２４０）及び第２の誘電体部分（２４２）は、底側とは反対のスラブ層の上側でスラブ層（２２０）に結合される。更に、第１の電気接点（２３０）及び第２の電気接点（２３２）は、スラブ層（２２０）の上側に配設される。用語「上」及び「底」は、明快にするために、図示の斜視図を参照して使用され、必ずしも、デバイス全体に対するあらゆる特定の向きを指すものではないことに留意されたい。
図３は、導波路構造体（３５１）の隆起部分が、スラブ層の上側に配設され、第１のクラッディング層（３１２）内に延在し、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分が、上側とは反対のスラブ層の底側でスラブ層に結合される構成を示す。図示のように、隆起部分とスラブ層との組合せは、スラブ層（３２０）単体の第２の厚さ（３６０）よりも大きい第１の厚さ（３６２）を有し、第２の厚さに対する第１の厚さの余剰部は、スラブ層（３２０）の上側上で第１のクラッディング層（３１２）内に延在する。図３に示すように、第１の誘電体部分（３４０）及び第２の誘電体部分（３４２）は、上側とは反対のスラブ層の底側でスラブ層（３２０）に結合される。更に、第１の電気接点（３３０）は、スラブ層の上側からスラブ層の底側までスラブ層（３２０）を貫通することによって、第１の誘電体部分（３４０）に結合され、第２の電気接点（３３２）は、スラブ層の上側からスラブ層の底側までスラブ層（３２０）を貫通することによって、第２の誘電体部分（３４２）に結合される。
図４は、スラブ層と導波路構造体（４５１）の隆起部分との組合せが、スラブ層（４２０）の第２の厚さ（４６０）よりも大きい第１の厚さ（４６２）を有し、第２の厚さに対する第１の厚さの余剰部が、スラブ層の上側上で第１のクラッディング層（４１２）内に延在する構成を示す。図４に示すように、第１の誘電体部分（４４０）及び第２の誘電体部分（４４２）は、スラブ層の上側で第１の材料（４２０）に結合される。更に、第１の誘電体部分（４４０）及び第２の誘電体部分（４４２）は、導波路構造体（４５１）の隆起部分に当接する。
図５は、導波路構造体が、第１の条片導波路部分（５５４）と第２の条片導波路部分（５５６）とを含み、第１の条片導波路部分及び第２の条片導波路部分が、第２の材料及び第３の材料からそれぞれ構成され、スラブ層（５２０）が、第１の条片導波路部分（５５４）と第２の条片導波路部分（５５６）との間に配設される構成を示す。第１の条片導波路部分及び第２の条片導波路部分は、同じ又は異なる材料から構成し得る。例えば、第１の条片導波路部分及び第２の条片導波路部分はそれぞれ、個別に、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、又は別の同様の材料から構成し得る。
図６は、垂直導波路構成を示し、第１の誘電体部分（６４２）は、スラブ層の上側でスラブ層（６５１）に結合され、第２の誘電体部分（６４０）は、上側とは反対のスラブ層の底側でスラブ層（６５１）に結合される。言い換えれば、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分は、導波路構造体内で誘起される電界がｙ方向に沿って向けられるように、導波路構造体の上側及び底側に結合される。
図７は、導波路構成を示し、第１の誘電体部分（７４０）及び第２の誘電体部分（７４２）のそれぞれは、導波路構造体（７５４）と直列に配設される。言い換えれば、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分並びに導波路構造体のそれぞれは、単一の幅を有する単一層内に配設される。
図８は、導波路構成を示し、第１の誘電体部分（８４０）及び第２の誘電体部分（８４２）は、導波路構造体（８５１）と隆起状外形部を共有し、隆起状外形部は、第１のクラッディング層（８１２）内に延在する。例えば、第１の誘電体部分（８４０）は、第１の誘電体部分の残部の厚さ（８６０）よりも大きい厚さ（８６２）を有する隆起部分（８４４）を含むことができ、第２の誘電体部分（８４２）は、第２の誘電体部分の残部の厚さ（８６０）よりも大きい厚さ（８６２）を有する隆起部分（８４６）を含むことができる。更に、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の隆起部分は、導波路構造体（８５１）と同じ厚さを呈し得る。
図９－フォトニック移相器の上から下への図
図９は、いくつかの実施形態によるフォトニック移相器構成の上から下への図である。図示のように、移相器は、第１の導線（９３０）と、第２の導線（９３２）と、第１の誘電体部分（９４０）と、第２の誘電体部分（９４２）と、スラブ層（９２０）と、導波路構造体（９５１）の隆起部分とを含み得る。
図１０－ハイブリッド量子コンピューティング・システム
図１０は、いくつかの実施形態による、簡略化したシステムの図であり、クライオスタットと共に、電気光スイッチをハイブリッド量子コンピューティング・システムに組み込むことを示す。低温、例えば、液体ヘリウム温度で動作させるため、本発明の実施形態は、本明細書で説明する電気光スイッチを、冷却システムを含むシステムに統合する。したがって、本発明の実施形態は、例えば、図８に示すハイブリッド・コンピューティング・システム内で使用し得る光移相器を提供する。ハイブリッド・コンピューティング・システム１１０１は、ハイブリッド量子コンピューティング（ＱＣ）サブシステム１１０５に通信可能に結合されるユーザ・インターフェース・デバイス１１０３を含む。ユーザ・インターフェース・デバイス１１０３は、あらゆる種類のユーザ・インターフェース・デバイス、例えば、表示器、キーボード、マウス、タッチスクリーン等を含む端末とし得る。更に、ユーザ・インターフェース・デバイス自体は、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）、ラップトップ、タブレット・コンピュータ等のコンピュータとし得る。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース・デバイス１１０３は、ユーザがハイブリッドＱＣサブシステム１１０５と対話し得るインターフェースを提供する。例えば、ユーザ・インターフェース・デバイス１１０３は、テキスト・エディタ、対話型開発環境（ＩＤＥ）、コマンド・プロンプト、グラフィカル・ユーザ・インターフェース等のソフトウェアを稼働させることができ、ユーザが、１つ又は複数の量子アルゴリズムを稼働させるようにＱＣサブシステムをプログラムするか又はＱＣサブシステムと対話できるようにする。他の実施形態では、ＱＣサブシステム１１０５は、事前にプログラムでき、ユーザ・インターフェース・デバイス１１０３は、単に、ユーザが量子計算を開始し、進行を監視し、ハイブリッドＱＣサブシステム１１０５から結果を受信し得るインターフェースとし得る。ハイブリッドＱＣサブシステム１１０５は、１つ又は複数の量子コンピューティング・チップ１１０９に結合される従来のコンピューティング・システム１１０７を更に含む。いくつかの例では、従来のコンピューティング・システム１１０７及び量子コンピューティング・チップ１１０９は、他の電子構成要素１１１１、例えば、パルス・ポンプ・レーザー、マイクロ波発振器、電源、ネットワーキング・ハードウェア等に結合し得る。
極低温動作を利用するいくつかの実施形態では、量子コンピューティング・システム１１０９は、クライオスタット、例えば、クライオスタット１１１３内に収容し得る。いくつかの実施形態では、量子コンピューティング・チップ１１０９は、１つ又は複数の構成チップ、例えば、ハイブリッド電子チップ１１１５及び一体型フォトニクス・チップ１１１７を含む。信号は、オンチップ及びオフチップで、あらゆる様式で、例えば、光相互接続器１１１９、及び他の電子相互接続器１１２１を介して伝送し得る。
図１１－フォトニック移相器内で誘起される電界
図１１は、いくつかの実施形態による、図２に示す導波路構造体の断面を示す簡略図であり、誘起される電界の方向は、矢印で示される。図示のように、小矢印は、誘起される電界の方向を示し、電界の方向は、全体的に、デバイスの誘電体部分を通る明確なｘ方向に沿って向けられる。電界は、図示のように、誘電体部分の上下の両方で凸状に湾曲する。更に、明確なｘ方向で向けられる大矢印（１１５０）は、スラブ層及び導波路を通じて進行し得る光モードの偏光方向を示す。
いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分、第２の誘電体部分及び導波路構造体は、第１の厚さを有する単一層内に配設され、導波路構造体は、第１の誘電体部分と第２の誘電体部分との間に配設される。例えば、図７を参照。
いくつかの実施形態では、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分はそれぞれ、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分のスラブ構造体の第２の厚さよりも大きい第１の厚さを有するそれぞれの隆起構造体を含む。第１の厚さは、導波路構造体の厚さと同じである。これらの実施形態では、導波路構造体は、第１の誘電体部分と第２の誘電体部分との間に配設され、第１の誘電体部分及び第２の誘電体部分の隆起構造体に結合される。例えば、図８を参照。
また、本明細書に記載する例及び実施形態は、説明の目的にすぎず、説明の目的の観点から、様々な修正及び変更が当業者に示唆され、本願の趣旨及び範囲並びに添付の特許請求の範囲内に含まれることは理解されよう。

Claims (33)

  1. デバイスであって、前記デバイスは、
    第１のクラッディング層と、
    第１の導線及び第１の誘電体部分を備える第１の電気接点であって、前記第１の導線は、前記第１の誘電体部分に結合される、第１の電気接点と、
    第２の導線及び第２の誘電体部分を備える第２の電気接点であって、前記第２の導線は、前記第２の誘電体部分に結合され、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、間隙領域によって隔てられる、第２の電気接点と、
    チタン酸バリウムから構成されるスラブ層を備える導波路構造体であって、前記スラブ層は、前記第１の電気接点の前記第１の誘電体部分及び前記第２の電気接点の前記第２の誘電体部分に結合される、導波路構造体と、
    前記スラブ層に結合される隆起部分であって、前記第１の電気接点と前記第２の電気接点との間に配設される隆起部分と、
    第２のクラッディング層と
    を備え、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記導波路構造体内で電界をエネルギー効率良く制御できるように、第１の方向において、チタン酸バリウムの前記第１の方向における比誘電率よりも大きい比誘電率を有し、前記第１の方向は、前記第１の誘電体部分を前記第２の誘電体部分から隔てる方向を含み、前記第１の方向は、前記スラブ層に平行である、デバイス。
  2. 前記隆起部分は、前記スラブ層の第１の側に配設し、前記第１のクラッディング層内に延在し、
    前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記第１の側とは反対の前記スラブ層の第２の側で前記スラブ層に結合する、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記スラブ層は、前記隆起部分とは異なる材料から構成される、請求項１に記載のデバイス。
  4. デバイスであって、前記デバイスは、
    第１のクラッディング層と、
    第１の導線及び第１の誘電体部分を備える第１の電気接点であって、前記第１の導線は、前記第１の誘電体部分に結合される、第１の電気接点と、
    第２の導線及び第２の誘電体部分を備える第２の電気接点であって、前記第２の導線は、前記第２の誘電体部分に結合される、第２の電気接点と、
    第１の材料から構成されるスラブ層を備える導波路構造体であって、前記スラブ層は、前記第１の電気接点の前記第１の誘電体部分及び前記第２の電気接点の前記第２の誘電体部分に結合される、導波路構造体と、
    第２のクラッディング層と
    を備え、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記導波路構造体内で電界をエネルギー効率良く制御できるように、前記第１の材料の第１の方向における比誘電率よりも大きい、前記第１の方向における比誘電率を有する、デバイス。
  5. 前記導波路構造体は、前記スラブ層に結合される第１の隆起部分を更に備え、前記第１の隆起部分は、前記第１の電気接点と前記第２の電気接点との間に配設する、請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記スラブ層は、チタン酸バリウムから構成し、
    前記第１の隆起部分は、窒化ケイ素から構成する、請求項５に記載のデバイス。
  7. 前記第１の隆起部分は、前記第１の材料から構成する、請求項５に記載のデバイス。
  8. 前記第１の隆起部分は、前記スラブ層の第１の側に配設し、前記第１のクラッディング層内に延在し、
    前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記スラブ層の前記第１の側で前記スラブ層に結合する、請求項５に記載のデバイス。
  9. 前記第１の隆起部分は、前記スラブ層の第１の側に配設し、前記第１のクラッディング層内に延在し、
    前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記第１の側とは反対の前記スラブ層の第２の側で前記スラブ層に結合する、請求項５に記載のデバイス。
  10. 前記第１の電気接点及び前記第２の電気接点は、前記スラブ層の前記第２の側に配設する、請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記第１の電気接点は、前記スラブ層の前記第２の側から前記スラブ層の前記第１の側まで前記スラブ層を貫通することによって、前記第１の誘電体部分に結合し、
    前記第２の電気接点は、前記スラブ層の前記第２の側から前記スラブ層の前記第１の側まで前記スラブ層を貫通することによって、前記第２の誘電体部分に結合する、請求項９に記載のデバイス。
  12. 前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、チタン酸ストロンチウムから構成する、請求項４に記載のデバイス。
  13. 前記導波路構造体は、第１の条片導波路部分と第２の条片導波路部分とを更に備え、
    前記第１の条片導波路部分及び前記第２の条片導波路部分は、第２の材料及び第３の材料からそれぞれ構成し、
    前記スラブ層は、前記第１の条片導波路部分と前記第２の条片導波路部分との間に配設する、請求項４に記載のデバイス。
  14. 前記第２の材料及び前記第３の材料は、窒化ケイ素である、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記スラブ層と同一平面である第２の層内に含まれ、前記スラブ層の第１の側に隣接して配設する、請求項４に記載のデバイス。
  16. 前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、間隙領域によって隔てられる、請求項４に記載のデバイス。
  17. 前記第１の材料は、前記第１のクラッディング層及び前記第２のクラッディング層の屈折率よりも大きい屈折率を有する、請求項４に記載のデバイス。
  18. 前記第１の方向において、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分の比誘電率と、前記第１の材料の比誘電率との比率は、２以上である、請求項４に記載のデバイス。
  19. 前記第１の方向は、前記スラブ層に平行な方向を含み、前記第１の誘電体部分を前記第２の誘電体部分から隔てる、請求項４に記載のデバイス。
  20. 前記第１の誘電体部分は、前記スラブ層の第１の側で前記スラブ層に結合し、
    前記第２の誘電体部分は、前記第１の側とは反対の前記スラブ層の第２の側で前記スラブ層に結合する、請求項４に記載のデバイス。
  21. 前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、
    チタン酸バリウムストロンチウム、
    酸化ハフニウム、
    酸化ジルコニウム、
    酸化チタン、
    酸化グラフェン、
    酸化タンタル、
    チタン酸鉛ジルコニウム、
    チタン酸鉛ランタンジルコニウム、又は
    ニオブ酸ストロンチウムバリウム
    の１つから構成する、請求項４に記載のデバイス。
  22. 前記スラブ層は、チタン酸バリウムから構成する、請求項４に記載のデバイス。
  23. 前記スラブ層は、
    チタン酸バリウムストロンチウム、
    ニオブ酸リチウム、
    チタン酸鉛ジルコニウム、
    チタン酸鉛ランタンジルコニウム、
    酸化アルミニウム、
    窒化アルミニウム、又は
    ニオブ酸ストロンチウムバリウム
    の１つから構成する、請求項４に記載のデバイス。
  24. 前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記導波路構造体において前記第１の方向に沿って電界を生成するように構成する、請求項４に記載のデバイス。
  25. 前記導波路構造体は、電気光学係数が前記第１の方向に沿って整合される非ゼロ値を有する
    ことを特徴とする、請求項２４に記載のデバイス。
  26. 前記第１の電気接点、前記第２の電気接点及び前記導波路構造体を７７ケルビン以下で維持するように構成される極低温デバイス
    を更に備える、請求項４に記載のデバイス。
  27. 前記第１の方向において、１ｍＫを超える第１の温度では、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分の比誘電率は、前記第１の材料の比誘電率よりも大きい、請求項４に記載のデバイス。
  28. 前記第１の方向において、１ｍＫを超え、７７Ｋ未満である第１の温度では、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分の比誘電率は、前記第１の材料の比誘電率よりも大きい、請求項４に記載のデバイス。
  29. 前記第１の導線及び前記第２の導線は、金属から構成する、請求項４に記載のデバイス。
  30. 前記第１の導線及び前記第２の導線は、半導体材料から構成する、請求項４に記載のデバイス。
  31. 前記第１の誘電体部分、前記第２の誘電体部分、及び前記導波路構造体は、第１の厚さを有する単一層内に配設し、
    前記導波路構造体は、前記第１の誘電体部分と前記第２の誘電体部分との間に配設する、請求項４に記載のデバイス。
  32. 前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分はそれぞれ、第１の厚さを有するそれぞれの隆起構造体を含み、前記第１の厚さは、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分のスラブ構造体の第２の厚さよりも大きく、
    前記導波路構造体は、前記第１の誘電体部分と前記第２の誘電体部分との間に配設し、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分の隆起構造体に結合し、
    前記導波路構造体は、前記第１の厚さを有する、請求項４に記載のデバイス。
  33. 光スイッチであって、前記光スイッチは、
    少なくとも１つの入力ポートと、
    少なくとも１つの出力ポートと、
    ビーム・スプリッタに結合されるマッハ－ツェンダー干渉計であって、第１のアーム及び第２のアームを備えるマッハ－ツェンダー干渉計と、
    前記マッハ－ツェンダー干渉計の前記第１のアーム内に含まれるフォトニック移相器と
    を備え、前記フォトニック移相器は、
    第１のクラッディング層と、
    第１の誘電体部分に結合される第１の導線を備える第１の電気接点と、
    第２の誘電体部分に結合される第２の導線を備える第２の電気接点と、
    第１の材料から構成されるスラブ層を備える導波路構造体であって、前記スラブ層は、前記第１の電気接点の前記第１の誘電体部分及び前記第２の電気接点の前記第２の誘電体部分に結合される、導波路構造体と、
    第２のクラッディング層と
    を備え、前記第１の誘電体部分及び前記第２の誘電体部分は、前記導波路構造体内で電界をエネルギー効率良く制御できるように、第１の方向において、前記第１の材料の前記第１の方向における比誘電率よりも大きい比誘電率を有する、光スイッチ。
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