JPH10509806A

JPH10509806A - 光電子カプラ

Info

Publication number: JPH10509806A
Application number: JP8507561A
Authority: JP
Inventors: ブラウン，トーマス・ジー
Original assignee: ブラント・エイ・ペインター，ザ・サード
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1995-08-14
Publication date: 1998-09-22
Also published as: DE69532638T2; ATE261136T1; CA2197328A1; EP0775328A2; DE69532638D1; EP0775328B1; ES2223052T3; AU3324995A; WO1996005536A3; US5625729A; WO1996005536A2

Abstract

(57)【要約】本発明は、外部光学波（１０）とローカル光学波（１６、１８、２０）と間の結合を行うための光電子装置である。ローカル波は複数の電極（１２）及び該電極に関連する構造によって支持される。複数の電極は実質的に規則的なパターンに間隔をとられ、２つの機能に対して適合される。第１に、電極は外部波とローカル波の間を共振的に結合する。第２に、電極は近接する電極間の電圧差を許可する。１つの実施例において、複数の電極は、第１フィンガ及び第２フィンガ（２２、２４）を含む実質的に平面の金属の互いにかみ合わされた電極である。更に、電極は第１フィンガと第２フィンガの間の電圧差を許可するように適合される。更に、電極に関連する表面は、該電極と接触する実質的に平面のシリコン基板（１４）である。ローカル波は金属電極及びシリコン基板によって支持される表面プラズモン（１６）である。シリコンの屈折率は電極の第１フィンガと第２フィンガの間の電圧差を変化させることによって変更され得る。入射光の変調又は検波のために光電子カプラが構成され得る。

Description

【発明の詳細な説明】光電子カプラ発明の背景発明の分野本発明は、光電子（optoelectronic）カプラに関する。このカプラの２つの応用には、光変調器としての応用と、又は光検波器としての応用とがある。最近の技術の進歩の結果として、フォトニクスの分野が強調されている。これは、光及び光波の、発生、操作、変調、及び検波に関する分野であり、この分野では、光（light）及び光学的（optical）とは、紫外線、可視光線、近赤外線、及び中間赤外線領域（１５μｍ程度の波長まで）を指すものとして用いられる。フォトニクス・デバイスへの関心も、対応して増加している。特に、入射する光波の特性を変調する変調器と、入射波の強度を感知する検波器とは、ほとんどすべてのフォトニクス・システムのための、２つの基本的な構成ブロックである。例えば、光ファイバは、日々、ますます普及しつつある。そのシステムでは、情報は、光ビーム上の情報を符号化し、そのビームを受信機に送信し、受信したビームを復号することによって、通信される。符号化は、光変調器によって変調された一定の光源を用いて達成され、受信したビームを復号するには、検波器が要求される。別の例として、コンピュータは、より強力になると、プロセッサにおいて制限されるよりはむしろ、通信において制限されるという問題がある。すなわち、コンピュータの速度に関するボトルネックは、計算の実行に要する時間ではなく、ますます、コンピュータの種々の部分の間での通信に要する時間に関するものとなる傾向がある。１つの潜在的な解決は、電子的な相互接続ではなく、光学的なものを用いることであり、その理由は、フォトニクス技術が、潜在的に、速度に関する利点を提供するからである。このようなアプローチでは、光変調器及び検波器と用いて、ファイバ・システムと同じ態様で、ビットの符号化及び復号が行われる。最後の例としては、わたしたちの社会が、画像（ピクチャ）に基づく通信の方向へ移動することを可能にする点における大容量デバイスや高い帯域幅での通信の出現、ファックス機械の数の増大、及びテレビ番組の量などが、第１の例であり、これらのイメージの表示及び捕捉は、変調器と検波器とを必要とする。ファックス機械の中では、検波器は、送信面上のイメージを捕捉するのに用いられ、他方で、変調器は、受信側で、そのイメージを作成し、プリンタに出力するのに用いられる。検波器と変調器とは、ビデオの送信においては、類似の役割を演じる。これらの技術的な進歩の直接的な結果として、これらのデバイスとこれらのデバイスの改良とに対しては、常に要求が増加している。しかし、電子と光子との間のギャップを架橋する検波器や変調器などのデバイスは、基本的な物理現象に依存しなければならない。本発明の内容に関していえば、依存する現象は、相互への光波のカップリング、電極を介しての電子的な効果の応用又は感知、及び、半導体又は電子的光学的材料などの特別の材料系の中での光子と電子との相互作用などである。従って、これらのデバイスの進歩は、基本的な物理的効果を強化する設計と、デバイスのコストの改善、信頼性、製造、動作の容易さなどの実際的な進歩とのどちらかに、大きな割合で依存する。関連技術の説明本発明は、複数の分野の交点に位置するので、関連技術は、判然とした領域に分割することができる。便宜上、完全な参考文献の引用は、好適実施例の説明の最後のセクションの集めてある。１つの関連分野は、光波の間で結合を行う格子（gratings）の設計に関する。例えば、Maystre et al.，"On a General Theory of Anomalies and Energy Abs orption by Diffraction Gratings and Their Relation with Surface Waves,"O ptica Acta,，25，905-915(1978); Magnusson，R.，and Wang，S.S.，"Optical Guided-mode Resonance Filter,"U.S．Patent No．5,216,680(June 1，1993); D elort，T.，and Maystre，D.，"Finite Element Method for Gratings,"J．Opt ．Soc．Am．A.，10，2592(1993); 及び Vincent，P.，"Integral Equation Comp utation of Bump Grating Efficiencies in TE Polarization,"J．Opt．Soc．Am ．A.，10，444(1993),があり、これらの文献は、その内容をこの出願において援用するが、ここで説明する構造の詳細な光学的な特性を計算することのできるアプローチを説明している。これらには、完全な電磁気的な扱いが記載されており、表面プラズモンの励起、完全内部反射（ＴＩＲ）導波、及び表面消滅波（surface evanescent waves）を含む。便宜上、局所波（local wave）の語は、これら３つのタイプの波を指すものとして用いられる。Campbell，P.，"Enhance ment of Light Absorption from Randomizing and Geometric Textures,"J．Opt ．Soc．Am．B.，10，2410(1993)には、幾何学的アプローチを用いて、織られた表面への光の吸収の強化が、理論的に記載されている。Sambles，J.R．et al.， "Optical Excitation of Surface Plasmons: An Introduction,"Contemporary P hysics，32，173-183(1991)には、周期的な構造の使用を含む表面プラズモンの光学的な励起の一般理論が記載されており、Bryan-Brown，G.P．et al.，"Coupl ed Surface Glasmons on Silver Coated Gratings,"Optics Communications，82 ，１(1991)には、表面プラズモンの相互の結合が記載されている。これらの参考文献の内容は、本発明のある側面を設計するのに用いることができるが、これらの参考文献自体は、一次的には、静的な構造を介しての波の純粋に光学的な結合に向けられたものである。デバイスの動的な動作の問題は、満足のできるようには論じられてはおらず、また、電気的な側面についても同様である。光波の結合と何らかの電気的な機能との両方に依存するデバイスが存在する。１つの応用領域は、導波管変調器の分野である。Simon，H.J．and Lee，C.H.，" Electro-Optic Total Internal Reflection Modulation,"Optics Letters，13， 440（1988）及び Caldwell，M.E．and Yeatman，E.M.，"Recent Advances in S urface Plasmon Spatial Light Modulators,"SPIE Proceedings: Optics for Co mputers--Architectures and Technologies，1505，50(1991)には、デバイスの外部にある波とＴＩＲ導波又は表面プラズモンとの間の動的な結合についての記載がある。しかし、この結合は、プリズム結合すなわち減衰全内部反射結合（fr ustrated total internal reflection coupling）によって、達成されるが、これは、本発明で用いられる格子結合のアプローチと比較して、実際上の欠点がある。格子変調器の分野では、Evans，A.E.，and Hall，D.G.，"Propagation Loss Measurements in Silicon-on-Insulator Optical Waveguides Formed by Bond- and-Etchback Process,"Applied Physics Letters，59，1667-1669（1991）及び Collins，R.T.，et al.，"Optical Modulator,"U.S．Patent No．4,915,4 82(April 10，1990)には、共に、光波の間を格子を用いて結合することが記載されており、更に、結合効率が、構造の一部の間の印加される電圧を変動させることによって、変調される。しかし、全体の格子は、１つの電位値に維持され、電圧差が、その格子と構造の別の部分、典型的には、基板のバルクとの間に印加される。しかし、このように電極を形成し、デバイスのバルクに亘って電圧を印加することの結果として、デバイスの動作速度が低下するので、これは、受け入れられない。同様の状況は、Magnusson，R.，and Wang，S.S.，"Optical Guided-m ode Resonance Filter,"U.S．Patent No．5,216,680(June 1，1993); Wang，S.S .，and Magnusson，R.，"Theory and Applications of Guided Mode Resonance Filters,"Applied Optics，32，2606(1993); 及び Rosenblatt，D.，"Distribut ed Resonant Cavity Light Geam Modulator,"U.S．Patent No．5,157,537(Octob er 20，1992)に関しても存在する。これらは、格子を結合デバイスとして用い、格子の光学的性質を電気的に変動させる方法を提案している。しかし、電極は、上述のように、デバイスの高速な動作に適さない。更に、追加的な構造が、電気的な機能を実現させるためには必要になり、結果的に、デバイスがより複雑になる。検波器の分野では、Brueck，S.R.J.，et al.，"Enhanced Quantnum Efficie ncy Internal Photoemission Detectors by Grating Coupling to Surface Plas ma Waves,"Applied Physics Letters，46，915(1985)が、入射光を検波器の活性領域に結合するのに格子を用いて、検波器の量子的な効率を向上させることを試みている。しかし、上述のデバイスで論じたように、発生する光電流を感知するのに用いられる電極構造は、デバイスの高速な動作には適さない。関連する別の領域として、光変調器の一般的な分野がある。一般的な文献の代表的な例には、Lentine，A.L.，et al.，"Symmetric Self-Electro-optic Effec t Device: Optical Set-Reset Latch，Differential Logic Gate，and Differen tial Modulator Detector,"IEEE J．Quantum Electronics，25，1928(1989); Pe zeshki，B.，et al.，"Optimization of Modulation Ratio and Insertion Loss in Reflective Electroabsorption Modulators,"Applied Physics Letters，57 ，1491(1990); Treyz，G.V.，et al.，"GaAs Multiple Quantum Well Waveg uide Modulators on Silicon Substrates,"Applied Physics Letters，57，1078 (1990); 及び Xiao，X.，et al.，"Fabry-Perot Optical Intensity Modulator at 1.3μm in Silicon,"IEEE Photonics Technology Letters，3，230(1991)があり、どれにも、種々のタイプの光変調器に関する記載があるが、本発明には、直接には関係しない。特に、これらの文献は、本発明とは、以下の点の中の少なくとも１つにおいて異なっている。第１に、これらのデバイスのいくつかは、用いられている電極構造のために、満足できる速度で動作せず、低速である。第２に、光波の結合に基づかないものもある。第３に、これらのデバイスのどれも、高速の電極構造と光学的な結合デバイスとを組み合わせて１つの構造にしていない。最後に、これらのデバイスの多くは、ＶＳＬＩ製造技術に基づいておらず、従って、既存の製造の基礎を利用できず、他のＶＬＳＩ回路と共に容易に集積化することができない。関連技術の最後の領域は、特別な構造を有する電極の使用に関するものである。変調器の領域では、指状に組み合わされた電極が、電子的・光学的な材料に亘って電圧パターンを印加するのに用いられてきた。Alferness，R.C.，"Waveguid e Electro-optic Modulators,"IEEE Transactions on Microwave Theory and Te chniques，MTT-30，1121（1982）及び Hammer，J.M.，et al.，"Fast Electro-o ptic Waveguide Deflector Modulator,"Applied Physics Letters，23，176(197 3)は、導波管の光学的な性質を変調するのにこのような電極を用いることが記載されており、結果的に、ある導波管モードと別のものとの結合を制御する導波管の変動が生じる。しかし、これらの場合の電極は、２つのモードだけを間接的に結合し、両方のモード共に導波管の内部になければならないという制限のために、このアプローチは、本発明の応用には不適切である。特別の電極構造は、検波器、特に、金属・半導体・金属（ＭＳＭ）タイプの検波器にも用いられ、これらのデバイスの速度を高めた。例えば、Alexandrou，S.，et al.，"A 75 GHz Sili con Metal-Semiconductor-Metal Schottky Photodiode,"Applied Physics Lette rs，62，2507(1993); Bassous，E.，et al.，"A High-Speed Silicon Metal-Sem iconductor-Metal Photodetector Fully Integrable with(Bi)SMOS Circuits,"I nternational Electron Devices Meeting 1991，Technical Digest，187- 190(1991); Chou，S.Y．and Liu，M.Y.，"Nanoscale Tera-Hertz Metal-Semicon ductor-Metal Photodetectors,"IEEE J．Quantum Electronics，28，2358(1992) ; Klingenstein，M.，et al.，"Unltrafast Metal-Semiconductor-Metal Photod iodes Fabricated on Low-Temprature GaAs,"Appl．Phys．Lett.，60，627(1992 ); 及び Soole，J.B.D.，and Schumacher，H.，"InGaAs Metal-Semiconductor-M etal Photodetectors for Long Wavelength Optical Communications,"IEEE J． Quantum Electronics，27，737(1991)などを参照のこと。Ghioni，M.，et al.， "A High-Speed VLAI-Compatible Photodetector for Optical Data Link Applic ations,"Private Communication，(1994)では、直列のＰＩＮダイオードに基づくナノ検波構造における特別の電極を用いている。発明の概要本発明は、外部の光波と局所的（ローカル）な光波との間の結合（カップリング）のための光電子デバイスである。局所波は、複数の電極と、それらの電極に関連する構造とによって支持される。複数の電極は、実質的に規則的なパターンに離間され、２つの機能のために構成されている。第１は、電極は、外部波と局所波との間を、共振的（resonantly）に結合することである。第２は、電極によって、隣接する電極の間の電位差を許容させることである。ある実施例では、複数の電極は、第１のフィンガと第２のフィンガとを含み、平坦（プレーナ）で、金属製で、相互に指状に組み合わされた (interdigitated )電極である。また、電極は、第１のフィンガと第２のフィンガとの間の電位差を許容するように構成されている。更に、電極と関連する構造は、電極に接触する実質的にプレーナ型のシリコン基板である。局所波は、金属製の電極とシリコン基板とによって支持される表面プラズモンである。シリコンの屈折率は、電極の第１及び第２のフィンガの間の電位差を変動させることによって、変化させることができる。別の実施例では、電極は上の段落の場合と同じで金属製の電極であり、電極に関連する構造も、上述のようにシリコン基板を含む。しかし、基板は電極に接触しない。実際は、ｐ型にドープされた半導体領域は、第１のフィンガと基板との間に接点を形成し、他方で、ｎ型にドープされた半導体領域は、第２のフィンガに対して、同じ機能を実行する。局所波は、完全に内部反射で導かれる波であり、シリコンの屈折率は、従来のように変更することができる。他の実施例においては、本発明は、入射光を変調又は検波するようにも構成できる。図面の簡単な説明図１Ａは、本発明の実施例の側面断面図である。図１Ｂは、図１Ａの実施例の上方図である。図２Ａは、外部波としてのファイバの出力の図解である。図２Ｂは、外部波としてのファイバの導波モードの図解である。図３は、３層の誘電性の導波管の断面である。図４は、心理的・誘電的な導波管の断面である。図５Ａ及び図５Ｂは、共振デチューニング（detuning）を図解する、反射した信号と入射角度とを両軸にとったグラフである。図６Ａ及び図６Ｂは、金属・半導体・金属デバイスのエネルギ図である。図７Ａから図７Ｃは、非対称的なデバイスにおけるプラズモン・モード・プロファイルの図解である。図７Ｄ及び図７Ｅは、対称的なデバイスにおけるプラズモン・モード・プロファイルの図解である。図８は、本発明の別の実施例の断面図である。図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の更なる実施例の図解である。図１０は、本発明の更に別の実施例の断面図である。図１１Ａは、反射（reflective）変調器として用いられている本発明の図解である。図１１Ｂは、送信（transmissive）変調器として用いられている本発明の図解である。図１２は、検波器として用いられている本発明の図解である。好ましい実施例の記述１．導入部分本発明の好ましい実施例は、図１Ａ、１Ｂの助けにより説明され、外面波（ex ternal wave、エクスターナル・ウエーブ）の光１０は金属回折格子（グレーティング）１２に入射する。外面波１０は多くの方法により生成されることができる。例えば、もし本発明が別のソースを変調するために使用される場合には、外面波１０は別のソースにより生成され、本発明の均一の媒体を介して伝達しても良い。互換的に、光結合の場合には、波は、レンズまたはレンズ・アレイ、ミラー、回折光学的要素、またはコンピュータで生成されたホログラムなどにより本発明に導かれても良い。ファイバもまた図２Ａ、２Ｂに示されたように外面波を発生するために使用されても良い。図２Ａにおいて、外面波１０は光ファイバ１３によりグレーティング１２に導かれる。デバイスが反射波１８を変調するために使用される興味ある実施例において、同じファイバ１３が外面波１０を発生しそして反射波１８を再捕獲するために使用されても良い。図２Ｂにおいて、外面波１０はファイバ１３の被きょう導波（guided wave）でありそしてファイバ１３のクラッディングは部分的にはがれて回折格子１２がコア１３Ｂからの波１０を結合することを許容する。エクスターナル・ウエーブという用語は、これらの手段により発生された波を含むが、それらに制限されないことを意味する。この語は特に、以下に述べられる本発明の構成により案内される、ＴＩＲ被きょう導波および表面プラズモンのような導波を排除する。加えて、図１Ａは、外面波１０、グレーティング１２とこの実施例における装置の残りの部分を表す基板１４との間の特別な空間的関係に対して本発明を制限することを意味していない。例えば、図１Ａにおいて外面波１０は回折格子１２、そして基板１４に遭遇するものとして述べられている。しかしながら、基板側からアプローチする、従って、基板１４そして次にグレーティング１２に遭遇する波１０は等しく有効である。特に以下に述べられるさらに複雑な実施例に関しての他の間隔的な組み合わせは当業者には明らかであろう。回折格子１２はシリコン基板１４に組み立てられ、そして回折格子１２と基板１４の間のインターフェイスは、２つの構造に沿って伝達する表面プラズモン１６を支持することができる。表面波１０は、表面プラズモン１６と同様に、反射波１８及び屈折波２０へと回折格子１２により結合される。これらの波は単一の矢印により指示されるが、これらは例えば異なる回折順位に対応する多くの波で有り得ることが理解される。好適な実施例において、金属のグレーティング１２の各ストライプはまた電極として機能する。電極１２は、互いにかみ合わせる（インターデジテート、interdigitate）ような様式で電気的に接続され、第１および第２のフィンガー２２、２４を形成し、デバイスの電気的機能はこれらのフィンガーを介して達成され得る。例えば、電圧は隣接する電極１２を跨がって供給されても良く、または隣り合う電極間に流れる電流が検出されても良い。電極のこの配列は、光学的結合機能を維持しながらデバイスの速い電気的動作を許容する。このおよび次の実施例の多数は当業者に親しい技術を経て組み立てられることができる。このような技術は、以下にその教示が参照として含まれている、メイヤー、Ｊ．Ｗおよびロウ，Ｓ．Ｓ．，による、シリコンとガリウム砒素における集積回路用の電子材料科学(Electonic Material for Integrated and Sillicon Gallium Aresnide)，ニューヨーク；マクミラン（１９９０）およびＳｚｅＳ．Ｍ．，ＶＬＳＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ニューヨーク；マクドウーヒルブック社（１９８８）のような標準文献源に述べられている。本発明の種々の実施例を組み立てるために要求されるステップのうち、フォトリソグラフィー・ステップは、しばしば最も強調するものであろう。幾つかのアプリケーションに対しては、従来の光学的リソグラフィーが用いられ得る。しかし、或る場合には、デバイスの重要な寸法（例えば、電極１２の幅）は、電子ビーム・リソグラフィーまたはｘ線リソグラフィーのような他の型のリソグラフィーを要求するのに十分に小さいであろう。この開示の残りのために、本発明を組み立てる方法は、当業者が要求された組立てに熟達していない場合を除き簡潔さのために省略されるであろう。調節器（変調器、modulator）として動作するデバイスの好ましい実施例において、反射波１８は出力波として取られることができる。反射波１８は、例示目的のために選択される。透過波（transmitted wave）２０または極地波（ローカル波、local wave）１６はまた出力波として選択されても良い。出力波の強度は、入射波１０が各種のモード１６、１８、２０へと結合する効率を変えることにより調整され得る。電圧差２６は、２組のフィンガ２２、２４を渡って印加され、このため基板１４に電界を発生する。電圧差を変えることにより、電界そしてこのため基板１４の屈折率が変化し、この結果入力波１０と出力波１８の間の結合効率を変化させる。屈折率における変化を実効する特別の機構は次のように動作する。光はシリコン基板１４に吸収され、そして自由キャリア・プラズマ効果を経て屈折率を変化する電子ホール対を生成する。印加された電圧は、基板１４から電子ホール対を一掃するために使用され、このため電子ホール対の残りの数と結果として生じた屈折率変化の両方を変動する。印加された電界がシリコンにおける屈折率変化を達成できる方法のより詳細な議論のために、ソレフ，Ｒ，Ａおよびベネット，Ｂ，Ｒ．によるシリコンにおける電気光学的効果(Electoro-opto cal Effect)ＩＥＥＥＪ．ＱｕａｎｔｎｍＥｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃｓ，ＱＥ −２３，１２３（１９８７）を参照せよ。その教示は参照のために本文に含まれている。本発明は、また光を検出するために使用されても良い。好適な実施例において、電圧２６が、基板１４内の電界を生じるために使用される。入射光１０は電子ホール対を発生し、そしてこの効果は表面プラズモン１６への結合に起因して強調（エンハンス）される。電界の結果として、発生された電子ホール対は基板１４からグレーティング／電極１２へとスイープ（sweep）され、そして入射光の強度はフィンガー２２と２４の間を流れる電流を測定することにより決定される。上記の議論は特別の実施例を開示するものであるが、本発明はこの実施例に制限されないことが理解される。続くセクションはより詳細に本発明を議論している。特に、次のセクションは表面プラズモン１６が一つの型である、局地波（ローカル波）に関する各種の面を議論している。局地波の異なる型、局地波を支持するために要求される条件、表面波と局地波の間を結合するための要求、および非線形効果が考慮される。次のセクションは変調器としての本発明の使用に関する各種の方法を議論する。基礎的物理現象が最初に述べられ、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）および側ｐｉｎ（ＬＰＩＮ）構造に基づく特別の実施例が続く。加熱および可能な動作波長のような他の潜在的に重要な効果もまた考慮される。それから、検出器（検波器）としての本発明の使用のセクションが続く。最後の２つのセクションは本発明のいくつかの適用と参照のリストの一般的例示を示す。２．局地波（ローカル波）このセクションにおいて、異なる型の局地波とそれらを支持するための構成が最初に議論され、次に、外面波と局地波の間を結合するために使用される回折格子結合器（グレーティング・カプラ）の要求が続く。最後に、局地波の非線形効果が考慮される。２．１局部波動の類型光導波路においては、本明細書に援用するTamir,T編集の「ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ」（Berlin:Springer-Verlag,1993年）に記載されるように、光は全反射（ＴＩＲ：total-internal-reflection）や表面プラズモンにより制限された領域内で延長された距離を伝搬することができる。ＴＩＲモードを持続させる３層誘電体を図３に示す。局部波は主にフィルム２８を矢印で示すように伝搬し、局部波がフィルム内に閉じ込められるようにフィルム２８の屈折率は両方のカバー３０Ａ，３０Ｂよりの大きくなければならない。用語ＴＩＲはフィルム内を伝搬する局部波についてのレイ・トレース（ray trace）モデルに関する。このモデルでは、誘導されるモードに対応する光線は、フィルム２８とカバー３０Ａ，３０Ｂのいずれかの界面に臨界角よりも大きい角度で入射し、全反射してフィルム２８に戻される。曲線３４は低次ＴＩＲモードに対する典型的な電界を示している。ＴＩＲモードは、光ファイバ等に導波路に関連するモードで、光ファイバではファイバのコアが図３のファイバ２８に対応し、クラッドがカバー３０Ａ，３０Ｂに対応する。別のタイプの局部波は表面プラズモン・モード（又はＴＭ表面波）を利用して図４に示すように光学エネルギを伝搬させる。このモードでは、電界は金属３６と誘電体３８との間の単一界面に沿って矢印の方向に伝搬する。曲線４０は、表面プラズモンについての典型的な磁界プロフィルを例示している。表面プラズモンの属性には、磁界の高局在化及び主に金属領域の吸収作用による大きな伝搬損失がふくまれる。好適な金属には、アルミニウム、金及び銀がある。表面プラズモン・モードが存在するためには、金属及び誘電体は次の条件を満たす必要がある。Ｒｅ｛［∈_M∈_s／（∈_M＋∈_s）］^1/2｝＞Ｒｅ｛∈_s ^1/2｝（１）ここで∈_Mは金属の複素誘電率、∈_sは誘電体の複素誘電率である。図１Ａに示されるタイプの電極によって維持される表面プラズモン発振は、電極が図４の金属３６のように連続的シートではないので、少し異なった励起条件を有する。それにもかかわらず、存在条件は両方の場合とも類似している。光はまた表面エバネッセント・モードに結合され得るが、ＴＩＲ、表面プラズモン、表面エバネッセント・モード又はこれらの任意の組み合わせを本発明における利用に適している。しかし、以下に説明する好適実施例においては、局部波はＴＩＲ又は表面プラズモン・モードである。電子回路を本発明と同じサブストレートに集積することが望ましいので、使用可能な材料は、一般にはIV属系、IIIーＶ属系、IIーVI属系、特にシリコン（ケイ素）、炭化ケイ素、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ化合物を含む。実施例の多くはシリコンに関連して説明する。しかし、本発明はそれらの材料に限定されるものではなく、電気光学材料、電気光学重合体（ポリマー）、関連の有機材料、又は光屈折率材料等の材料に基づく実施例も本発明の範囲内である。2.2 導波路結合本発明においては、外部波が局部波に結合される。これを行うため、入射光ｋの波動ベクトルが局部波の伝搬波動ベクトルの実数部βと位相整合しなければならない。これは格子によって達成され、位相整合条件は次のようになる。 β＝ｋｓｉｎΘ＋２πｍＴ（２）ここで、Θは共振入力結合角、Ｔは格子間隔、ｍは局部波に結合される回折次数を表す整数である。例えば、｜ｍ｜＝１のとき格子から１次回折が結合され、｜ｍ｜＝２のとき格子から２次回折が結合される。ある応用例では、光は電極に垂直に入射することが望ましく、Θ＝０である。本発明においては、必要な格子は電極を配置することによって形成される。格子間隔は典型的には波長のオーダになるので、電極の幅も同様に波長のオーダになる。例えば、近赤外線領域では、電極幅は典型的には１ミクロンの１／１０の幾つかのオーダである。式２は格子が一定間隔の場合であるが、実際には結合デバイスは非周期的になる可能性がある。例えば、外部波の強度又は位相プロフィルが一様でない場合、電極は非平面サブストレートに配置され、又は必要な結合効率は位置によって変化し、そして電極は厳密には周期的ではない一定パターンに配置される可能性がある。導波路に入るときと出るときの結合には対称な関係が存在する。よい詳細には、格子は導波路にエネルギを結合すると同様に導波路からエネルギを取り出し、この結合度（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は１００％の効率ではない。即ち、大量の光が導波路に結合されるか導波路から出る前に、波動と格子との間に多くの相互作用が生じ得る。格子の結合効率は多くの他の要因によって決定され、例を挙げれば、格子及び導波路の幾何学的形状、入射ビームのプロフィル、材料の屈折率等である。2.3 非線形効果格子に関連して、結合度は非線形作用によりシステムの動作に与えられる影響である。本発明の関係では、主要な非線形作用は、半導体ベースの材料構造体内部の自由キャリヤ密度及び／又は温度変化による屈折率の変化と関連する。これらの効果は、Preallots,D.F.及びBrown,T.G．著「ＯｐｔｉｃａｌＬｉｍｉｔｉｎｇａｎｄＦｒｅｅ−ＣａｒｒｉｅｒＤｙｎａｍｉｃｓｉｎａＰｅｒｉｏｄｉｃＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＷａｖｅｇｕｉｄｅ」（J.Opt. Soc.Am.B.11(2),304〜312(1990)）に記載されており、その教示内容をここに援用する。非線形屈折率は次のように表される。ｎ（Ｎ_c，Ｔ）＝ｎ○＋Δｎ_NL（Ｎ_c，Ｔ）（３）ここで、ｎ○は線形屈折率、Ｎｃは自由キャリヤ密度、Ｔは温度、Δは屈折率に対する非線形的寄与である。Ｎｃ及びＴの変化は光学的吸収又はキャリヤ注入によって主にもたらされる。図３及び図４の３層及び２層導波路構造における伝搬係数βは、それぞれフィルム２８又は誘電体３８の屈折率に非常に依存する。結合構造の非線形特性が与えられると、式２の位相整合条件の正確な表現は次のようになる。 Θ（Δｎ_NL）＝ｓｉｎ^-1［β（Δｎ_NL）−２πｍ／Ｔ］（４）従って、屈折率の非線形変化によるΘの変化は位相整合条件に直接的に影響を与える。図５Ａ〜５Ｂはこのことを反射波の強度対入射角Θをプロットすることによって例示している。図５Ａは共振時に最大屈折率を得るように設計されたデバイスを例示し、図５Ｂは最小屈折率になるように設計されたデバイスを示している。共振角Θresにおいては、エネルギは外部波から局部波に結合され、各波にエネルギの再配分され、反射波の強度の変化が生じる。Θの非線形シフト係数Δ ｎの変化にほぼ比例する。共振に与えられる非線形離調の影響に加えて、非線形屈折率は導波路の結合領域における干渉の影響をももたらす。典型的には、外部電界は１点だけでは局部波に結合しない。その代わり、結合は局部波の伝搬方向の格子の比較的広い範囲（格子間隔に比較して）で生じる。従って、結合作用の空間特性が与えられると、非線形効果を考慮したときの空間依存性が存在する。これを仮定すると、非線形伝搬波動ベクトルはβ（ｚ）＝β［Δｎ_NL（ｚ）］として表され、ここでｚは局部波の伝搬方向である。従って、格子のｚ方向沿った各点において、結合光は屈折率の非線形項に依存する異なる位相関係を有する。最初の結合位相項に加えて、局部波の各空間成分は結合入射電界に対する伝搬位相項を累積する。その結果、位相差が十分大きいと、伝搬路に沿った任意の点について、伝搬局部波と結合入射電界との間の干渉の影響が生じる。導波路から結合光は、結合領域において、伝搬路に沿って高い又は低い測定屈折率に対応する強め合う干渉又は弱め合う干渉を受ける可能性がある。前述した両方の非線形結合効果（共振離調及び進行波干渉相互作用）は本発明に利用することができるが、本発明はその効果に限定されるものではない。例えば、１つの実施例は、電気光学材料を使用して電極の間を満たすことが可能である。電極間の電圧が変化すると、電気光学材料の屈折率、電極及び材料によって形成される格子の結合効率が変化する。更に、電極それ自体を透明（例えば、酸化インジウム・スズ：ｉｎｄｉｕｍｔｉｎｏｘｉｄｅ）にすることができ、それによって格子カプラは金属格子ではなく位相格子にすることができる。これらの実施例は本発明の範囲内に入ることを意図したものではあるが、好適実施例は共振離調に依存している。３．変調このセクションは、光学変調器としての本発明の動作を考える。基本的な動作が更に説明され、次いで２つの実施形態、その一つは金属−半導体−金属構造に基づくものが、他方はラテラル・ピン・ダイオードに基づくものが開示される。この説明は変調器に関連しているが、当業者はその教示が変調器に限定されないことを認識するであろう。例えば、教示は検出器として用いられる本発明にも適用し得る。３．１基本的な物理的メカニズム変調器として用いられる本発明の好適実施形態においては、出力波の変調は、隣接電極間に印加される電圧を変えることによりなされ、その結果導波構造の屈折率の変化を生じる。次いでこれは、２．３において記述したプロセスを通して外部波と局在波との結合の変化と、続いて起こる出力波の変調とをもたらす。一般に、変調の基礎となる物理的メカニズムは、屈折率の変化に依存する必要がない。デバイスの吸収係数又は複屈折は、用いられ得る２つの共通の代替的な光学的パラメータである。更に、好適実施形態においては、印加電圧が、屈折率を主にフリーキャリア・プラズマ効果を介して変化させる。本発明はこの効果に限定されず、ポッケルス効果、カー効果、フランツ・ケルディシュ効果、量子を閉じ込めるシュタルク効果及びバンド充填等幾つか挙げられるメカニズムのいずれかにより、電界を用いて材料の光学的性質を変化させ得る。シリコン基板による好適実施形態に対して、フリーキャリア・プラズマ効果が用いられる。これは、屈折率がフリーキャリアの導入により変調される電気屈折プロセスである。キャリアは、通常、電極を介しての直接電流注入か、半導体材料内のキャリアの光学的発生かのいずれかにより導入される。次いで、屈折率の変化は、キャリアと光学的フィールドとの間のプラズマ相互作用のために誘発される。このメカニズムは、シリコンを含む、直接及び間接の双方のバンドギャップ材料にとって適している。３．２ＭＳＭデバイス本発明の好適実施形態は、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）構造に依存する。図１を参照するに、電極１２が金属であり、基板１４が半導体である場合、図１はそのようなデバイスを示す。好適実施形態において、基板１４はシリコンである。透過された波２０が所望の出力波である場合、透過波２０の減衰を低減するため基板１４をシリコン膜に置換し得る。セクション２において記述したように、電極１２は外部波１０が局在波１６と結合するように離間されており、当該局在波１６はこの特有の形態において表面プラズモンであり、結合係数はセクション２．３において記述した非線形効果に従って屈折率を変化させることにより変えられる。より詳細には、式（３）に示されるように、半導体の非線形屈折率の変化は、キャリア密度と温度の双方の関数である。これらの寄与の各々は以下のように分離できる。 Δｎ_NL（Ｎ_c，Ｔ）＝Δｎ_c＋Δｎ_T （４）ここで、Δｎ_cはキャリア濃度による屈折率の変化であり、Δｎ_Tは温度による変化である。キャリア動力学をモデル化するためドルーデの理論を用いると、屈折率に対する電子的寄与が、教示がここに援用されるＢｌａｋｅｍｏｒｅ，Ｊ．Ｓ．著「ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｈｙｓｉｃｓ，２ｎｄｅｄ．（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９８５年発行）の１５７〜１６９ページに記述されているドルーデのモデルを介してモデル化され得る。従って、屈折率は以下の形式を有する。 Δｎ_c＝Ｎ_c（−８．９×１０^-22ｃｍ³）（５）実験的には、熱の寄与は次式により近似化し得ることが示された。 Δｎ_T＝（Ｔ−３００Ｋ）（２×１０^-4Ｋ^-1）（６）教示がここに援用されているＳａｕｅｒ，Ｈその他の「ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａＳｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ＳａｐｐｈｉｒｅＷａｖｅｇｕｉｄｅＤｅｖｉｃｅｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＢｉｓｔａｂｌｅＯｐｅｒａｔｉｏｎ」（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ．，５（２）１９８８年発行）の４４３〜４５１ページを参照されたい。しかしながら、好適実施形態においては、幾つかの理由から熱効果を最小にするのが望ましい。第一に、熱プロセスは、通常、電子的効果より応答時間において非常に遅い。二番目に、式（５）及び（６）は、逆の符号を持ち、双方が存在するとき互いに相殺する傾向を持つ。従って、早い効率的な光学スイッチング・システムを設計するため、温度による効果は最小にすべきである。ドルーデ理論により予測される電子的効果に集中すると、キャリア密度をＭＳＭ構造において変調し得る２つの方法がある。それらは、光学的吸収を介するキャリア注入かキャリア発生かのいずれかを含む。半導体領域の内部がオーミックであるならば、キャリア注入（即ち注入された電流）は次に記すオームの法則によりモデル化され得る。Ｊ＝σＥ，（７）ここで、Ｊは内部電流密度であり、Ｅは内部電界であり、σはキャリア濃度Ｎ_c に比例する導電率である。任意の所与の瞬間に、キャリアが半導体領域に電極間で注入され、ドルーデ理論により予測される屈折率の変化を生じる。他の方法は、キャリアを発生するため半導体の吸収性質を用いる。入射光エネルギが半導体のバンドギャップと等しいか又はそれより大きい場合、価電子帯の電子は伝導帯に転送されるのに十分なエネルギを吸収することができる。入射光の強さを変えることによるか、又は好適実施形態の場合であるように電極間に印加される電圧を変えてキャリアを半導体領域から掃き出すことによるかのいずれかにより、フリーキャリア濃度を変え得る。１つの吸収されたフォトンは１つのフリーの電子−ホール対を生成する。ＧａＡｓのような直接バンドギャップ半導体についての吸収プロセスは１ステップ・プロセスであるが、Ｓｉのような間接バンドギャップを有する半導体についてのプロセスは２ステップを要する。間接バンドギャップ材料においては、吸収されたフォトンは運動量の変化を提供しないで、第２のプロセスが励起された電子を伝導帯に転送するのに必要とされる。これは、通常、格子フォノンの放出を含む。第２の吸収ステップにより、間接バンドギャップ半導体における共鳴吸収は通常間接バンドギャップを有する半導体より非常に小さい。光吸収の方法が直接電流注入の方法より良い一つの利点は、フリーキャリアを生成するためのエネルギが入射光から来ており、デバイス自身により発生された電流から来るのではないので、光吸収性デバイスが潜在的により少ないパワーしか必要としないことである。３．２．１電子的性質キャリア濃度を変える好適な方法は、半導体−金属境界面の電子的性質を考慮することにより理解し得る。図６Ａは図１のＭＳＭデバイスの電子的状態の単純化した一次元モデルである。フィンガ２２、２４と半導体１４とは２つの境界面４２Ａ及び４２Ｂを形成する。各境界面４２Ａ、４２Ｂで、ショットキー・バリアとして知られている空乏領域が形成される。図６ＡはゼロバイアスでのＭＳＭ構造のエネルギ線図４４における状態を示す。ここで、Ｅ_cは半導体伝導帯エネルギレベルであり、Ｅ_vは半導体価電子帯エネルギレベルであり、Ｅ_fはゼロバイアスでの金属２２、２４と半導体１４の双方に対するフェルミ・エネルギレベルである。ｎドープされた半導体については、過剰のキャリアが、金属領域に金属のより低いエネルギレベルにより移動する。キャリアが空になるにつれ、領域間の電荷不平衡が、全部の電流の流れを最終的に抑制する電子的フィールドを発生させる。これは、ショットキー・バリアの基礎を形成する。該バリアが十分大きい場合で、且つ入射光がない場合には、電流の流れは、印加されたバイアス電圧が存在するときですら抑制される。従って、ショットキー・バリアは電子的にダイオードのように振る舞う。この性質は、そのバリアを光学的検出器あるいは変調器として用いることを可能にするものである。前述したように、半導体に吸収されたエネルギのあるフォトンはフリーキャリアを発生する。ゼロバイアスのＭＳＭ構造においては、発生されたフリー電子４６は、金属電極２２及び２４間の半導体領域に蓄積する傾向を持つ。これは、伝導帯の半導体−金属境界面での対称的な曲がりにより生じる。他方、発生されたホール４８は、価電子帯の曲がりにより境界面４２Ａ、４２Ｂに向けて移動する傾向を持つ。好適実施形態においては、プールされたフリーキャリアは半導体領域から掃き出され、従ってキャリア密度を変え、対応して屈折率の変化を導く。この掃き出しは、図６Ｂに示されるように、ＭＳＭ構造の金属電極２２及び２４間にバイアス２６を印加することにより達成される。ここで、Ｅ_fg及びＥ_fmはそれぞれ半導体領域及び金属領域についてのフェルミ・エネルギレベルである。図示のように、ＭＳＭ構造の１つの境界面は逆方向にバイアスされ、他方の境界面は順方向にバイアスされている。バイアス電圧は各境界面でそれぞれのフェルミ・エネルギレベルをシフトさせる。これは、導通エネルギバンドが傾くことにより電子４６が順方向にバイアスされた領域を通ってあふれることを可能にし、その結果キャリア濃度を変えることをもたらす。上述したプロセスは、光学的吸収を用いて光を変調し屈折率の変化を誘発することについてである。それはキャリア注入をカバーしていない。しかしながら、キャリア注入変調は、記述するのに概念的により単純なプロセスである。注入されたキャリアで変調するため、バイアス２６は、ショットキー・バリア電位を越えるのに十分な程大きくされる。これは、半導体領域１４を通る電流の流れを増大し、それは対応して即時のキャリア密度及び結合特性を変える。しかしながら、この変調方法は、通常、小さいショットキー・バリア接触電位を有するＭＳＭ構造に対して確保されるであろう。即ち、金属−半導体境界面４２Ａ、４２Ｂはオーミック・コンタクトであるべきである。最後の所見として、金属電極１２が２つの目的に働くことを注目すべきである。最初に、それらの金属電極１２は、それらが外部波１０を局在波１６に結合させ、且つ局在波１６を支持する構造を形成する点で光学的機能を働く。第２に、それらの金属電極１２は、ショットキー・バリア４２Ａ、４２Ｂの形成及びバイアスのバリアへの印加の点で電気的機能を働く。単一金属は双方の機能に対して理想的でないかも知れず、従って、電極１２は複合構造を有し得る。例えば、金は表面プラズモンの支持にとって好適な金属である。しかしながら、金は良好なショットキー・バリアを形成せず、一方タングステンは良好なショットキー・バリアを形成する。従って、電極１２は、バリアを形成するためシリコン１４と接触するタングステン層と、これに続いて表面プラズモン１６を支持するためタングステンと接触する金層とから成る。一般に、電極及び基礎となる構造は、更に一層複雑であり、ドープされた半導体領域、量子井戸構造、超格子構造、及びインジウム錫酸化物のような透過的な導体の使用を含む。例えば、実効キャリア密度を増大させ、フィールドにより誘発された屈折率の変化を高めるため、量子井戸及び量子細線を用い得る。３．２．２カバー材料図１のＭＳＭ構造は、高度に非対称である。本質的には、空気（一般的にはカバー層と考えられる）と、金属１２および半導体１４の層との間には、大きな屈折率の勾配（グラディエント、gradient）がある。その結果として、その構造中へのカバー結合効率は、図７Ａ−図７Ｃ（これらは、可能な３つの表面プラズモン・モードのプロフィール４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃを示している）に図示したように劣悪となる可能性がある。このＭＳＭ構造では、プラズモンが発生する２つの界面がある。一方は、半導体１４−金属１２の界面であり、他方は、空気−金属１２の界面である。この非対称構造では、それら２つの界面のプラズモン・モード間にはオーバーラップはほとんどない。この結果、それらモード間のエネルギ交換率が低くなり、また半導体１４−金属１２プラズモンへの劣悪なカバー結合となる。好適実施例において使用するスイッチング・プロセスが半導体領域１４内で生起するため、それらプラズモン・モード間のオーバーラップにおける改善によりデバイス性能の改善が生じることになる。この好適実施例においては、これは、カバーとして層５０を堆積させて構造を対称にすることにより実現する。カバー５０は、半導体層１４とほぼ等しい屈折率をもつように選ぶ。好ましい材料には、アモルファスおよび多結晶のシリコンが含まれるが、ただし、材料は、それら選択した材料に限定されるものではない。また、その他の誘電体、薄膜、並びに誘起材料も、使うことができる。これは、図７Ｄ−７Ｅに示すような埋込電極結合の構造を作る。この追加の層は、モード・プロフィール５１Ａ，５１Ｂに示すように、プラズモン・モードのオーバーラップを向上させ、その結果、半導体１４−金属１２界面に生成されるプラズモン中へのカバー結合がより良好となる。このＭＳＭ実施例においてはある１つのカバー材料の使用を例示したが、この一般的な原理は、その他の実施例にも同様に適用可能である、ということは理解されるべきである。３．２．３多層デバイス以上に、バルク半導体基板上の１つの金属電極に関して本発明を説明したが、本発明は、その構成に限定されない。１つの代替の実施例は、図８に示した３層誘電体導波構造に関している。この構造は、図３に図示したものと同様であり、多くの材料系がこの構造を製作するのに使うことができる。しかし、シリコン− オン−絶縁体（silicon-on-insulator）（ＳＯＩ）構造は、製作の容易さ、並びに使用の結果生ずるローカル波の堅固な閉じ込めのため、好ましい。このＳＯＩ構造は、異なった多くの変形例があり、これには、シリコン・オン・サファイアで、インプラントした酸素による分離のボンド／エッチバック式ＳＯＩ（ＢＥＢ −ＳＯＩ）、並びに多結晶ＳＯＩが含まれる。ＢＥＢ−ＳＯＩは、良好な導波特性をもつことが判った。エヴァンス（Evans,A.E.）とホール（Hall,D.G.）の“ ショットキー・ダイオードを使った波長λ＝１.３μｍに対するシリコン中の電気的誘起の屈折率変化の測定（Measurement of the Electrically Induced Refr active Index Change in Silicon for Wavelength λ=1.3μm Using a Schottky Diode）”ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，５６，２１２（１９９０）があり、この教示内容は、言及により本開示に含めるものとする。図８の好適実施例においては、ＴＩＲ波は、アモルファス・シリコン・カバー３０Ａ、結晶シリコン膜２８、二酸化シリコン絶縁層３０Ｂにより支持されている。金属電極１２は、結合機能および電気的機能のために使う。その全体構造は、シリコン基板５２上にある。図８の３層構造は、図１のもののようなバルク構造と比べ、利点がいくつかある。すなわち、生成されたあるいは注入されたキャリアが半導体２８の狭い領域に制限されるため、より高速のスイッチングを与える。バルクの場合、キャリアは、その発生点から遠くに広がり、その結果、テールエンド・スイッチング応答の遅れが生ずる。第２に、プラズモンとＴＩＲの導波モードの両者は、本構造内に存在し得ることである。両モードの同時励起により、より一層効率的な変調が得られる。表面プラズモンと比べ、ＴＩＲモードは、半導体層内のより深くで生起する。その結果、より多くの自由キャリアが解放されて屈折率に影響を及ぼす。加えて、本構造がその低反射率状態（オフ状態）の間に共振状態に置かれると、両モードの加算された効果により、より多くのエネルギが本構造に結合される。また、３層ＭＳＭ導波構造には、いくらかの欠点もある。本構造は、設計並びに製作の両方の点で明らかにより複雑である。また、不完全な絶縁体３０Ｂによる追加の漏れ電流の結果として、本構造の付加的な加熱が生じることがある。図９Ａ−図９Ｂの代替の多層構造においては、量子井戸ジオメトリは、有効キャリア密度を増しそして屈折率のフィールド誘起変化を増強するのに使うことができる。図９Ａでは、図８の絶縁層３０Ｂは、量子井戸構造５３Ａで置き換えている。図９Ｂでは、量子ワイヤ５３Ｂをその代わりに使用している。通常の電子吸収（normal electroabsorption）は、印加フィールドがその量子井戸を横切る向きとすることを必要とし、これは、図９Ａ−図９Ｂの実施例では非現実的である。しかし、キャリア注入に関連した有効電流密度を大きくするために、量子井戸に沿った伝導を使うことは可能である。これは、はるかに低い注入電流を生じ、ＡｌＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ系、ＳｉＧｅまたはＳｉＣのようなグループＩＶ系が、その実施例には好ましい材料系である。多層構造のその他の多くの変形例についても、当業者には明らかである。３．３ＬＰＩＮデバイス図１０には、代替の好適実施例を示す。シリコン基板５２上の結晶シリコン膜２８と埋込酸化物層３０Ｂは、図８のＳＯＩ構造と同様である。ただし、構造のその残りは、より複雑である。金属電極１２は、上部酸化物層３０Ａとそして交互の接点ｐ＋およびｎ＋ドープされた領域５４，５６で分離されており、したがってシリコン−オン−絶縁体（ＳＯＩ）構造上にラテラルで周期的な一連のＰＩＮダイオード（ＬＰＩＮ構造としても知られている）を形成している。それらドープされた領域は、堆積、拡散、またはこれら２つの組合せにより形成することができる。適度の逆バイアス電圧では、ディプレッション領域は、ｐ＋拡散領域５４とｎ＋拡散領域５６との間に完全に広がる。この設計の１つの特徴は、埋込酸化物領域３０Ｂである。この特質は、その吸収プロセスの間の深いキャリア（ deep carrier）の発生を妨げるが、これがなければ、このデバイスの帯域幅を制限してしまうことになる。ＭＳＭに対するこの設計の１つの利点は、ｎ＋−ｎとｐ＋−ｎの拡散界面に存在する高品質の接合である。そのベースとなる材料は全てシリコンであるため、それらの境界には、欠陥や転移はほとんどない。この結果、漏れはより小さくなり、また自由キャリア寿命が長くなる。この好適実施例においては、ＰＩＮダイオードは、順バイアスで動作させ、そして屈折率の変調は電流注入により実現する。ＭＳＭデバイスと同様、ＬＰＩＮの電極１２は、導波結合器（ウエーブガイド・カプラ、waveguide coupler）として作用できる。ところが、ＬＰＩＮ構造は、ディプレッション領域内の金属表面の欠如のため、光−プラズモン相互作用を用いることは困難である。一方、この構造は、３層誘電体（ＳＯＩ）の形態であるため、ＴＩＲ導波モードをその代わりに使用することができる。この構造のカバー結合効率を向上させるには、高屈折率のカバー層（cover layer）を、前述したように追加してもよい。３．４種々雑多な考察デバイスの光結合および電子的働きに加えて、述べるに値するその他の種々の考察事項がある。３．４．１熱特性式４に示したように、屈折率の変化合計は、電子的プロセスと熱プロセスの両方の和である。どのような種類の光電子式構造を設計するときにも考察すべき１つの主要な事項は、デバイス加熱の影響である。先に指摘した様に、熱的効果は、電子的プロセスに比べてはるかに遅い応答時間をもつ。その結果、支配的な物理的効果が熱性である場合、その変調スイッチング速度は、深刻なほど劣化する。また、別の問題は、熱的効果と電子的効果が逆の符号のものであること起因して存在する。屈折率変化合計がそれら２つの量の和であるため、熱性の屈折率変化は、電子性の屈折率変化を相殺する傾向がある。代表的には、熱性変化は、最小にすべきである。標準的な方法には、ヒートシンクまたはアクティブ・クーラの使用が含まれ、そしてそれでは、デバイスの熱的安定性を維持するようにフィードバック・ループを用いる。１つの加熱源は、半導体領域内の生成された電子−正孔ペアの非放射性の再結合である。光エネルギが吸収されて、電子と正孔のペアが生成されると、個々の粒子は、ローカルのフィールド分布に応じた方向に移動する。それら生成された粒子は、屈折率をその変調のために変更するか、あるいは検出のための光電流を発生するのに使用することができる。しかし、電子−正孔ペアが、それらの特性の使用の前に非放射的に再結合すると、その蓄積されたエネルギは、半導体格子に熱の形態で引き渡される。ここで注意すべきは、間接バンドギャップ半導体が、放射性の遷移を許しておらず、これは、全ての自由キャリアが非放射的に減衰しなければならないことを意味する。しかし、それらキャリアは、再結合が生じる前に、印加電界によりその相互作用領域から一掃することができ、これにより、加熱効果を低減させることができる。第２の熱源は、ジュール加熱であり、これは、半導体の電流の流れに対する抵抗から生ずる。電流がある材料中を通過するとき、非弾性の衝突が、流れる電子と格子との間に起きる。これは、その材料じゅうに熱を発生させる。ジュール加熱は、電流注入の場合とフォト発生（photo-generation）の場合の両方の場合に生じる。しかし、等価の電子的効果を仮定すると、電流注入によるジュール加熱は、それら２つの内でより顕著な方となる。自由キャリアがフォト生成されるとき、それらは、電位井戸の内側にトラップされ、電流の正味の流れはなくしたがってジュール加熱はない。電流は、フィールドをその生成領域を横切るように印加するときにのみ、流れる。したがって、フォト生成されたキャリアは、上記一掃プロセスの間により短い抵抗性経路に出会い、その結果、熱発生がより少なくなる。上記温度効果と戦う際に用いることができる１つの方法は、変調器のオン状態およびオフ状態（または高反射率状態と低反射率状態）の間の熱発生プロセスをバランスさせることである。本質的には、熱的な準定常状態を実現して、時間依存温度効果を除去することが可能とすべきである。このオン／オフ状態の間の温度をバランスさせるプロセスは、フォト生成されたキャリアを利用するＭＳＭ変調器コンセプトにも適用可能である。電流注入型の変調器とは違って、大きな密度のフォト生成キャリアは、構造内にオン状態の間存在する。我々が先に指摘したように、その生成された自由キャリアは、電流漏れに起因して非放射的に再結合し、これにより格子を加熱する。変調器のオフ状態の間は、電流は、構造中を流れて、ジュール加熱を生じさせる。したがって、再結合と電流の流れとから生成される熱の量が等しい場合、時間依存性の熱効果は最小にできる。３．４．２動作波長変調器が動作する波長領域は別の重要な考慮事項である。シリコンに基づく好適な実施の形態に対しては、光吸収は波長１．０６μｍにおいて約１１ｃｍ^-1である。室温でのこの波長において、光子のエネルギはシリコンのバンドギャップ・エネルギ（１．１２ｅＶ）にほぼ等しい。波長がこれより長くなると、吸収は急速に低下する。これより短い波長においては、吸収は急速に増大する。吸収曲線は結晶質シリコン、多結晶質シリコン及びアモルファス・シリコンに対して異なる。アモルファス・シリコン及び多結晶シリコンはについて言及する。これらの材料は構造を対称化するための被覆材料として用いられるからである。波長が短くなるにつれて吸収が増大すると、シリコンにおける自由キャリアの生成も増大する。したがって、キャリアの光生成に依存する実施の形態においては、短い波長での装置の動作は該装置の変調強度を改善する。４．検知器検知器として用いられる実施の形態は、変調器として用いられる実施の形態と同じ現象に大きく依存する。例えば、変調器は、電極間の電圧を変えることにより外部波（エクスターナル・ウエーブ、external wave）と局部波（ローカル波）との間の結合を制御する装置と考えることができる。これが達成されるのは、電圧の変更によって、半導体ウェーブガイドに生成される自由キャリアの数が影響され、このキャリア数は、電気屈折（electrorefractive）プロセスの１つを介してウェーブガイドの屈折率を変えることによって結合に影響するからである。つまり、電極の電気的状態は、光の結合に影響を与えるキャリア数に影響する。こうした連鎖の逆−−−光がキャリア数に影響し、キャリア数が電極の状態に影響する−−−は、検知プロセスを大まかに説明する。装置は外部波の局部波との結合を最大にするよう構成される。次いで、最大強度の外部波は半導体材料にキャリアを生成し、生成されたキャリアは電極によって感知される。したがって、変調器についての教示の多くは検知器にも直接に応用可能であり、ＭＳＭ及びＬＰＩＮ構造に基づくものを含む実施の形態は、検知器（検波器）として用いることができる。以下の項は、検知器として用いられるべき実施の形態と変調器として用いられるべき実施の形態との間の相違のみを強調する。４．１動作波長変調器においては、装置の吸収特性は光吸収によって生成される自由キャリアの数を決定する。しかし、吸収が弱いならば、自由キャリアは直接注入という別のプロセスによって生成される。検知の場合はこうではない。装置は該装置が入射放射を吸収する波長に制限され、吸収が強くなるほど、感度の良い検知器へ直接移行する。ここで、吸収プロセスは半導体の平衡帯（balance band）から伝導帯への遷移に制限されないことに注意すべきである。例えば、吸収は半導体の金属フェルミ・レベルから伝導帯への遷移により起こる。４．２検知のメカニズム本装置の発明は、電極構造の二重利用にある。電極は光を外部波から局部波へ光学的に結合し、次いで、この局部波の強度は電極によって電気的に感知される。この光学的な結合により、従来の非結合型の検知器に比して強められる場が生じる。この場のこの後の感知は、フォトダイオード、光導電性デバイス及び光起電力デバイスに基づく手法を含む広く使用されている光検知方法のいずれかによって達成し得る。先に説明したとおり、ＭＳＭ手法においては、二重ショットキー・バリアはキャリアのプール（pool）を形成し、電圧バイアスを印加すると、このプールから電流を生じさせる。検知器の応用においては、電圧バイアスが印加され、その結果の電流（これは外部波の強度を表す）が感知され、光学場の強度がこうして検知される。代わりに、ショットキー・バリアが低い（即ち、金属−半導体コンタクトが本質的に抵抗性である）ならば、半導体の抵抗は光学場の強度によって決定され、装置は光導電体として動作する。ＬＰＩＮ構造の場合、装置は、通常のフォトダイオードとして、光導電モード又は光起電力モードで動作する。光導電モードにおいては、ｐｉｎ接合は逆バイアスされ、外部場の強度は隣接する電極間の電流を感知することによって決定される。光起電力モードにおいては、電極間に電圧が印加されない。その代わりに、外部波によって生成されたキャリアから生じる電圧が感知され、こうして外部波の強度が指示される。５．一般的な図図１１Ａ−図１１Ｂは、変調器として用いられる本発明の一般的な図を示しており、図１２は検知器として用いられる本発明を図示している。図１１Ａにおいては、本発明は反射モードで用いられる。外部波１０は格子／電極１２に入射し、反射波１８の強度は先に開示したように変更される。検討した多くの実施の形態においては、電極１２はシリコン基板１４上にあるので、通常の回路５８も同じ基板１４上に集積される。この回路５８は、電極１２を駆動して反射波１８の強度を変更するために用いられる。変調器と回路とを製作するのに標準技術を使うので、多くの変調器又は変調器配列は単一の基板上に製作することができる。図１１Ｂは送信で用いられる装置を示している。この場合、送信波２０は変調される該当の波である。シリコンが高吸収性であるスペクトルの部分に光があるならば、シリコン１４を薄くし、又は、装置及び回路５８のためにシリコン膜を用いることが必要である。ガラスその他の透明な基板６０を用いることにより、構造的な支持が達成される。図１２においては、装置は外部波１０の強度を感知するために用いられる。この場合、波は能動的には変調されない。むしろ、外部波１０の光学場は、電極１２を介して回路５８により感知される電場を生成する。この回路も、局部平均化、エッジの検知及び背景の補正のような複雑な機能を組み込んでいる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．外部の光学波とローカル波の間を結合する光電子装置であって、実質的に規則的なパターンに間隔をとられた複数の電極であって、前記外部波と前記ローカル波の間を共振的に結合するように適合され且つ近接する電極間の電圧差を許可するように適合される、複数の電極と、前記複数の電極と関連する構造とを備え、前記構造及び前記複数の電極は前記ローカル波を支持する、装置。２．請求項１に記載の装置において、前記外部波は一様な媒体を伝搬する波を含む、装置。３．請求項２に記載の装置において、前記複数の電極は実質的に平らであり、前記外部波は前記電極に垂直に入射する、装置。４．請求項２に記載の装置において、前記複数の電極は実質的に平らであり、前記外部波は波ベクトルｋ及び入射角 θによって記述され、前記ローカル波は実数部βをもつ伝搬定数によって記述され、前記電極の間隔はｍが整数であるβ＝ｋｓｉｎθ＋２πｍ／Ｔに従って周期Ｔによって記述される、装置。５．請求項４に記載の装置において、｜ｍ｜＝１である、装置。６．請求項４に記載の装置において、｜ｍ｜＝２である、装置。７．請求項１に記載の装置において、前記ローカル波は表面プラズモン波を含む、装置。８．請求項１に記載の装置において、前記ローカル波は全内反射導波を含む、装置。９．請求項１に記載の装置において、前記ローカル波は表面減衰波を含む、装置。１０．請求項１に記載の装置において、前記外部波及び前記ローカル波は電磁スペクトルの可視部分にある、装置。１１．請求項１に記載の装置において、前記外部波及び前記ローカル波は電磁スペクトルの近赤外部分にある、装置。１２．請求項１に記載の装置において、前記外部波及び前記ローカル波は電磁スペクトルの紫外部分にある、装置。１３．請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は金属電極を含む、装置。１４．請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は第１フィンガ及び第２フィンガを含む互いにかみ合わされた電極を含み、前記電極は前記第１フィンガと前記第２フィンガの間の電圧差を許可するように適合される、装置。１５．請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は実質的に平らである、装置。１６．請求項１に記載の装置において、前記構造は変更可能な特性を有し、前記特性は近接する電極間の電圧差を変化させることによって変更され得る、装置。１７．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性は前記構造の屈折率を含む、装置。１８．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性は前記構造の複屈折係数を含む、装置。１９．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性は前記構造の吸収係数を含む、装置。２０．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性は光学的エネルギを吸収する前記構造の能力を含み、前記吸収の能力は共振エンハンスメントを基にして変更される、装置。２１．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性は自由キャリヤ・プラズマ効果を基にして変更される、装置。２２．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性はバントを満たすことを基にして変更される、装置。２３．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性は量子的に限られたシュタルク効果を基にして変更される、装置。２４．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性はフランツ・ケルディッシュ効果を基にして変更される、装置。２５．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性はカー効果を基にして変更される、装置。２６．請求項１６に記載の装置において、前記変更可能な特性はポッケルス効果を基にして変更される、装置。２７．請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は変更可能な特性を有し、前記特性は近接する電極間の電圧差を変化させることによって変更され得る、装置。２８．請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は実質的に平らであり、前記構造は前記電極に近接し且つ実質的に平行な実質的に平面の基板を含む、装置。２９．請求項２８に記載の装置において、前記基板は半導体からなる、装置。３０．請求項２９に記載の装置において、前記半導体はシリコンからなる、装置。３１．請求項２９に記載の装置において、前記半導体はIII−Ｖ系からなる、装置。３２．請求項２９に記載の装置において、前記半導体はII−VI系からなる、装置。３３．請求項２９に記載の装置において、前記半導体はＡｌＧａＡｓ化合物からなる、装置。３４．請求項２９に記載の装置において、前記半導体はＩｎＧａＡｓＰ化合物からなる、装置。３５．請求項２９に記載の装置において、前記半導体は炭化ケイ素からなる、装置。３６．請求項２９に記載の装置において、前記電極及び前記半導体はオーム接触を形成する、装置。３７．請求項２９に記載の装置において、前記電極及び前記半導体はショットキー障壁を形成する、装置。３８．請求項２８に記載の装置において、前記基板はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造からなる、装置。３９．請求項２８に記載の装置において、前記基板はグループIV系からなる、装置。４０．請求項２８に記載の装置において、前記構造は前記電極に近接し且つ実質的に平行な実質的に平面の被覆を更に備え、前記電極は前記被覆と前記基板の間に位置し、前記基板と被覆は実質的に等しい屈折率を有する、装置。４１．請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は実質的に平面であり、前記構造は前記電極に近接し且つ実質的に平行な実質的に平面のシリコン膜を備える、装置。４２．請求項１に記載の装置において、前記構造は電気光学的材質を備える、装置。４３．請求項４２に記載の装置において、前記電気光学的材質は電気光学的重合体からなる、装置。４４．請求項１に記載の装置において、前記構造は量子井戸構造を備える、装置。４５．請求項１に記載の装置において、前記構造は超格子構造を備える、装置。４６．請求項１に記載の装置において、前記ローカル波は表面プラズモンを含み、前記複数の電極は、実質的に平面の金属の互いにかみ合わされた第１フィンガ及び第２フィンガを含む電極であって、前記第１フィンガと前記第２フィンガの間の電圧差を許可するように適合される複数の電極を備え、前記構造は、変更可能な屈折率を有する実質的に平面の半導体の基板であって、前記電極に電気的に接触する基板を備え、前記基板の屈折率は前記第１フィンガと第２フィンガの間の電圧差を変化させることによって変更され得る、装置。４７．請求項１に記載の装置において、前記ローカル波は全内反射導波を含み、前記複数の電極は、実質的に平面の金属の互いにかみ合わされた第１フィンガ及び第２フィンガを含む電極であって、前記第１フィンガと前記第２フィンガの間の電圧差を許可するように適合される複数の電極を備え、前記構造はａ）前記第１フィンガに電気的に接触するｐドープされた半導体領域と、ｂ）前記第２フィンガに電気的に接触するｎドープされた半導体領域と、ｃ）変更可能な屈折率を有する実質的に平面の半導体の基板であって、前記のｎドープされた半導体領域及びｐドープされた半導体領域に電気的に接触する基板とを備え、前記基板の屈折率は前記第１フィンガと第２フィンガの間の電圧差を変化させることによって変更され得る、装置。４８．請求項４８に記載の装置において、前記基板は前記半導体の基板に近接し且つ実質的に平行な実質的に平面の絶縁層を更に備える、装置。４９．外部光学波から結果として生じた出力光学波を変調するための変調装置であって、実質的に規則的なパターンに間隔をとられた複数の電極であって、ａ）前記外部波とローカル光学波の間を共振的に結合するように、ｂ）前記外部波と前記出力波の間を共振的に結合するように、及びｃ）近接する電極間の電圧差を許可するように適合される複数の電極と、前記複数の電極と関連する構造であって、前記構造と前記複数の電極が前記ローカル波を支持し、且つ変更可能な特性を有する構造と、近接する電極間に電圧差を印加する電圧源であって、それによって前記変更可能な特性が変更され且つ前記出力波が変調される、電圧源と、を備える変調装置。５０．請求項４９に記載の変調装置において、前記出力波は前記電極から反射された波を含む、変調装置。５１．請求項４９に記載の変調装置において、前記出力波は前記電極によって透過された波を含む、変調装置。５２．外部光学波の強度を検知する光検波装置であって、実質的に規則的なパターンに間隔をとられた複数の電極であって、前記外部波とローカル光学波の間を共振的に結合するように適合され且つ近接する電極間の電圧差を許可するように適合される複数の電極と、前記複数の電極と関連する構造であって、前記構造と前記複数の電極が前記ローカル波を支持する、構造と、前記電極に接続され、電気的な量を検知するセンサと、を備える光検波装置。５３．請求項５２に記載の光検波装置において、前記センサは近接する電極間の電流を検知する、光検波装置。５４．請求項５２に記載の光検波装置において、前記センサは近接する電極間の電圧差を検知する、光検波装置。５５．請求項５２に記載の光検波装置において、前記センサは近接する電極間の電気抵抗を検知する、光検波装置。５６．外部光学波から結果として生じた出力光学波を変調するための方法であって、実質的に規則的なパターンに間隔をとられた複数の電極を提供し、前記外部波とローカル光学波の間を共振的に結合し、前記外部波と前記出力波の間を共振的に結合するステップと、前記複数の電極と関連する構造を該構造と前記複数の電極が前記ローカル波を支持するように配置するステップであって、前記構造は変更可能な特性を有する、ステップと、前記電極と前記構造を、前記外部波が前記ローカル波に結合するように、該外部波に関して配置するステップと、近接する電極間に電圧差を印加するステップとを備える方法。５７．外部光学波の強度を検知する方法であって、実質的に規則的なパターンに間隔をとられた複数の電極を提供し、前記外部波とローカル光学波の間を共振的に結合するステップと、前記電極と関連する構造を該構造と前記電極が前記ローカル波を支持するように配置するステップと、前記電極と前記構造を、前記外部波が前記ローカル波に結合するように、該外部波に関して配置するステップと、近接する電極を用いて前記外部波の強度に関連した電気的な量を検知するステップとを備える方法。