JPWO2007141956A1 - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路のうち前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする。

Description

本発明は、光通信等の光伝送媒体の一部において光を増幅する光増幅器に関する。

従来から光増幅器は、光通信のみならずオンチップ電子・光融合ＬＳＩに不可欠な素子である。このため、シリコンフォトニクスにおける最も重要な研究分野の一つである。ここで、従来の光増幅器では、励起された媒質中における誘導放出を利用することにより当該媒質中を通過する光を増幅していた。一方で、基板上に電極を備えたチャネル型半導体導光路を形成してチャネル型半導体導光路内を走行するプラズモンとチャネル型半導体導光路内を伝搬する光との相互作用により光の増幅を行う光増幅器も存在する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１５４０４７号公報

しかし、誘導放出を利用する光増幅器では、キャリアが媒質の禁制帯を遷移するときに発生する光を利用するため、特定の波長帯域に使用できるのみである。また、ｐｎ接合構造を有するため、媒質の励起に電子及び正孔のいずれのキャリアをも必要とする。一方、上記特許文献１に記載の光増幅器は、半導体導光路がチャネル型に限定されている。

上記課題を解決するため、本発明では、スラブ型半導体導光路上に設けた電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高めることとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路のうち前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする。本発明では、一対の電極の間に電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、電子又は正孔のいずれか１種類のキャリアのみで広帯域な光の増幅が可能である。また、電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高めたことで走行するプラズモンのプラズマ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。そのため、導光路の幅の広いスラブ型半導体導光路においても光の増幅をすることができる。

また、本発明に係る光増幅器では、基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、前記スラブ型半導体導光路は、前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路上に前記スラブ型半導体導光路の半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射されることを特徴とする。本発明では、一対の電極の間のスラブ型半導体導光路上に所定の光が照射されることで、光が照射されたときにのみ一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高めることができる。これにより、一対の電極の間に電圧を印加するとスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、電子又は正孔のいずれか１種類のキャリアのみで広帯域な光の増幅が可能である。さらに、光が照射されないときにはスラブ型半導体導光路を通常の導光路として機能させることができるため、他の光のオン／オフにより、スラブ型半導体導光路を通過する光に対してスイッチ動作させ又は増幅係数を制御することができ、光制御の光スイッチ又は光演算器として利用することもできる。

また、上記課題を解決するため、本発明では、スラブ型半導体導光路上にキャリア濃度の高い部分を２箇所配置し、当該キャリア濃度の高い部分においてキャリアの移動が生じるようにした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える。本発明では、一対の電極の間に電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、広帯域な光の増幅が可能である。また、スラブ型半導体導光路内にキャリア濃度の高い部分を形成したことでキャリア濃度の高い部分から走行するプラズモンのプラズマ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。さらに、キャリア濃度の高い部分が互いに異なる極性であるため、印加電圧の値によっては、キャリアの移動が生じない。そのため、光増幅器として機能するとともに、光変調器としても利用可能である。

また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路上に前記導光路内の光の伝搬経路を間に挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える。本発明では、一対の電極の間に電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、広帯域な光の増幅が可能である。また、スラブ型半導体導光路内にキャリア濃度の高い部分を形成したことでキャリア濃度の高い部分から走行するプラズモンのプラズマ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。さらに、キャリア濃度の高い部分を光の伝搬経路を間に挟むように配置したため、光の伝搬経路上での半導体の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の吸収を減少させることができる。

また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える。本発明では、一対の電極の間に電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、広帯域な光の増幅が可能である。また、スラブ型半導体導光路内にキャリア濃度の高い部分を形成したことでキャリア濃度の高い部分から走行するプラズモンのプラズマ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。さらに、キャリア濃度の高い部分を光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離して配置したため、光の移動方向とキャリアの移動方向とを一致させることができる。そのため、プラズマ共鳴を生じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。

上記光増幅器において、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることが望ましい。これにより、スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の群速度を遅くしてキャリアの速度に近付けることができる。そのため、プラズマ共鳴をより生じ易くしてスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンからスラブ型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。

また、上記光増幅器において、前記フォトニック結晶は、前記スラブ型半導体導光路のうち、前記スラブ型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の高い部分の前記スラブ型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少なくとも一部の領域を除くように前記スラブ型半導体導光路の表面に複数の穴が設けられていることが望ましい。これにより、キャリアと光波との共鳴が生じる部分に任意の長さの共振器を形成して増幅度をコントロールすることができる。

また、上記光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状であることが望ましい。これにより、スラブ型半導体導光路内を伝搬するエバネッセント波の基板への漏れ量を少なくして光の伝搬損失を小さくすることができる。また、一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内の光強度分布とキャリア濃度分布とを一致させることもでき、増幅係数を向上させることもできる。

また、上記課題を解決するため、本発明では、チャネル型半導体導光路上に設けた電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高め且つチャネル型半導体導光路自体をフォトニック結晶構造にすることとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路上で前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路のうち前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高く、且つ前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることを特徴とする。本発明では、スラブ型半導体導光路を備える光増幅器と同様に電子又は正孔のいずれか１種類のキャリアのみで広帯域で増幅係数の大きい光の増幅が可能である。また、チャネル型半導体導光路が共振特性を有するフォトニック結晶であることで、チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の群速度を遅くしてキャリアの速度に近付けることができる。そのため、チャネル型半導体導光路内を走行するプラズモンからチャネル型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができる。さらに、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子・光融合ＬＳＩとしての適用に優れる。

また、上記課題を解決するため、本発明では、チャネル型半導体導光路上にキャリア濃度の高い部分を２箇所配置し、当該キャリア濃度の高い部分においてキャリアの移動が生じるようにした。また、チャネル型半導体導光路自体をフォトニック結晶構造にすることとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶である。本発明では、スラブ型半導体導光路を備える光増幅器と同様に広帯域で増幅係数の大きい光の増幅が可能である。また、チャネル型半導体導光路が共振特性を有するフォトニック結晶であることで、チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の群速度を遅くしてキャリアの速度に近付けることができる。そのため、チャネル型半導体導光路内を走行するプラズモンからチャネル型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができる。また、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子・光融合ＬＳＩとしての適用に優れる。さらに、キャリア濃度の高い部分が互いに異なる極性であるため、印加電圧の値によっては、キャリアの移動が生じない。そのため、光増幅器として機能するとともに、光変調器としても利用可能である。

また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶である。本発明では、本願第七発明同様、チャネル型半導体導光路内を走行するプラズモンからチャネル型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができると共に、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子・光融合ＬＳＩとしての適用に優れる。さらに、キャリア濃度の高い部分を光の伝搬経路を間に挟むように配置したため、光の伝搬経路上での半導体の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の吸収を減少させることができる。

また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶である。本発明では、本願第七発明同様、チャネル型半導体導光路内を走行するプラズモンからチャネル型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができると共に、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子・光融合ＬＳＩとしての適用に優れる。さらに、キャリア濃度の高い部分を光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離して配置したため、光の移動経路とキャリアの移動経路とを一致させることができる。そのため、プラズマ共鳴を生じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。

上記光増幅器において、前記フォトニック結晶は、前記チャネル型半導体導光路のうち、前記チャネル型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の高い部分の前記チャネル型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少なくとも一部の領域を除くように前記チャネル型半導体導光路の表面に複数の穴が設けられていることが望ましい。これにより、キャリアと光波との共鳴が生じる部分に任意の長さの共振器を形成して増幅度をコントロールすることができる。

また、上記光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状であることが望ましい。これにより、チャネル型半導体導光路内を伝搬するエバネッセント波の基板への漏れ量を少なくして光の伝搬損失を小さくすることができる。また、一対の電極の間のチャネル型半導体導光路内の光強度分布とキャリア濃度分布とを一致させることもでき、増幅係数を向上させることもできる。

本発明に係る光増幅器は、電子又は正孔のいずれか１種類のキャリアのみにより光を増幅することが可能で、且つ広帯域な光に対して増幅係数を大きくすることができる。

一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 フォトニック結晶であるスラブ型半導体導光路を示した概略構成図である。 フォトニック結晶であるスラブ型半導体導光路を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比ｖ／ｃを変化させたときのプラズマ周波数ｗと伝搬定数ｋとの関係をシミュレーションした図である。 一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を変えたときにスラブ型半導体導光路内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係をシミュレーションした図である。 スラブ型半導体導光路の厚さｄを変えたときにスラブ型半導体導光路内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係をシミュレーションした図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。 一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。

符号の説明

図面において使用されている符号は、以下の通りである。
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，４０，４１，４２：光増幅器、２１：基板、２２：スラブ型半導体導光路、２３ａ，２３ｂ：電極、２４：穴、２５：光照射部、２６：チャネル型半導体導光路、２７：ゲート電極、２８：共振器、３１：ＳｉＯ_２基板、３２：バッファ層、３３：シリコン基板、３４，３４ａ，３４ｂ：キャリア濃度の高い部分、３５ａ，３５ｂ：金属線、３６ａ，３６ｂ：ワイヤボンディング、５１，５２：光、５３：キャリア

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。また、本明細書及び図面において、符号が同一の構成要素は相互に同一のものを示すものとする。

（第一実施形態）
図１及び図２に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。

図１及び図２の光増幅器１０，１１は、基板２１と、基板２１上に形成されたスラブ型半導体導光路２２と、スラブ型半導体導光路２２上に形成された一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。

基板２１は、後述するスラブ型半導体導光路２２を支持するために設けられている。本実施形態では、基板２１としてシリコン基板が適用される。また、図２に示すように、基板２１の一部にＳｉＯ_２基板３１を適用した場合、ＳｉＯ_２基板３１上にスラブ型半導体導光路２２としての半導体を積層する際に、ＳｉＯ_２基板３１とスラブ型半導体導光路２２との間に適当なバッファ層３２（例えば、シリコン層）を設けてもよい。この場合、当該バッファ層３２を含めて基板２１とされる。

スラブ型半導体導光路２２は、基板２１上に形成され所定の波長の光を伝搬させる。本実施形態において１０．６μｍ帯域の光を増幅することを想定すると、スラブ型半導体導光路２２は、例えば、ゲルマニウム半導体が適用される。スラブ型半導体導光路２２内における増幅対象となる光は、１０．６μｍ帯域の光に限らず、例えば、１μｍ帯域の光でも適用可能であるし、他の波長帯域の光であっても適用可能である。基板となる材料及びスラブ型半導体導光路２２となる半導体材料は、増幅対象となる光の波長に応じて決定できる。基板２１は、絶縁材料であってもよい。

ここで、表１にスラブ型半導体導光路となる材料と基板となる材料の組み合せの一例を示す。

但し、表１中に複数の材料が記載されている場合は、いずれかの材料を選択可能であることを意味する。また、「Ａｉｒ」は、図２のように基板を中空形状とした場合に、スラブ型半導体導光路のうち一対の電極間の部分の下部分が「空気」であることを意味する。

スラブ型半導体導光路２２としての半導体は、例えば、レーザアブレーションやスパッタリング等の通常の技術を用いて半導体材料を基板２１上に積層することで形成することができる。また、化学気相成長法等の蒸着方法により基板２１上に成膜することもできる。

スラブ型半導体導光路２２として積層される半導体は、後述する一対の電極２３ａ，２３ｂの間の部分を除けばｐ型、ｎ型又は真性のいずれであってもよい。また、本実施形態では、スラブ型半導体導光路２２の厚さｄは、１〜２μｍである。これにより、単一モードの光をスラブ型半導体導光路２２内に保持して伝搬させることができる。さらに、スラブ型半導体導光路２２は、後述する一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内のキャリア濃度が他の部分のキャリア濃度よりも高い。キャリアは、電子又は正孔のいずれを適用としてもよいが、半導体の極性に応じて決定することができる。キャリア濃度は、スラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光の周波数と同程度のプラズマ周波数との関係によって定められる。キャリアは、例えば、イオン注入によりスラブ型半導体導光路２２としての半導体にドープされる。ここで、光増幅器１０，１１は、スラブ型半導体導光路２２に光５１を入力する不図示の光入力手段を備えると外部から光増幅器１０，１１に向かって伝搬する光５１との接続をよくすることができる。なお、この光入力手段（不図示）は、通常の技術手段を用いている。

一対の電極２３ａ，２３ｂは、スラブ型半導体導光路２２上でスラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられる。図１では、一対の電極２３ａ，２３ｂは光の伝搬方向に対して略垂直に設けられているが、電極２３ａ，２３ｂは、電極２３ａ，２３ｂの間に電圧を印加したときに光の伝搬方向と同一方向にキャリアが走行するように配置するとよい。電極２３ａ，２３ｂの極性は、電極２３ａ，２３ｂの間に電圧を印加したときに光の伝搬方向と同一方向にキャリアが走行するように決定される。また、本実施形態では、一対の電極２３ａ，２３ｂの間の幅は、１００μｍである。この幅は、定在波が存在できればよい。一対の電極２３ａ，２３ｂは、例えば、スパッタリング等の通常の技術によりスラブ型半導体導光路２２上に蒸着することで形成することができる。ここで、スラブ型半導体導光路２２内に光が伝搬しているときに一対の電極２３ａ，２３ｂの間に電圧が印加されると、高濃度のキャリアが光の伝搬方向と同一方向に走行し、プラズマ周波数で振動するプラズモンが生じる。スラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光のうちＴＭモードの光は、光の伝搬方向に電界成分を有するため、走行するプラズモンと結合する。そうすると、光増幅器１０，１１では、ＴＭモードの光の群速度がプラズモンの走行速度に近付きプラズモンとの相互作用によりプラズモンからエネルギーを授受してＴＭモードの光を増幅することができる。本実施形態では、単一モードの中赤外光を適用しているため、ＴＭ０モードの中赤外光を増幅することができる。

図７に、プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比ｖ／ｃを変化させたときのプラズマ周波数ｗと伝搬定数ｋとの関係を示す。図７は、シミュレーション結果である。図７のグラフのうち、実線は、速度比ｖ／ｃが０．０１のときの伝搬定数の実数部の曲線を示し、一点鎖線は、速度比ｖ／ｃが０．００５のときの伝搬定数の実数部の曲線を示し、点線は、速度比ｖ／ｃが０．００２のときの伝搬定数の実数部の曲線を示し、二点鎖線は、伝搬定数の虚数部の曲線を示している。また、図７では、プラズマ周波数をπ／ｄ（但し、ｄはスラブ型半導体導光路２２の厚さである。）により正規化したものを示している。

図７に示すように、プラズモンの走行速度と光の群速度とが互いに近づくにつれ、伝搬定数の実数部の値が大きくなることが分かる。なお、伝搬定数の虚数部の値は、増幅係数を意味し、速度比ｖ／ｃと無関係な値をとることが分かる。図７の場合、増幅係数は、約５×１０^４ｃｍ^−１に相当する。ここで、伝搬定数の実数部の最大値の値が大きくなることは、増幅される波長帯域が広がることを意味する。例えば、速度比ｖ／ｃを０．００２から０．０１に変化させた場合、伝搬定数の実数部の値は、０．６％から３％へと増加することが分かる。つまり、プラズモンの走行速度を上げるか、光の群速度を下げることにより広帯域な光の増幅を得られることが分かる。そのため、本実施形態では、図１のスラブ型半導体導光路２２は、スラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることが望ましい。

図３及び図４に、フォトニック結晶であるスラブ型半導体導光路の概略構成図を示す。図３及び図４は、それぞれ図１の光増幅器の上面図を示している。

フォトニック結晶は、スラブ型半導体導光路２２の上面に円状の穴２４を配列して、穴２４の空いた部分とそうでない部分とに屈折率の差を設けることで実現できる。図３では、一対の電極２３ａ，２３ｂの間を挟んで両側に等間隔の４列の穴２４を設けている。一方、図４では、スラブ型半導体導光路２２に沿ってスラブ型半導体導光路２２の両側に等間隔の２列の穴２４を設けている。穴２４は、例えば、スラブ型半導体導光路２２である半導体を積層した後に、ドライエッチングによりエッチングして形成することができる。図３及び図４では、共に、穴２４の間隔Ｄは、スラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光５１のスラブ型半導体導光路２２内での波長をλとしてλ／（４ｎ）（但し、ｎは自然数とする。）に設定される。フォトニック結晶の共振特性は、スラブ型半導体導光路２２となる半導体の材料の屈折率に応じて変わりうるため、上記間隔Ｄは、スラブ型半導体導光路２２となる半導体の材料に応じて適宜定められる。このように、スラブ型半導体導光路２２が共振特性を有するフォトニック結晶であることで、フォトニック禁止帯構造に光の一部を閉じ込めて、スラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光５１の群速度を遅くすることができる。これにより、光５１の群速度をキャリアの速度に近付けることができ、プラズマ共鳴をより生じ易くすることができる。そのため、スラブ型半導体導光路２２内を走行するプラズモンからスラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光５１へのエネルギーの移動を促進して光に対する増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。

また、増幅係数を向上させるためには、基板２１は、図２に示すように、少なくとも一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２の下部分の厚さを薄くするように中空形状とすることが望ましい。図２では、基板２１をブリッジ状に形成しているが、一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２の下部分の厚さを薄くできれば、基板２１の中心部分をくり抜いたような中空形状としてもよい。基板２１は、例えば、ドライエッチング等の通常の技術を用いてエッチングすることで中空形状に形成することができる。このようにして一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２の下部分の基板２１の厚さを薄くすると、スラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光のうち基板２１に漏れるエバネッセント波の漏れ量を少なくして光の伝搬損失を小さくすることができる。また、一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内のキャリアがイオン注入によりドープされた場合には、一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内の光強度分布とキャリア濃度分布とを一致させることもでき、増幅係数を向上させることもできる。

以上説明したように、図１及び図２の光増幅器１０，１１では、一対の電極２３ａ，２３ｂの間に電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路２２内を伝搬する光と一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、電子又は正孔のいずれか１種類のキャリアのみで広帯域な光の増幅が可能である。また、一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内のキャリア濃度を高めたことで走行するプラズモンのプラズマ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。そのため、光路の幅の広いスラブ型半導体導光路２２においても光を増幅することができる。また、材料種の制限がなく、ＣＭＯＳ技術体系に用いられている材料系を用い、シリコン基板上に光増幅器を実現できる。さらに、光増幅器１０，１１は、スラブ型半導体導光路２２のうち一対の電極２３ａ，２３ｂの間のキャリア濃度の高い部分のみでの光の増幅が可能であるため、バイオセンサ等などに用いられる中赤外分光装置、通信用ＤＷＤＭシステム等でマルチチャンネル或いは連続スペクトル信号を用いるデバイスとしてチップ化することができ、超小型・低価格・低パワーの効果を有することができる。さらに、プラズモンの走行の向きに伝搬する光のみが増幅され、逆行する光は自由キャリアによる吸収を受けるため、光通信や光信号処理のアイソレータとしても機能することもできる。そのため、光増幅器１０，１１では、ファラデー素子を別途必要とすることなくチップ集積が可能となる。従来のアイソレータでは、導光路に対して磁界を印加して偏波面の回転（ファラデー回転）を生じさせるため、別途磁性体を備えたファラデー素子が必要でありチップ集積が困難であった。

ここで、図８に、一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を変えたときにスラブ型半導体導光路内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係を示す。図８は、図１の光増幅器１０に対するシミュレーション結果である。図８のグラフのうち、実線は、キャリア密度が１×１０^１９ｃｍ^−３のときの増幅曲線を示し、点線は、キャリア密度が６×１０^１８ｃｍ^−３のときの増幅曲線を示し、一点鎖線は、キャリア密度が４×１０^１８ｃｍ^−３のときの増幅曲線を示す。図８では、図１のスラブ型半導体導光路２２の厚さｄを１．３４μｍに固定している。図８に示すように、キャリア濃度を高くするほどに増幅係数の最大値に対応する波長は、低くなることが分かる。そして、キャリア密度が１×１０^１９ｃｍ^−３のときには、５μｍ〜１０．６μｍの波長範囲で常に１×１０^３ｃｍ^−１の増幅係数を確保でき、図１の光増幅器１０は、広帯域の波長の光に対して増幅が可能であることが分かる。

また、図９に、スラブ型半導体導光路の厚さを変えたときにスラブ型半導体導光路内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係を示す。図９は、図１の光増幅器１０に対するシミュレーション結果である。図９のグラフのうち、実線は、厚さｄが１．３４μｍのときの増幅曲線を示し、一点鎖線は、厚さｄが１．６μｍのときの増幅曲線を示し、点線は、厚さｄが２．０μｍのときの増幅曲線を示している。図９に示すように、図１のスラブ型半導体導光路２２の厚さｄを厚くするほどに増幅曲線の裾野が長波長側に伸びていくことが分かる。また、スラブ型半導体導光路２２の厚さｄに関わらず、略同様の形状の増幅曲線が得られる。そして、スラブ型半導体導光路２２の厚さｄを２．０μｍとしたときには、１５μｍの波長まで常に１×１０^３ｃｍ^−１の増幅係数を確保でき、図１の光増幅器１０は、広帯域の波長の光に対して増幅が可能であることが分かる。

（第二実施形態）
図５に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図５の光増幅器１２では、一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内にはキャリアは予め注入されない。キャリアが注入されない他は、図１で説明したスラブ型半導体導光路２２と同一である。光増幅器１２は、キャリアが予め注入されないことの代替として当該部分にスラブ型半導体導光路２２の半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光照射部２５を備えている。このように、一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２上に所定の光が照射されることで、光が照射されたときにのみ一対の電極２３ａ，２３ｂの間のスラブ型半導体導光路２２内のキャリア濃度を高めることができる。これにより、一対の電極２３ａ，２３ｂの間に電圧を印加すると光の増幅が可能なことに加え、光が照射されないときにはスラブ型半導体導光路２２を通常の導光路として機能させることができる。そのため、光照射部２５からの光をオン／オフさせることにより、スラブ型半導体導光路２２を通過する光に対してスイッチ動作させ又は増幅係数を制御することができ、光制御の光スイッチ又は光演算器として利用することもできる。

上記の他、図５の光増幅器１２は、スラブ型半導体導光路２２をフォトニック結晶とすること、又は／及び基板２１を中空形状とすることも可能で、第一実施形態で説明した効果と同一の効果を得ることができる。

（第三実施形態）
図６に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図６の光増幅器１３は、半導体導光路がチャネル型である点のみが図１の光増幅器１０と異なっている。つまり、チャネル型半導体導光路２６は、図１で説明したスラブ型半導体導光路２２と同一の材料でチャネル構造に形成される。また、図６の光増幅器１３では、チャネル型半導体導光路２６が共振特性を有するフォトニック結晶である。チャネル型半導体導光路２６上に設けられた穴２４の間隔は、第一実施形態で説明したものと同様、チャネル型半導体導光路２６内を伝搬する光の波長をλとしてλ／（４ｎ）（但し、ｎは自然数とする。）に設定される。フォトニック結晶の共振特性は、チャネル型半導体導光路２６となる半導体の屈折率によっても変わりうるため、上記ｎの値は、チャネル型半導体導光路２６となる半導体の屈折率に応じて適宜定められる。

図６の光増幅器１３は、図１で説明したスラブ型半導体導光路２２を備える光増幅器１０と同様に電子又は正孔のいずれか１種類のキャリアのみで広帯域な光に対して増幅係数の大きい増幅が可能である。また、チャネル型半導体導光路２６が共振特性を有するフォトニック結晶であることで、図１のスラブ型半導体導光路２２を備える光増幅器１０と同様にチャネル型半導体導光路２６内を走行するプラズモンからチャネル型半導体導光路２６内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができる。さらに、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器１３自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子・光融合ＬＳＩとしての適用に優れる。

上記の他、図６の光増幅器１３は、基板２１を中空形状とすることも可能で、第一実施形態で説明した効果と同一の効果を得ることができる。また、チャネル型半導体導光路２６となる材料と基板２１となる材料は、それぞれ表１に記載した半導体導光路となる材料と基板となる材料との組み合わせが適用可能である。

（第四実施形態）
図１０及び図１１に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１０及び図１１の光増幅器１４，１５は、基板２１と、基板２１上に形成されたスラブ型半導体導光路２２と、スラブ型半導体導光路２２に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。

本実施形態では、基板２１はＳｉＯ_２基板であり、他のシリコン基板３３上に形成されている。また、基板２１は、図２の光増幅器１１のようなブリッジ形状ではなく、スラブ型半導体導光路２２の光の伝搬経路に沿って全体を中空形状としている。これにより、スラブ型半導体導光路２２内に伝搬する光のパワーのうち約０．０４％だけがシリコン基板３３に入るだけで極めてよい光の閉じ込め効果を得ることができる。

本実施形態では、スラブ型半導体導光路２２は、シリコンからなる。スラブ半導体導光路２２として積層される半導体は、後述するキャリア濃度の高い部分３４を除けば、ｐ型、ｎ型又は真性のいずれであってもよい。また、本実施形態では、スラブ型半導体導光路２２は、厚さｄが１．５μｍであり、単一モードの光をスラブ型半導体導光路２２内に保持して伝搬させることができる。

また、スラブ型半導体導光路２２は、スラブ型半導体導光路２２内の光５２の伝搬経路上の一部に光５２の伝搬方向に沿ってキャリア濃度の高い部分３４を有している。本実施形態では、イオン注入によりドープされたキャリアによりｎ型の半導体のキャリア濃度の高い部分３４が形成されている。また、スラブ型半導体導光路２２は、スラブ型半導体導光路２２の表面に穴２４が設けられフォトニック結晶となっている。この穴２４は、光５２のスラブ型半導体導光路２２内の伝搬経路とキャリア濃度の高い部分３４におけるキャリアの移動経路とが共通する部分の一部の領域を除くように設けられている。本実施形態では、穴２４は、キャリア濃度の高い部分３４の一部の領域を除くように設けられている。本実施形態では、穴２４は、半径ｒ＝０．７８μｍでスラブ型半導体導光路２２の表面にａ＝３．１２μｍの周期で設けられている。

ここで、スラブ型半導体導光路２２内の光５２の伝搬経路とは、スラブ型半導体導光路２２内で光５２が伝搬するときの予測される光５２の道筋をいう。図１０及び図１１では、光５１の直進性を考慮すれば、光増幅器１４，１５に結合される光５１は、スラブ型半導体導光路２２内で光５２として図面左から右に向かって直進すると予測され、その道筋が光５２の伝搬経路となる。また、キャリア濃度の高い部分３４におけるキャリア５３の移動経路とは、キャリア濃度の高い部分３４に電圧を印加したときに予測されるキャリア５３の道筋をいう。図１０及び図１１では、電極２３ａに正のポテンシャルの電圧を印加すると、キャリア濃度の高い部分３４では、電極２３ａの側から電極２３ｂの側に向かってキャリアが直進すると予測され、その道筋がキャリア５３の移動経路となる。また、スラブ型半導体導光路２２内の光５２の伝搬経路とキャリア濃度の高い部分３４におけるキャリア５３の移動経路との共通する部分とは、光５２の伝搬経路とキャリア５３の移動経路とが平行となる部分、または、光５２の伝搬経路とキャリア５３の移動経路とが交差する部分をいう。本実施形態では、図１０及び図１１に示すように、光５２の伝搬経路とキャリア５３の移動経路とがキャリア濃度の高い部分３４で平行となっており、当該部分が各経路の共通する部分である。また、後述の図１３に示す光増幅器１７では、光５２の伝搬経路とキャリア５３の移動経路とがキャリア濃度の高い部分３４で交差しており、当該部分が各経路の共通する部分である。

また、光５１の伝搬方向に沿って３つの穴２４が開いており、キャリア濃度の高い部分３４に長さ９．３６μｍの共振器２８が形成されている。これにより、共振波長１０．６μｍの共振器２８を形成することができる。ＴＭモードの光５２は、共振器２８の部分の両側に光５２の伝搬方向に沿って一列の３つの穴２４が開いたフォトニック結晶の導光路から結合する。光増幅器１４における増幅効果は共振器２８の長さによって決められるため、共振器２８の長さは穴の数や配置間隔を変えると簡単に調整できる。図１０及び図１１に示すように奇数の穴（図では３つの穴２４）を空けると、穴２４の数によらず共振器２８の共振波長は略変わらないため、これを利用して、増幅係数をコントロールすることができる。

一対の電極２３ａ，２３ｂは、スラブ型半導体導光路２２のキャリア濃度の高い部分３４に電圧を印加できれば、いずれの位置に設けてもよい。図１０及び図１１では、一対の電極２３ａ，２３ｂは光の伝搬方向に対して斜めに設けられているが、電極２３ａ，２３ｂは、電極２３ａ，２３ｂの間に電圧を印加したときに光の伝搬方向と同一方向にキャリアが走行するように配置するとよい。図１０では、電極２３ａ，２３ｂとキャリア濃度の高い部分３４との接続は、電極の一部としての金属線３５ａ，３５ｂによりされている。一方、図１１のように、電極２３ａから電極２３ｂにかけてキャリア濃度の高い部分３４を形成することもできる。

本実施形態の光増幅器１４，１５によれば、バンドギャップを９．９μｍ〜１１．６μｍの範囲で出現させることができる。また、共振波長１０．６μｍで、Ｑが１３０００、透過率が５５％の共振器２８を得ることができる。そして、プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比ｖ／ｃの値を０．０１以上にして十分な増幅効果を得ることができる。自由キャリアの吸収も含めて、１４ｄＢの増幅効果ができるのがわかった。また、ｖ／ｃの増加とともに稼動できるキャリア濃度の範囲も拡大するため、デバイスの製造を容易にすることができる。

ここで、光増幅器１４の製造方法について説明する。

まず、シリコン基板３３上にＳｉＯ_２基板２１が形成されたＳＯＩ基板上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、後にスラブ型半導体導光路２２となるシリコン層を１．５μｍの厚さまでエピ成長させる。次に、当該シリコン層上にレジスト膜（不図示）を形成し、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）を照射して、フォトニック結晶のパタン、具体的には、穴２４のパタンを描画する。次に、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いて、パタンされたフォトニック結晶の穴２４の部分をドライエッチングする。

次に、共振器２８の部分を除いて、他の部分の上にレジスト膜を形成する。次に、共振器２８の部分にイオン注入し、キャリア濃度の高い部分３４を得る。レジストを除去した後、キャリア濃度の高い部分３４のドナー不純物を活性化アニールする。

次に、活性化アニールしたサンプルをフッ酸の溶液に入れ、時間をコントロールしてフォトニック結晶の下部のＳｉＯ_２基板２１をエッチングして、基板２１を図１０及び図１１に示すように中空形状にする。最後に、スパッタリングによって電極２３ａ，２３ｂを形成するとともに、本実施形態では共振器２８の部分の両側に金属線３５ａ，３５ｂを形成して光増幅器１４が完成する。

（第五実施形態）
図１２に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１２の光増幅器１６は、基板２１と、基板２１上に形成されたスラブ型半導体導光路２２と、スラブ型半導体導光路２２に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂの構成が異なる他は、第四実施形態で説明した光増幅器１４，１５と同一である。

本実施形態では、スラブ型半導体導光路２２は、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂがスラブ型半導体導光路２２内の光の伝搬方向に前後して互いに隣接して形成されている。本実施形態では、光５１の伝搬方向に沿って順にｐ型、ｎ型の半導体のキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを有している。図１２に示すように、共振器２８の部分にＰＮジャンクションを形成して、一対の電極２３ａ，２３ｂに、負の電圧ポテンシャルを印加すると、電流が流れ、第四実施形態の光増幅器１４，１５（図１０，図１１を参照。）と同様、プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比ｖ／ｃを増大させて光を増幅することができる。一方、正の電圧ポテンシャルを印加すると、電流は流れず光の吸収のみが生じる。これにより、光増幅器１６は、光増幅と光変調との両機能を持つことができる。光増幅器１６の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器１４（図１０を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器１６の場合には、第四実施形態で説明した光増幅器１４の金属線３５ａ，３５ｂを形成する手順は必要がない。

（第六実施形態）
図１３に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１３の光増幅器１７は、基板２１と、基板２１上に形成されたスラブ型半導体導光路２２と、スラブ型半導体導光路２２に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４の構成が異なる他は、第四実施形態で説明した光増幅器１４，１５と同一である。

本実施形態では、スラブ型半導体導光路２２は、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂがスラブ型半導体導光路２２内の光の伝搬経路を間に挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されている。本実施形態では、ｎ型の半導体の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを有している。図１３に示すように、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを光の伝搬経路を間に挟むように配置して、ゲート電極２７を設けることで、スラブ型半導体導光路２２にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタを形成することができる。これにより、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂに電圧を印加して、ゲート電極２７に印加する電圧を制御すると、電極２３ａから電極２３ｂに向かって電流が流れ、第四実施形態の光増幅器１４，１５（図１０，図１１を参照。）と同様プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比ｖ／ｃを増大させて光の増幅が可能となると共に増幅度を制御することができる。また、光増幅器１７では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを光の伝搬経路を間に挟むように配置したため、光の伝搬経路上での半導体の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の吸収を減少させることができる。光増幅器１７の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器１４（図１０を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器１７の場合には、第四実施形態で説明した電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の時に、さらにゲート電極２７を形成する。また、第四実施形態で説明した光増幅器１４の金属線３５ａ，３５ｂを形成する手順は必要がない。

（第七実施形態）
図１４に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１４の光増幅器１８は、基板２１と、基板２１上に形成されたスラブ型半導体導光路２２と、スラブ型半導体導光路２２に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４の構成が異なる他は、第四実施形態で説明した光増幅器１４，１５と同一である。

本実施形態では、スラブ型半導体導光路２２は、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂがスラブ型半導体導光路２２内の光の伝搬方向に沿って光の伝搬方向に前後して離れて形成されている。本実施形態では、ｎ型の半導体の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを有している。図１４に示すように、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを光の伝搬方向に沿って前後に離して配置して、ゲート電極２７を設けることで、スラブ型半導体導光路２２にＭＯＳトランジスタを形成することができる。これにより、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂに電圧を印加して、ゲート電極２７に印加する電圧を制御すると、電極２３ａから電極２３ｂに向かって電流が流れ、第四実施形態の光増幅器１４，１５（図１０，図１１を参照。）と同様、プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比ｖ／ｃを増大させて光の増幅が可能となると共に増幅度を制御することができる。また、光増幅器１８では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを光５２の伝搬経路上に光５２の伝搬方向に沿って前後して離して配置したため、光５２の移動方向とキャリアの移動方向とを一致させることができる。そのため、プラズマ共鳴を生じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。光増幅器１８の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器１４（図１０を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器１８の場合には、第四実施形態で説明した電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の時に、さらにゲート電極２７を形成する。また、第四実施形態で説明した光増幅器１４の金属線３５ａ，３５ｂを形成する手順は必要がない。

（第八実施形態）
図１５に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１、図６及び図１２で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１５の光増幅器４０は、基板２１と、基板２１上に形成されたチャネル型半導体導光路２６と、チャネル型半導体導光路２６に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。本実施形態では、主として半導体導光路がチャネル型である点が図１２の光増幅器１６と異なっている。基板２１は、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂの下の部分を中空形状とすべく、基板２１をブリッジ形状としている。なお、図１２に示す中空形状は、前述同様に、例えばドライエッチング等の通常の技術を用いてエッチングすることで実現可能である。

本実施形態では、チャネル型半導体導光路２６は、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂがチャネル型半導体導光路２６内の光５２の伝搬経路上に光５２の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されている。キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂの構成は、図１２の光増幅器１６と同様で、光５１の伝搬方向に沿って順にｐ型、ｎ型の半導体のキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを有している。キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂは、ワイヤボンディング３６ａ，３６ｂにより電極２３ａ，２３ｂと接続されている。また、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂは、フォトニック結晶の共振器２８の部分にＰＮジャンクションを形成している。これにより、図１２の光増幅器１６と同様に、光増幅器４０は、光増幅と光変調との両機能を持つことができる。光増幅器４０の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器１４（図１０を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器４０の場合には、第四実施形態で説明した光増幅器１４の金属線３５ａ，３５ｂを形成する手順はなく、別途ワイヤボンディング３６ａ，３６ｂを接続する手順が電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の後に必要となる。

（第九実施形態）
図１６に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１、図６、図１３及び図１５で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１６の光増幅器４１は、基板２１と、基板２１上に形成されたチャネル型半導体導光路２６と、チャネル型半導体導光路２６に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。本実施形態では、主として半導体導光路がチャネル型である点が図１３の光増幅器１７と異なっている。また、本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４の構成が異なる他は、第八実施形態で説明した光増幅器４０（図１５を参照。）と同一である。

本実施形態では、チャネル型半導体導光路２６は、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂがチャネル型半導体導光路２６内の光の伝搬経路を間に挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されている。キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂの構成は、図１３の光増幅器１７と同様で、ｎ型の半導体の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを有している。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂは、図１６に示すように共振器２８の外側に配置することが好ましい。共振器２８上に配置すると導波する光が吸収されやすくなるからである。光増幅器４１では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを光の伝搬経路を間に挟むように配置したため、図１３の光増幅器１７と同様に、ゲート電極２７に印加する電圧を制御して光の増幅度を制御することができ、また、光の伝搬経路上での半導体の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の吸収を減少させることができる。光増幅器４１の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器１４（図１０を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器４１の場合には、第四実施形態で説明した電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の時に、さらにゲート電極２７を形成する。また、第四実施形態で説明した光増幅器１４の金属線３５ａ，３５ｂを形成する手順はなく、別途ワイヤボンディング３６ａ，３６ｂを接続する手順が電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の後に必要となる。

（第十実施形態）
図１７に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図１、図６、図１４及び図１５で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略する。

図１７の光増幅器４２は、基板２１と、基板２１上に形成されたチャネル型半導体導光路２６と、チャネル型半導体導光路２６に電圧を印加する一対の電極２３ａ，２３ｂと、を備える。本実施形態では、主として半導体導光路がチャネル型である点が図１４の光増幅器１８と異なっている。また、本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂの構成が異なる他は、第八実施形態で説明した光増幅器４０（図１５を参照。）と同一である。

本実施形態では、チャネル型半導体導光路２６は、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂがチャネル型半導体導光路２６内の光５２の伝搬経路上に光５２の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されている。キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂの構成は、図１４の光増幅器１８と同様で、ｎ型の半導体の２つのキャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを有している。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂは、前述の第九実施形態で説明した光増幅器４１（図１６を参照。）と同様、共振器２８の外側に配置することが好ましい。光増幅器４２では、キャリア濃度の高い部分３４ａ，３４ｂを光の伝搬方向に沿って前後して離して配置したため、図１４の光増幅器１８と同様に、ゲート電極２７に印加する電圧を制御して光の増幅度を制御することができ、また、プラズマ共鳴を生じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。光増幅器４２の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器１４（図１０を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器４２の場合には、第四実施形態で説明した電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の時に、さらにゲート電極２７を形成する。また、第四実施形態で説明した光増幅器１４の金属線３５ａ，３５ｂを形成する手順はなく、別途ワイヤボンディング３６ａ，３６ｂを接続する手順が電極２３ａ，２３ｂを形成する手順の後に必要となる。

本発明の光増幅器は、光通信に用いられる光伝送媒体やバイオセンサ等の一部に適用することができる。

Claims (14)

1. 基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、
   前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路のうち前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする光増幅器。
2. 基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、
   前記スラブ型半導体導光路は、前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路上に前記スラブ型半導体導光路の半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーの光が照射されることを特徴とする光増幅器。
3. 基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える光増幅器。
4. 基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路上に前記導光路内の光の伝搬経路を間に挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える光増幅器。
5. 基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える光増幅器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の光増幅器において、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることを特徴とする光増幅器。
7. 請求項６に記載の光増幅器において、前記フォトニック結晶は、前記スラブ型半導体導光路のうち、前記スラブ型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の高い部分の前記スラブ型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少なくとも一部の領域を除くように前記スラブ型半導体導光路の表面に複数の穴が設けられていることを特徴とする光増幅器。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状であることを特徴とする光増幅器。
9. 基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路上で前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、
   前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路のうち前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高く、且つ前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることを特徴とする光増幅器。
10. 基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、
    前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶である光増幅器。
11. 基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、
    前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶である光増幅器。
12. 基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の２つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、
    前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶である光増幅器。
13. 請求項９から１２のいずれかに記載の光増幅器において、前記フォトニック結晶は、前記チャネル型半導体導光路のうち、前記チャネル型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の高い部分の前記チャネル型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少なくとも一部の領域を除くように前記チャネル型半導体導光路の表面に複数の穴が設けられていることを特徴とする光増幅器。
14. 請求項９から１３に記載の光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状であることを特徴とする光増幅器。
    

Images