JPWO2008102511A1 - 光位相変調素子およびこれを用いた光変調器 - Google Patents

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Abstract

小型の光位相変調素子およびこれを用いた光変調器を提供する。本発明の光位相変調素子は、使用波長において複素誘電率の実部が負である金属材料をクラッドとし、複素誘電率の実部が正である誘電体材料をコアとするプラズモン導波路とを備える。このプラズモン導波路には、複素誘電率の実部が正である誘電体材料をクラッドおよびコアとする光導波路が接続されている。プラズモン導波路のコアと光導波路のコアの少なくとも一部が、同一の半導体材料で構成されている。そして、プラズモン導波路が電圧印加により入射光を位相変調する機能を有する。

Description

本発明は、光通信および光配線において利用可能な光位相変調素子、ならびに、この光位相変調素子を用いた光変調器に関する。
近年、光通信トラフィックが急速な増大を見せている中で、電気信号を光信号に変換する光変調器は極めて重要なキーデバイスであり、化合物半導体やLiNbOなどの材料を用いた電界吸収型変調器やマッハツェンダー変調器が実用化されている。しかし、製造コストの低減や高集積化が難しいという問題点があった。この問題点に対して、Siを用いたMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造型の光変調器が非特許文献1(エイ リウ(A Liu)、他7名、「ハイスピード シリコン オプティカルモジュレータ ベイスド オン ア メタルオキサイドセミコンダクタ キャパシタ (A high-speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor)」、ネイチャー (Nature)、2004年2月12日、第42巻、p.615−618 )で提案されており、CMOSプロセスで安価に製造できるという利点を持つ。このMOS構造型の光変調器では、電荷が蓄積された領域の屈折率がキャリアプラズマ効果により変化することを利用している。しかしながら、非特許文献1の光変調器では、電荷蓄積層は数10nm程度の厚さしかないのに対し、導波モードは数μm程度広がっている。その結果、導波モードと屈折率変調領域のオーバラップが小さいために、位相変調効率が低くなりサイズが大きくなる(例えば、1cm程度)という課題があった。その結果、高速動作が困難であるという課題も伴っていた。
また、特許文献1(特許第2716081号公報(第2−3頁、図5))では、電気光学効果を持つ媒質を金属で挟んだ2次元光波導波路(プラズモン導波路)を利用した光変調器を提案している。この2次元光波導波路の金属ギャップを入射光波長よりも十分小さくすることにより、例えば駆動電圧0.1V、長さ6μm、電気光学媒質厚さ6nm、という超低電圧駆動で、かつ小型の光変調器が実現できることを述べている。しかしながら、入射光波長よりも極めて小さい金属ギャップに光を入れるのは難しいという課題があった。
上述したように、非特許文献1記載のMOS構造型の光変調器では、電圧が印加された導波路を伝搬する光の単位長さ当たりの位相変化量が小さい。この結果、マッハツェンダー干渉計を組んだ際に二つの光の位相差をπ程度にして変調比を高くするためには、導波路長を長くする必要がある。そのため、光変調器の素子サイズが大きくなり、高集積化および高速化が困難になるという課題がある。
また、複素誘電率の実部が負である金属を導波路クラッドとするプラズモン導波路においては伝搬損失が、コアとクラッドを構成する材料の複素誘電率の実部が共に正である通常の光導波路よりも一般に大きくなる。このため、位相変調部分にのみこのプラズモン導波路を用い、その他の部分では、通常の光導波路を用いて光回路を構成するのが望ましい。その際に、プラズモン導波路と、通常の光導波路とを高効率に結合する必要があるが、特許文献1記載の光変調器においては、この結合が難しいという課題がある。
本発明の目的は、上述したような課題の少なくとも一つを解決できる光位相変調素子およびこれを用いた光変調器を提供することにある。その目的の一例は、光位相変調素子およびこれを用いた光変調器において、位相変調効率を高め、光変調器の素子サイズを大幅に小さくすることにある。また、その他の目的は、プラズモン導波路を用いながらも通常の光導波路と高効率で結合できる位相変調素子を提供し、光変調器の損失を低減することにある。
本発明の一つの態様はプラズモン導波路により構成される光位相変調素子である。本発明に用いられたプラズモン導波路のクラッドは複素誘電率の実部が負である金属等の材料から成る。さらに、このプラズモン導波路のコアの少なくとも一部が、電圧を印加しキャリア密度を変化させることにより屈折率を変調することのできる半導体材料から成る。
また、本発明の他の態様はマッハツェンダー干渉計または光共振器から成る光変調器である。本発明によるマッハツェンダー干渉計または光共振器は、本発明の光位相変調素子と、この光位相変調素子と接続され同一の半導体材料をコアとする光導波路と、により構成される。
本発明の実施形態例1に係るMIS型光位相変調素子の断面図。 本発明の実施形態例2に係るpn型光位相変調素子の断面図。 本発明の実施形態例3に係るpn型光位相変調素子の断面図。 本発明の実施形態例4に係る、電気光学材料を用いた光位相変調素子の断面図。 本発明の実施形態例5に係る、テーパ接続構造により半導体細線導波路と接続された光位相変調素子の斜視図。 本発明の光位相変調素子により構成される、マッハツェンダー干渉計を用いた光変調器の平面図。 本発明の光位相変調素子により構成される、リング型光共振器を用いた光変調器の平面図。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施形態例1)
図1に、本発明の実施形態例1に係るMIS(Metal Insulator Semiconductor)型光位相変調素子の、導波方向に直交する方向での断面図を示す。同図において、基板7の主面上に埋め込み酸化層6が形成され、さらに、埋め込み酸化層6上にn型半導体3が設けられ、n型半導体3の、基板7とは反対側面の一部が凸部と成っていて一方向に延在している。n型半導体3の凸部を含む面には絶縁膜2を挟んで金属クラッド1が設けられている。このような構造はMISキャパシタ構造と呼ばれる。また、この構造により、n型半導体3の凸部および絶縁膜2を導波路コアとし、金属クラッド1を導波路クラッドとするプラズモン導波路が形成され、図面に垂直な方向に表面プラズモンポラリトンが導波される。つまり、使用波長において複素誘電率の実部が負である金属材料をクラッドとし、複素誘電率の実部が正である誘電体材料をコアとするプラズモン導波路が形成されている。また、金属クラッド1は電極の役割も兼ねており、金属クラッド1と電極4の間に駆動電圧源5を通じて電圧を印加し、金属クラッド1に正のバイアス電圧がかかるようにすることで、絶縁膜2近傍のn型半導体3に電荷が蓄積されてその部分の屈折率が変調される。つまり、プラズモン導波路のクラッド部(金属クラッド1の部分)とコア部(n型半導体3の凸部と絶縁膜2からなる部分)との間に電圧を印加することで、n型半導体3のキャリア密度を変調して該プラズモン導波路の等価屈折率を変化させ、光位相変調素子を通す入射光を位相変調することが可能である。
n型半導体3を構成する半導体材料は、用いる入射光波長において吸収の少ない材料が好ましく、加工の容易性、低コスト性、量産性などの観点からSiが特に好ましい。また、絶縁膜2は絶縁体材料であればよく、特に限定されるものではないが、成膜が容易で安定な膜を得られるSiO、SiON、SiNなどの材料が特に好ましい。また、絶縁膜2に誘電率の大きい強誘電体材料を用いることで、n型半導体3に蓄積される電荷の量を多くし屈折率変調をより大きくすることも可能である。また、金属クラッド1は、使用波長において複素誘電率の実部が負となる金属材料であればよく、特に限定されるものではないが、具体的にはAgあるいはAuなどの電気抵抗が小さく表面プラズモン損失の少ない金属材料が特に好ましい。しかし、これらの金属に限定されるものではなく、半導体デバイスに広く用いられており、多くの加工技術が確立されているAlあるいはCuを用いてもよい。金属クラッド1に用いる金属と絶縁膜2との密着性が悪い場合は、密着層としてTi、Ta、Cr、W、Niなどを、金属クラッド1に用いる金属と絶縁膜2との間に設けることもできる。この密着層の膜厚は光学的損失が少なくなるように5nm程度以下であることが特に好ましい。また、図1ではn型半導体を用いた光位相変調素子を示しているが、p型半導体を用いてもよい。このとき、印加する電圧の正負を逆にすれば同様の動作が可能である。
また、プラズモン導波路において、強い光閉じ込め効果を得て屈折率変調領域とのオーバラップを大きくするためには、入射光波長をλ、n型半導体3の屈折率をnとすると、導波路コア部を構成するn型半導体3の凸部の幅はλ/2n以下であることが好ましい。
(実施形態例2)
図2は、本発明の実施形態例2に係るpn型光位相変調素子の、導波方向と直交する方向での断面図である。この図に示すように本実施形態例は、実施形態例1のMIS型光位相変調素子とは導波路コアの一部を構成する半導体構造が異なっている。すなわち、n型半導体3の凸部上にp型半導体8が積層され、この積層体の上に絶縁膜2を挟んで金属クラッド1が設けられている。尚、p型半導体8の上面は絶縁膜2で被覆されておらず金属クラッド1に密着している。その他の構成は実施形態例1と同様である。
このような構成の変調素子は、n型半導体3とp型半導体8により形成されるpn接合を持つ半導体にキャリアを注入することにより、キャリア密度を変化させプラズモン導波路の等価屈折率を変調することができる。
また、本実施形態例においては、n型半導体3とp型半導体8の間に真性半導体層を挟むことで空乏層厚さを調整することができ、キャリア注入により屈折率変調される領域を任意に設計することができるという利点がある。
(実施形態例3)
図3は、本発明の実施形態例3に係るpn型光位相変調素子の、導波方向と直交する方向での断面図である。この図に示すように本実施形態例は、導波路コアを構成する半導体構造、および導波路クラッドの構造が上記2つの実施形態例に対して異なっている。すなわち、埋め込み酸化層6上にその面内方向(図の左右方向)にn型半導体3とp型半導体8が形成され、pn接合している。このpn接合を持つ半導体部分が、基板7とは反対側へ突起する凸部になっている。そして、この凸部の左右の両側面を挟んで2つの金属クラッド1が配置されている。2つの金属クラッド1は正負の電極としての機能を持っており、一方の金属クラッド1はn型半導体3に密着し、もう一方の金属クラッド1はp型半導体8に密着している。その他の構成は実施形態例1と同様である。
本実施形態例においては、導波路コアを構成する半導体構造の上部が金属クラッド1により覆われていない構造になるため、伝搬損失が比較的小さくなるという利点がある。
(実施形態例4)
図4は、本発明の実施形態例4に係る、電気光学材料を用いた光位相変調素子の断面図を示す。この図に示すように本実施形態例は、実施形態例1に示した変調素子(図1)の金属クラッド1とn型半導体3の間に介在させた絶縁膜に代えて、電気光学材料9が挟まれていることを特徴とする。他の構成は実施形態例1と同様である。
電気光学材料9としては、ニオブ酸リチウム、強誘電体セラミックスのPLZT(ランタンドープジルコン酸チタン酸鉛)系などを用いることができる。
本実施形態例においては、電気光学材料9を薄くすることで大きな電界を加えられるので、大きな屈折率変化が得られる。その結果、n型半導体3の屈折率変化に加えて、電気光学材料9の屈折率変化が加わるため、より効率的な位相変調が可能になり、素子を小型化することができるという利点がある。
(実施形態例5)
図5は、本発明の実施形態例5に係る、半導体細線光導波路と接続された光位相変調素子の斜視図を示す。この図に示す本発明の光位相変調素子10は、図1、3又は4に示した断面構造のプラズモン導波路を構成している。そして、このプラズモン導波路の導波方向端部には、複素誘電率の実部が正である誘電体をクラッドおよびコアとする光導波路が接続される。この光導波路は図5では半導体細線光導波路12であり、クラッドおよびコアの材料に、プラズモン導波路コアの少なくとも一部と同じn型半導体3を使用している。この半導体細線光導波路12は、n型半導体3で形成された一方向に延びる凸部である。つまり、半導体細線光導波路12と光位相変調素子10が同一の半導体コア材料によって連続的に接続されている。
さらに、半導体細線光導波路12と光位相変調素子10はテーパ接続構造11により断熱的に接続されている。光位相変調素子10の導波路コア幅は半導体細線光導波路12の路幅よりも狭くなっており、これに併せてテーパ接続構造11も半導体細線光導波路12側から光位相変調素子10側にいくほど幅狭になるようにテーパ状に形成されている。また、このテーパ接続構造11は、光位相変調素子10の構造と同様、n型半導体3の凸部を含む面に絶縁膜2を挟んで金属クラッド1を設けた構造である。
このような構造において、半導体細線光導波路12を伝搬する入力光13はテーパ接続構造11により、本発明の光位相変調素子10が形成するプラズモン導波路に結合される。テーパ接続構造11により半導体細線光導波路12と光位相変調素子10を断熱的に接続したことにより、損失を少なくすることができ、数μm程度以下の長さで接続することが可能である。本発明の光位相変調素子10により位相変調を受けた被変調光14は、再びテーパ接続構造11により半導体細線光導波路12へと結合される。
また、本発明の光位相変調素子10のプラズモン導波路を構成する金属クラッド1と、テーパ接続構造11を構成する金属クラッド1との間には切れ目16があり、電気的に繋がっていないが、光学的には実質的に連続な構造となっている。この構造により、光位相変調素子10の部分にのみ電圧を印加することができ、素子容量を低減することが可能である。このとき、切れ目16の隙間を小さくすることにより、散乱等の光学的損失を抑制することができる。
(実施形態例6)
図6は、本発明の光位相変調素子により構成される、マッハツェンダー干渉計を用いた光変調器を示す平面図である。この図に示す光変調器は、本発明の光位相変調素子10を2つ組み合わせたマッハツェンダー干渉計によって構成される。この光変調器では、半導体細線導波路12を伝搬する入力光13が二つに分岐され、夫々の光位相変調素子10へと導かれ位相変調を受ける。この位相変調を受けた二つの被変調光14を干渉させることで、強度変調することができる。二分岐構造は、図に示したY分岐構造であっても良いし、マルチモード光導波路を使用したMMI(Multi Mode Interference)構造であっても良い。
プラズモン導波路により構成される本発明の光位相変調素子10を、マッハツェンダー干渉計からなる光変調器に用いることで、光変調器のサイズを100μm以下の長さにすることができる。すなわち、従来のSiを用いたMOS型変調器が1cm程度の長さが必要であったのに対し、2桁以上の小型化が可能である。
(実施形態例7)
図7は、本発明の光位相変調素子により構成される、リング型光共振器を用いた光変調器を示す平面図である。この図に示す光変調器は、本発明の光位相変調素子10の少なくとも一部がリング型光共振器15を構成することを特徴とする。この形態では、本発明の光位相変調素子10に電圧を印加することにより、リング型光共振器15の共振波長がシフトし、この共振波長のシフトを利用して出力光の強度を変調することができる。
また、本発明の光位相変調素子10はプラズモン導波路により構成されているために光閉じ込め効果が強いので、数μm以下の直径のリング型光共振器15が実現できる。その結果、本実施形態例の光変調器は、実施形態例6のマッハツェンダー干渉計を用いた場合よりも小型化することができる。さらに、小型化に加えて、リング型光共振器15を用いることにより、高速化および低電圧駆動が可能であるという利点を持つ。
以上に各実施形態例を挙げて説明してきたように、光位相変調素子にプラズモン導波路を用いることにより、通常の導波路では不可能な数10nm程度の領域への光閉じ込めが可能となり、コアを構成する半導体の電荷蓄積層、つまり屈折率変調領域とのオーバラップを大きくすることができる。さらに、プラズモン導波路においては、光閉じ込めの効果が極めて大きく、かつ等価屈折率が半導体コア材料よりも大きくなるため、半導体の屈折率が変化した際に、より大きい等価屈折率の変化が得られる。その結果、効率の良い光位相変調素子を実現することができ、光位相変調素子を用いて構成される光変調器のサイズを従来のものよりも大幅に小型化することができる。また、本発明において、プラズモン導波路と光導波路は同一の半導体コア材料を使っているので連続的に接続され、さらにテーパ接続構造を用いて断熱的に接続することにより、高い結合効率を得ることができる。さらに、本発明の光位相変調素子およびこれを用いた光変調器では、プラズモン導波路を構成する金属が電極の役割も兼ねているため、簡便なプロセスで作製が可能である。
このように本発明によれば、プラズモン導波路による光閉じ込め効果により、効率の良い光位相変調素子が得られ、小型の光変調器が実現される。また、プラズモン導波路と同一の半導体コア材料を持つ光導波路との連続的な接合により、高い結合効率が得られ、比較的損失の少ない光変調器が実現される。
以上本発明の実施形態例について詳述したが、本願発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能であることは言うまでもない。
この出願は、2007年2月19日に出願された日本出願特願2007−037935を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (11)

  1. 使用波長において複素誘電率の実部が負である金属材料をクラッドとし、複素誘電率の実部が正である誘電体材料をコアとするプラズモン導波路と、
    前記プラズモン導波路と接続される、複素誘電率の実部が正である誘電体材料をクラッドおよびコアとする光導波路と、を備え、
    前記プラズモン導波路のコアと前記光導波路のコアの少なくとも一部が、同一の半導体材料で構成され、
    前記プラズモン導波路が電圧印加により入射光を位相変調する機能を有する、光位相変調素子。
  2. 前記プラズモン導波路の断面が、半導体と絶縁体とから成るコアと、金属材料から成るクラッドにより構成されるMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造を持ち、
    該クラッドと該コアの間に電圧を印加することで前記半導体のキャリア密度を変調して前記プラズモン導波路の等価屈折率を変化させ、入射光を位相変調する、請求項1に記載の光位相変調素子。
  3. 前記プラズモン導波路における前記コアの前記絶縁体が、強誘電体材料から成る、請求項2に記載の光位相変調素子。
  4. 前記プラズモン導波路のコアの少なくとも一部がpn接合を持つ半導体により構成され、該半導体にキャリアを注入することにより前記プラズモン導波路の等価屈折率を変化させ、入射光を位相変調する、請求項1に記載の光位相変調素子。
  5. 入射光波長をλ、半導体の屈折率をnとしたとき、前記プラズモン導波路のコアの少なくとも一部を構成する半導体の幅がλ/2n以下である、請求項1乃至4のいずれかに記載の光位相変調素子。
  6. 前記プラズモン導波路のコアの一部が、電気光学効果を持つ材料で構成されている、請求項1乃至5のいずれかに記載の光位相変調素子。
  7. 前記プラズモン導波路と前記光導波路とがテーパ構造により断熱的に接続された、請求項1乃至6のいずれかに記載の光位相変調素子。
  8. 前記テーパ構造を構成する金属クラッドと、前記プラズモン導波路を構成する金属クラッドとはこの間に隙間があり、電気的に非接続であるが、光学的には連続な構造となっている、請求項7に記載の光位相変調素子。
  9. 請求項1乃至8のいずれかに記載の光位相変調素子を2つ組み合わせたマッハツェンダー干渉計により構成された光変調器。
  10. 請求項1乃至8のいずれかに記載の光位相変調素子の少なくとも一部が光共振器を構成している光変調器。
  11. 前記光共振器がリング型光共振器である、請求項10に記載の光変調器。
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