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
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (11)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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