(57)【要約】  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。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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ＬｉＮｂＯ３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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。
【発明の開示】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。【００１１】
（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。【００１２】
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ＳｉＯ２、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。【００１３】
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。【００１４】
（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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
（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。【００１８】
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。【００１９】
（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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
（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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
（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。【００２７】
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。【００２８】
（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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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