(57)【要約】【課題】本発明は、グラフェンを利用してテラヘルツの周波数領域で動作する光変復調デバイスの変復調効率の向上を目的とする。【解決手段】本発明は、光導波路と、第一のグラフェン層と第二のグラフェン層とで絶縁膜を挟みこんだグラフェン二重層と、前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、を備える光変復調デバイスであって、前記第一のグラフェン層及び前記第二のグラフェン層のうち少なくとも一方は、前記光導波路における伝搬光の電界にて光励起キャリアが生成されるように配置され、前記絶縁膜は、前記第一のグラフェン層及び前記第二のグラフェン層のうち少なくとも一方で生成された光励起キャリアが前記絶縁膜を透過して他方に注入される材料で構成されていることを特徴とする光変復調デバイスである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路と、
第一のグラフェン層と第二のグラフェン層とで絶縁膜を挟みこんだグラフェン二重層と、
前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、
前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、
を備える光変復調デバイスであって、
前記第一のグラフェン層及び前記第二のグラフェン層のうち少なくとも一方は、前記光導波路における伝搬光の電界にて光励起キャリアが生成されるように配置され、
前記絶縁膜は、前記第一のグラフェン層及び前記第二のグラフェン層のうち少なくとも一方で生成された光励起キャリアが前記絶縁膜を透過して他方に注入される材料で構成されていることを特徴とする光変復調デバイス。
【請求項２】
前記グラフェン二重層は、前記光導波路の外周に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変復調デバイス。
【請求項３】
前記グラフェン二重層は、前記光導波路内に、前記光導波路を導波する光と平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変復調デバイス。
【請求項４】
前記グラフェン二重層は、前記光導波路内の電界強度が最大となる位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光変復調デバイス。
【請求項５】
前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層のそれぞれのフェルミレベルは、前記絶縁層の禁制帯の下端以上かつ上端以下であるように設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光変復調デバイス。
【請求項６】
前記第一のグラフェン層又は前記第二のグラフェン層のそれぞれのフェルミレベルは、少なくとも、
入射フォトンの吸収で生成される光電子の準位よりも前記絶縁膜の伝導帯下端が低位となる、又は
入射フォトンの吸収で生成される光正孔の準位よりも前記絶縁膜の伝導帯上端が高位となる
ように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の光変復調デバイス。
【請求項７】
前記グラフェン二重層で光励起キャリアが注入される材料で構成された絶縁膜は、
所定の膜厚を有することを特徴とする請求項５に記載の光変復調デバイス。
【請求項８】
前記絶縁膜の所定の膜厚は、
熱平衡状態のキャリアにとってはトンネル確率が低く、
光吸収で生成されたキャリアにとってはトンネル確率が高くなるように設定されていることを特徴とする請求項７に記載の光変復調デバイス。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の光変復調デバイスの前記光導波路に被変調光を導波させ、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層との間に変調信号を印加して前記被変調光を変調することを特徴とする光変調方法。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の光変復調デバイスの前記光導波路に変調光及び非変調光を導波させ、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層との間に生じる電気信号を復調信号とすることを特徴とする光復調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェン構造体を用いた光変復調デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
１００ＧＨｚから１０ＴＨｚに亘るテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域は、新しい周波数領域として、計測・通信への適用が期待されている。これに対し、これまで、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ；Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）による光信号処理デバイスが検討されてきた。ＵＴＣ−ＰＤは、有効質量の小さな電子のみをキャリアとして用いることから動作速度が速いが、それでもサブテラヘルツ（０．４ＴＨｚ程度）までの動作しか実現していないのが現状である（例えば、非特許文献１参照。）。そのため、更に高周波な領域をカバーする光信号処理デバイスとして、グラフェンを適用した各種光デバイスの検討が進められている。
【０００３】
その内の１つの技術に、グラフェンのバンド間光吸収を利用したグラフェン電気二重層（キャパシタ）による光強度変調器がある（例えば、非特許文献２参照。）。非特許文献２における光強度変調器の外観を図１に、その構造を図２に示す。図２において、３１は第一のグラフェン層、３２は第二のグラフェン層、３３は絶縁膜、３４は第一の金属電極、３５は第二の金属電極、３６は光導波路、３７は基板である。図１及び図２に示すように、Ｓｉからなる光導波路３６に対し、第一のグラフェン層３１、第二のグラフェン層３２及び絶縁膜３３で二重層のグラフェンを構成する構造としている。第一のグラフェン層３１と第二のグラフェン層３２の間を絶縁する絶縁膜３３はＡｌ２Ｏ３で構成され、二重層のグラフェンでキャパシタを構成している。
【０００４】
第一のグラフェン層３１と第二のグラフェン層３２の間に外部より電圧を印加すると、図３に示すように、それぞれのグラフェン層がｐ型、あるいは、ｎ型となる。その際、フェルミ面の変化量をΔＥｆ、光導波路３６を透過するフォトンのエネルギーをＥｐｈとすれば、ΔＥｆ＞Ｅｐｈ／２の場合はそれぞれのグラフェン層で光吸収が発生せず、ΔＥｆ≦Ｅｐｈ／２の場合はそれぞれのグラフェン層で光吸収が発生することとなる。以上により、それぞれのグラフェン層を光吸収層として独立に機能させ、電位差に応じて吸収／非吸収を制御することが可能となる。この結果、グラフェンを利用した光吸収型の強度変調器が構成できることとなる。
【０００５】
非特許文献２の構成は、吸収係数が２．３％／層と極めて小さいために、変調効率が低く、変調効率の低さを補うために、印加する電圧を極めて高くしなければならないという課題があった。
【０００６】
これに対し、変調効率を向上させた光強度変調器が、非特許文献３に記載されている。非特許文献３では、各々のグラフェン層にプラズモン共鳴が励起された場合（即ち、変調周波数がプラズマ共鳴周波数に合致する場合）に変調効率が改善されることが数値解析により指摘されている。プラズマ共鳴周波数は、プラズマ波が伝搬する際の位相速度ｓと共鳴を生じせしめる共振器構造の寸法（共振器長）に依存したプラズマ波の波長λとの比で与えられる。非特許文献３においては、プラズマ波速度ｓと該共振器長Ｌによって特徴づけられたプラズマ特性周波数（ωｐ／２π）を用いて変調特性を解析している。そして、プラズマ共鳴周波数（ωｎ／２π）はプラズマ特性周波数（ωｐ／２π）と以下の関係で結ばれている。
ｃｏｔ（πωｎ／２ωｐ）＝（πωｎ／２ωｐ）
ただし、ｎはプラズマ共鳴周波数の次数を表わし、ｎ＝１、２、３・・・は各々基本モード、２次モード、３次モード・・・を表わす。プラズマ特性周波数とプラズマ共鳴周波数の関係を具体的に求めれば、例えば基本モードｎ＝１においては、ω１＝０．５５ωｐである。プラズマ波速度ｓは、印加する電圧の１／４乗に比例するため、プラズマ特性周波数、従ってプラズマ共鳴周波数は入射信号に応じて調整することができる。
【０００７】
図４は、入射光のフォトンエネルギーを０．８ｅＶ、プラズマ特性周波数を１．７７ＴＨｚとし、電子の散乱頻度ν（回／秒）をパラメータとして、変調周波数に対する変調度（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｐｔｈ）の関係を数値解析した結果を示す。変調度は変調周波数が低周波極限における変調度で規格化している。図４は、変調度がプラズマ基本共鳴周波数に対応する１ＴＨｚ近傍で最大値となることを示しており、電子の散乱頻度νが１×１０１２（回／秒）程度の良好な電子輸送特性を有する場合には、テラヘルツ周波数領域で変調度が数倍程度改善されていることが分かる。
【０００８】
図５は、入射光のフォトンエネルギーを０．８ｅＶ、電子の散乱頻度ν（回／秒）を１×１０１２（実線）と、２．５×１０１２（破線）の２水準とし、プラズマ特性周波数をパラメータとして、変調周波数に対する変調度の関係を数値解析した結果を示す。図５は、１ＴＨｚ近傍に存在する変調度の最大値がプラズマ特性周波数により変化していることを示しており、変調度がピークとなる周波数が調整可能であることが分かる。
【０００９】
図４、図５に示されているように、このプラズマ共鳴周波数に合致する変調周波数はテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域であり、グラフェンを利用する光デバイスがテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域で動作する光強度変調器の可能性を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】若月温、村本好史、石橋忠夫、「ＵＴＣ−ＰＤを用いたテラヘルツフォトミキサモジュールの開発」、ＮＴＴ技術ジャーナル、１２、ｐｐ．２９、（２０１１）
【非特許文献２】Ｍ．Ｌｉｕ，  Ｘ．Ｙｉｎ，  ａｎｄ  Ｘ．Ｚｈａｎｇ，  “Ａｇｒａｐｈｅｎｅ-ｂａｓｅｄ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，”Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．１２，  ｐｐ．１４８２−１４８５  （２０１２）
【非特許文献３】Ｖ. Ｒｙｚｈｉｉ,   Ｔ. Ｏｔｓｕｊｉ,   Ｍ. Ｒｙｚｈｉｉ,   Ｖ. Ｇ. Ｌｅｉｍａｎ,   Ｓ. Ｏ. Ｙｕｒｃｈｅｎｋｏ,   Ｖ.Ｍｉｔｉｎ,   ａｎｄ  Ｍ. Ｓ. Ｓｈｕｒ,   “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｐｌａｓｍａ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ  ｏｎ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｄｏｕｂｌｅ  ｇｒａｐｈｅｎｅ−ｌａｙｅｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ,”  Ｊ．Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．１０２，  Ｉｓｓｕｅ  １０，  ｐｐ．１０４５０７−１−７，  ２０１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述の非特許文献２、３が示す通り、グラフェンの利用により、テラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域で動作する光デバイスとして、光強度変調器が実現しつつある。このような光デバイスは、高速な光強度変調器を比較的取り扱いやすいグラフェンにて実現できることから、将来、情報通信ネットワークをテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域に高速化する際、適用が期待される。
【００１２】
しかしながら、情報通信ネットワークは、一般に、光強度変調器の他に様々なデバイスで構成されるものである。従って、情報通信ネットワークをテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域に高速化するに当たっては、さらに変調効率の高い高速デバイスを実現する必要がある。
【００１３】
そこで、本発明は、グラフェンを利用してテラヘルツの周波数領域で動作する光変復調デバイスにおいて、さらなる変復調効率の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、光導波路と、第一のグラフェン層と第二のグラフェン層とで絶縁膜を挟みこんだグラフェン二重層と、前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、を備える光変復調デバイスであって、前記第一のグラフェン層及び前記第二のグラフェン層のうち少なくとも一方は、前記光導波路における伝搬光の電界にて光励起キャリアが生成されるように配置され、前記絶縁膜は、前記第一のグラフェン層及び前記第二のグラフェン層のうち少なくとも一方で生成された光励起キャリアが前記絶縁膜を透過して他方に注入される材料で構成されていることを特徴とする光変復調デバイスである。
【００１５】
本発明において、前記グラフェン二重層は、前記光導波路の外周に配置されていることを特徴としてもよい。
【００１６】
本発明において、前記グラフェン二重層は、前記光導波路内に、前記光導波路を導波する光と平行に配置されていることを特徴としてもよい。
【００１７】
本発明において、前記グラフェン二重層は、前記光導波路内の電界強度が最大となる位置に配置されていることを特徴としてもよい。
【００１８】
本発明において、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層のそれぞれのフェルミレベルは、前記絶縁層の禁制帯の下端以上かつ上端以下であるように設定されていることを特徴としてもよい。
【００１９】
本発明において、前記第一のグラフェン層又は前記第二のグラフェン層のそれぞれのフェルミレベルは、少なくとも、入射フォトンの吸収で生成される光電子の準位よりも前記絶縁膜の伝導帯下端が低位となる、又は入射フォトンの吸収で生成される光正孔の準位よりも前記絶縁膜の伝導帯上端が高位となるように設定されていることを特徴としてもよい。
【００２０】
本発明において、前記グラフェン二重層で光励起キャリアが注入される材料で構成された絶縁膜は、所定の膜厚を有することを特徴としてもよい。
【００２１】
本発明において、前記絶縁膜の所定の膜厚は、熱平衡状態のキャリアにとってはトンネル確率が低く、光吸収で生成されたキャリアにとってはトンネル確率が高くなるように設定されていることを特徴としてもよい。
【００２２】
本発明は、前述したいずれかの光変復調デバイスの前記光導波路に被変調光を導波させ、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層との間に変調信号を印加して前記被変調光を変調することを特徴とする光変調方法である。
【００２３】
本発明は、前述したいずれかの光変復調デバイスの前記光導波路に変調光及び非変調光を導波させ、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層との間に生じる電気信号を復調信号とすることを特徴とする光復調方法である。
【００２４】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、テラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域で動作する光変復調デバイスの変復調効率の向上を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術に基づく光強度変調器の一例を示す図である。
【図２】従来技術に基づく光強度変調器の一例を示す図である。
【図３】従来技術に基づく光強度変調器の動作を説明する図である。
【図４】従来技術に基づく光強度変調器の特性を説明する図である。
【図５】従来技術に基づく光強度変調器の特性を説明する図である。
【図６】本発明に基づく光変復調デバイスの構成を示す図である。
【図７】本発明に基づく光変復調デバイスの特性を示す図である。
【図８】本発明に基づく光変復調デバイスの絶縁膜の材料を示す図である。
【図９】本発明に基づく光変復調デバイスの特性を示す図である。
【図１０】本発明に基づく光変復調デバイスの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２８】
（第一の実施形態）
第一の実施形態で説明する光変復調デバイスの構造を図６に示す。１１は第一のグラフェン層、１２は第二のグラフェン層、１３は絶縁膜、１４は第一の金属電極、１５は第二の金属電極、１６は光導波路、１７は基板である。第一のグラフェン層１１、第二のグラフェン層１２、及び両者の間を絶縁する絶縁膜１３でグラフェン二重層を構成している。第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２は、それぞれ、第一の金属電極１４と第二の金属電極１５に接続されている。光導波路１６が、第一のグラフェン層１１、絶縁膜１３、および、第二のグラフェン層１２に並行して構成されており、この光導波路１６を透過する光により、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のうち少なくとも一方にキャリアが光励起される構成となっている。光変復調デバイスは誘電体からなる基板１７上に配置されている。基板１７は光導波路１６の屈折率よりも低く、クラッド層としての機能も合わせ持っている。
【００２９】
光学信号の入出力端、電気信号の入出力端については、記載を省略する。各グラフェン層及び金属電極は、便宜的に「第一」及び「第二」の呼称を用いているが、何れが光導波路に近く設置されていても良い。また、図６の光変復調デバイスでは、グラフェン二重層は、光導波路１６の上部にのみ配置されているが、光導波路１６の外周の一部でもよく、光導波路１６の外周の全部を覆うように配置されていてもよい。
【００３０】
以降、第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２は、真性半導体として説明する。但し、これらのグラフェン層にドープを行いｎ型あるいはｐ型半導体化し、予めフェルミレベルをずらしてもよい。その場合、フェルミ面はディラックポイントから予めずれていることになる。
【００３１】
第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２が同電位の場合、これらのディラックポイントは同一である。つまり、両者とも真空から４．５Ｖ低い状態となる。また、真性半導体の場合、これらのフェルミ面は、ディラックポイントに一致する。さらに、これら第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２のフェルミ面は、この間に挟まれた絶縁膜の禁制帯と一致する。
【００３２】
ここで、第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２の間に電位差Ｖｍを印加すると、低電位側のグラフェン層のディラックポイント並びにフェルミ面は下降し、また、高電位側のグラフェン層のディラックポイント並びにフェルミ面は上昇する。図６における第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２のどちらが高電位でどちらが低電位でも良い。
【００３３】
絶縁膜１３は、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のうち少なくとも一方で生成された光励起キャリアが絶縁膜１３を透過して他方に注入される材料で構成されている。ここで、絶縁膜１３の伝導帯・価電子帯と各グラフェンのディラック点（真性フェルミ準位）の配置を、以下の条件を満足するように設定することにより、第一のグラフェン層１１で生成された光励起キャリアが絶縁膜１３を透過して第二のグラフェン層１２に注入される。あるいは、第二のグラフェン層１２で生成された光励起キャリアが絶縁膜１３を透過して第一のグラフェン層１１に注入されることになる。また、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２で生成された光励起キャリアが相互に注入されることもある。
第一の条件：入射フォトンの吸収で生成される光電子の準位よりも絶縁膜１３の伝導帯下端が低位である。
第二の条件：入射フォトンの吸収で生成される光正孔の準位よりも絶縁膜１３の価電子帯上端が高位である。
上記第一の条件及び第二の条件の設定は、いずれか一方だけを満足しても良いし、同時に満足しても良い。
【００３４】
図７は、第一の実施形態における、第一のグラフェン層１１、絶縁膜１３および第二のグラフェン層１２のディラック点およびフェルミ面の状態を概念的に表したバンドダイアグラムで、外部から第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２との間に電圧を印加した状態を示したものである。紙面右より、高電位側のグラフェン層、絶縁膜１３、および、低電位側のグラフェン層を示す。電位差の印加により、高電位側のグラフェン層は低電位側のグラフェン層に比較し、ディラックポイントが相対的に上昇する。また、高電位側のグラフェン層のフェルミ面はディラックポイントより上昇し、低電位側のグラフェン層のフェルミ面はディラックポイントより下降する。紙面中央は絶縁膜１３のバンドダイアグラムである。それぞれ紙面上方から、伝導体、禁制帯、価電子帯を表す。高電位側グラフェン層のフェルミ面が絶縁膜１３の禁制帯上端（伝導帯下端）より低く設定されている。更に、低電位側グラフェン層のフェルミ面が絶縁膜１３の禁制帯下端（価電子帯上端）より高く設定されている。この為、電位差を印加しただけでは、絶縁膜１３を介して２つのグラフェン層に電流が流れることはない。なお、図７の紙面左（ディラック点が低い）、右（ディラック点が高い）のいずれが、第一のグラフェン層、第二のグラフェン層であっても構わない。
【００３５】
ここで、光導波路１６に光を入力すると、高電位側グラフェン、および、低電位側グラフェンの双方で光励起がなされ、光電子（図７中の「−」符号）、および、正孔（図７中の「＋」符号）が発生する。
【００３６】
この時、バンドギャップ位置より生成した光電子・正孔の準位が外側に広ければ、光導波路を透過した信号光により生成された光電子・正孔は、絶縁膜１３の伝導帯・価電子帯をそれぞれ介して反対側のグラフェン層に流出・流入できることになる。このような構成により、本デバイスは、グラフェンデバイスとして、光変調効率が桁違いに向上した強度変調器として使用することが可能である。
【００３７】
その際、グラフェンのプラズマ共鳴周波数近傍における変調信号を電位差として２つのグラフェン層間に印加すると、キャリア濃度変調効果によりグラフェンプラズモン共鳴が誘発され、光の吸収効率が大きくなる。この共鳴周波数はテラヘルツ帯であることから、本デバイスは、テラヘルツ帯において、光変調効率が桁違いに向上した強度変調器として使用することが可能である。
【００３８】
絶縁膜１３の材料としては、図８の表に記載の物質が候補として挙げられる。図８の表は、グラフェン（ＧＲ）のディラック点（真性フェルミ面）４．５ｅＶに対する、絶縁膜１３に適用できる物質の特性を表す。Ｅａｆｆ．は、電子親和力（単位ｅＶ）であり、例えば、窒化ホウ素炭素から真空準位までのエネルギー差を表す。また、Ｅｇは、バンドギャップ（単位ｅＶ）であり、伝導帯の下端から価電子帯の上端までのエネルギー差を表す。絶縁膜１３には、図８に記載の物質、例えば、ＢＣＮ；窒化ホウ素炭素、Ｈ−ＢＮ；常圧相窒化ホウ素、ＳｉＣ；炭化珪素、ＤＬＣ；Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ、ＧａＮ；窒化ガリウムを適用することができる。あるいは、非記載の物質を用いてもよい。
【００３９】
ここで、図７に示すように、絶縁膜１３の伝導帯の下端は高電位側グラフェンのフェルミ面より高く、また、絶縁膜１３の価電子帯の上端は低電位側グラフェンのフェルミ面より低く設定する。バンドギャップ位置より生成した光電子が絶縁膜１３の伝導帯を透過するか、バンドギャップ位置より生成した光正孔が絶縁膜１３の価電子帯を透過するか、あるいはその双方が実現するように第一のグラフェン層１１・第二のグラフェン層１２ならびに絶縁膜１３の準位を設定することにより、本願発明の効果を得ることができる。この準位は、絶縁膜１３に用いる物質の選択、第一のグラフェン層１１および第二のグラフェン層１２に対するドーパント量、ならびに、第一のグラフェン層１１および第二のグラフェン層１２への印加電圧により設定可能である。
【００４０】
また、信号光として、周波数Ωの光及び周波数Ω＋δωの光の２波を光導波路１６に入力すると、電子・正孔の流れは周波数Ωの交番変化には追従できず、うねりに相当するδωの成分にのみに感応する。これを第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２との間に生じる電気的な信号として出力させることができる。即ち、本デバイスは、高速で動作する復調効率の高いフォトミキサー（復調デバイス）として使用することが可能である。
【００４１】
（第二の実施形態）
第二の実施形態の変復調光デバイスの構造も、第一の実施形態と同様である。第二の実施形態では、絶縁膜１３の膜厚を第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のうち少なくとも一方で生成された光励起キャリアが絶縁膜１３を透過して他方に注入されるように設定する。例えば、量子力学的なトンネル効果で絶縁膜１３をキャリア（電子・正孔）が透過する際、熱平衡状態の冷たいキャリアはトンネル確率が低く、光吸収で生成された熱いキャリアはトンネル確率が高くなるように、絶縁膜１３の膜厚をナノメートルオーダで適切に設定する。
【００４２】
図９は、第二の実施形態における、第一のグラフェン層１１、絶縁膜１３および第二のグラフェン層１２のディラック点およびフェルミ面の状態を概念的に表したバンドダイアグラムで、外部から第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２との間に電圧を印加した状態を示したものである。
【００４３】
図９において、紙面右より、高電位側のグラフェン層、絶縁膜１３、および、低電位側のグラフェン層を示す。電位差の印加により、高電位側のグラフェン層は低電位側のグラフェン層に比較し、ディラックポイントが相対的に上昇する。また、高電位側のグラフェン層のフェルミ面はディラックポイントより上昇し、低電位側のグラフェン層のフェルミ面はディラックポイントより下降する。紙面中央は絶縁膜１３のバンドダイアグラムであり、禁制帯を表す。高電位側グラフェン層のフェルミ面が絶縁膜１３の禁制帯上端（伝導帯下端）より低く設定されている。更に、低電位側グラフェン層のフェルミ面が絶縁膜１３の禁制帯下端（価電子帯上端）より高く設定されている。この為、電位差を印加下だけでは、絶縁膜１３を介して２つのグラフェン層に電流が流れることはない。なお、図９の紙面左（ディラック点が低い）、右（ディラック点が高い）のいずれが、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のいずれであっても構わない。
【００４４】
ここで、光導波路１６に光を入力すると、高電位側グラフェン、および、低電位側グラフェンの双方で光励起がなされ、光電子（図７中の「−」符号）、および、正孔（図７中の「＋」符号）が発生する。この時生成した光電子・正孔は熱平衡で予め存在している背景キャリアに比して高エネルギー・高温である。
【００４５】
この時、これらの光電子・正孔のエネルギーレベルが絶縁膜１３の禁制帯に該当するように設定し、かつ、絶縁膜１３を薄膜と設定することで、これらの光電子・正孔のみが高い確率で絶縁膜１３を量子トンネル効果で透過するようにすることが可能となる。即ち、熱平衡状態の冷たいキャリアはトンネル確率が低いことから絶縁膜１３を介して反対側のグラフェン層にほとんど流出・流入できない。一方、光導波路１６を透過した信号光により生成された熱いキャリアはトンネル確率が高いので、絶縁膜１３を介して反対側のグラフェン層に流出・流入できることになる。このような構成により、本デバイスは、グラフェンデバイスとして、光変調効率が桁違いに向上した強度変調器として使用することが可能である。
【００４６】
その際、第一の実施形態と同様に、グラフェンのプラズマ共鳴周波数近傍における変調信号を電位差として２つのグラフェン層間に印加すると、キャリア濃度変調効果によりグラフェンプラズモン共鳴が誘発され、光の吸収効率が大きくなる。この共鳴周波数はテラヘルツ帯であることから、本デバイスは、テラヘルツ帯において、光変調効率が桁違いに向上した強度変調器として使用することが可能である。
【００４７】
また、これも第一の実施形態と同様に、絶縁膜１３の材料としては、図８の表に記載の物質が候補として挙げられる。絶縁膜１３には、図８に記載の物質、例えばＢＣＮ；窒化ホウ素炭素、Ｈ−ＢＮ；常圧相窒化ホウ素、ＳｉＣ；炭化珪素、ＤＬＣ；Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ、ＧａＮ；窒化ガリウムが適用できる。あるいは、非記載の物質を用いてもよい。
【００４８】
ここで、図９に示すように、絶縁膜１３の伝導帯の下端は高電位側グラフェンのフェルミ面より高く、また、絶縁膜１３の価電子帯の上端は低電位側グラフェンのフェルミ面より低く設定する。バンドギャップ位置より生成した光電子が絶縁膜１３の禁制帯を量子トンネル効果で透過するか、バンドギャップ位置より生成した光正孔が絶縁膜１３の禁制帯を量子トンネル効果で透過するか、あるいはその双方が実現するように第一のグラフェン層１１、第二のグラフェン層１２及び絶縁膜１３の準位を設定することにより、本願発明の効果を得ることができる。この準位は、絶縁膜１３に用いる物質の選択、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２に対するドーパント量、並びに、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層への印加電圧により設定可能である。
【００４９】
また、これも第一の実施形態と同様に、信号光として、周波数Ωの光及び周波数Ω＋δωの光の２波を光導波路１６に入力すると、電子・正孔の流れは周波数Ωの交番変化には追従できず、うねりに相当するδωの成分にのみに感応する。これを第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２との間に生じる電気的な信号として出力させることができる。即ち、本デバイスは、高速で動作する復調効率の高いフォトミキサー（復調デバイス）として使用することが可能である。
【００５０】
（第三の実施形態）
上記の第一および第二の実施形態の例では、第一のグラフェン層１１、第二のグラフェン層１２、及び両者の間を絶縁する絶縁膜１３で構成するグラフェン二重層は、光導波路１６の外周上の上面に配置されている。グラフェン層１１、１２は、少なくとも一方が光導波路１６の伝搬光の電界で光励起される位置に配置されれば変復調は可能となる。この為、グラフェン二重層は、光導波路１６の外周上の一部もしくは全部に配置されても、前記光導波路の内部に配置されてもよい。
【００５１】
特に光導波路１６内で、光導波路１６を伝搬する光の電界強度が最大となる近傍にグラフェン二重層を配置すれば、光励起が高効率で発生することから、変調効率をさらに向上させることが可能となる。
【００５２】
第一の実施形態で説明する光変復調デバイスの構造を図１０に示す。図１０は、グラフェン二重層を光導波路１６の内部に配置した構成例である。１１は第一のグラフェン層、１２は第二のグラフェン層、１３は絶縁膜、１４は第一の金属電極、１５は第二の金属電極、１６は光導波路、１７は基板、１８は第一のクラッド層、１９は第二のクラッド層である。第一のグラフェン層１１、第二のグラフェン層１２、及び両者の間を絶縁する絶縁膜１３でグラフェン二重層を構成している。第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２は、それぞれ、第一の金属電極１４と第二の金属電極１５に接続されている。光導波路１６が、第一のグラフェン層１１、絶縁膜１３、および、第二のグラフェン層１２に並行して構成されており、この光導波路１６を透過する光により、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のうち少なくとも一方にキャリアが光励起される構成となっている。第一のクラッド層１８及び第二のクラッド層１９の屈折率は光導波路１６の屈折率よりも低く、導波光を光導波路内に閉じ込める。光変復調デバイスは誘電体からなる基板１７上に配置されている。基板１７は光導波路１６の屈折率よりも低く、クラッド層としての機能も合わせ持っている。
【００５３】
ここで、光導波路１６を伝搬する光の伝搬モードが光導波路１６の中央部で電界強度最大となる配置にすると、グラフェン二重層における光の吸収が最大となり、グラフェン二重層が有効に機能する。図１０の例では、光導波路１６の中央部で電界強度最大となるものとしたが、本実施形態の技術思想の主旨は、グラフェン二重層を前記光導波路１６を伝搬する導波光の電界強度が最大となる近傍に配置すれば変復調効率をさらに向上させることが可能となるということである。この為、前記グラフェン二重層の配置は、光導波路１６の中央部に限定されるものではない。
【００５４】
また、これも第一の実施形態や第二の実施形態と同様に、信号光として、周波数Ωの光及び周波数Ω＋δωの光の２波を光導波路１６に入力すると、電子・正孔の流れは周波数Ωの交番変化には追従できず、うねりに相当するδωの成分にのみに感応する。これを第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２との間に生じる電気的な信号として出力させることができる。即ち、本デバイスは、高速で動作する復調効率の高いフォトミキサー（復調デバイス）として使用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、光通信ネットワークを利用した情報通信産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１１：第一のグラフェン層
１２：第二のグラフェン層
１３：絶縁膜
１４：第一の金属電極
１５：第二の金属電極
１６：光導波路
１７：基板
１８：第一のクラッド層
１９：第二のクラッド層
３１：第一のグラフェン層
３２：第二のグラフェン層
３３：絶縁膜
３４：第一の金属電極
３５：第二の金属電極
３６：光導波路
３７：基板
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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