(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波光が伝搬する導波路と、
前記導波路に隣接して形成された金属層と、
前記金属層の前記導波路に隣接していない面側に形成された、導電性を有する導電性酸化物層と、
前記導電性酸化物層に隣接して形成された絶縁層と、
前記金属層と、前記導電性酸化物層又は前記絶縁層との間に電圧を印加する変調回路とを備え、
前記導電性酸化物層と前記絶縁層とが隣接する界面は、前記金属層の導波路に隣接していない面から前記導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成されることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記導電性酸化物層は、前記金属層上に形成され、
前記絶縁層は、前記導電性酸化物層上に形成され、
前記絶縁層上に形成された、前記絶縁層に電圧を印加するための電極として機能する導電層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記絶縁層は、前記金属層上に形成され、
前記導電性酸化物層は、前記絶縁層上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項４】
前記導電性酸化物層は、前記絶縁層に電圧を印加するための電極として機能することを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記導波光の真空中の波長は、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光変調器。
【請求項６】
前記導波光は直線偏光であり、
前記導波光の主な偏光方向は、前記金属層に対して垂直な方向であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光変調器。
【請求項７】
前記導波路は、スラブ導波路を含み、
前記スラブ導波路に接続され、前記導波光の伝搬方向に向かって徐々に幅が細くなるテーパ導波路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光変調器。
【請求項８】
前記金属層の幅は、前記導波路の幅より大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光変調器。
【請求項９】
前記金属層、前記導電性酸化物層及び前記絶縁層の前記導波光の伝搬方向の長さは、前記導波路の前記導波光の伝搬方向の長さより短いことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光変調器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の光変調器と、
前記光変調器に光を入射させる光源と、
前記光変調器により変調された光を集光する集光器とを備えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の光変調器と、
前記光変調器に光を入射させる光源とを備えることを特徴とする光変調モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を変調する光変調器、当該光変調器を備える光ピックアップ、及び当該光変調器を備える光変調モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光記録又は光通信に用いる光変調方法としては、駆動電流を変調して光源を直接変調する直接変調方式と、一定量で発光する光源からの光を別に設けた光変調器を用いて変調する間接変調方式とがある。【０００３】
直接変調方式は、光源の閾値電流と静電容量との存在により変調の高速化に限界がある。そのため、光ピックアップ又は光通信の転送レートの高速化に伴い、変調を高速化することができる間接変調方式が必要とされている。【０００４】
高速変調が期待される間接変調方式の光変調器としては、ＬｉＮｂＯ３又はＫＴＰなどの電気光学結晶を利用して位相変調した光の干渉により強度変調を行う位相変調型と、表面プラズモンポラリトン（以下、ＳＰＰと略記する）と導波光との結合を利用して透過光量を変調するプラズモン結合型とがある。【０００５】
位相変調型は、現在光通信用光変調器として広く普及している。しかしながら、電気光学効果による屈折率変化量は小さく、十分な位相変調を得るためには数ｍｍの光路に渡って電界を印加する必要がある。このため、位相変調型の変調器の小型化は難しい。また、電界印加用の電極が大きいために、電極の寄生容量が大きく高速変調の妨げとなるという課題がある。【０００６】
プラズモン結合型としては、金属と電気光学ポリマーとの界面に局在するＳＰＰと、導波路を伝搬する導波光との結合を利用して透過光を変調する光変調器がある（例えば、特許文献１参照）。この光変調器では、電気光学ポリマーに電界を印加することによりＳＰＰの励起条件を操作して、導波光とＳＰＰとの結合の強弱により透過光を変調する。【０００７】
図３０は、特許文献１に記載された従来のプラズモン変調器の断面図である。【０００８】
プラズモン変調器８０１は、導波路部と、導波路部に隣接して配置されたプラズモン励起部とにより構成されている。導波路部は、２つの被覆材料８０３に挟まれたウェーブガイド８０２により構成されている。また、プラズモン励起部は、２つの金属電極８０５ａ及び８０５ｂに挟まれた光電材料８０６により構成されている。特許文献１では、光電材料８０６として電気光学ポリマーが紹介されている。導波路部とプラズモン励起部とは、バッファ層８０４を介して隣接している。【０００９】
プラズモン変調器８０１内には、ウェーブガイド８０２を伝搬する導波光と、金属電極８０５ａと光電材料８０６との界面に局在するＳＰＰとが存在する。導波光のエネルギは、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされたときにＳＰＰと結合し、吸収される。ＳＰＰの波数は界面周辺の屈折率に依存する。このため、プラズモン変調器８０１は、光電材料８０６に電界を印加して電気光学効果により光電材料８０６の屈折率を変化させることで、ＳＰＰの波数を制御して、ＳＰＰと導波光との結合度を制御することができる。プラズモン変調器８０１は、ＳＰＰとの結合による導波光の減衰量を制御することで、プラズモン変調器８０１を透過した出力光の強度変調を行うことができる。【００１０】
また、特許文献２では、金属電極に２次元周期構造を形成することが提案されている。これにより、特許文献１の構成では屈折率が高くて利用することのできなかった電気光学効果の顕著なＬｉＮｂＯ３又はＫＴＰなどの電気光学結晶を用いることができる。【００１１】
しかしながら、電気光学ポリマーの電気光学効果による屈折率変化量は、３０Ｖ／ｕｍの電界印加時において０．００１程度であり、非常に小さい。このため、導波光とＳＰＰとの印加電界の有無による位相整合条件の変化が小さく、ＳＰＰとの結合に起因する導波光の減衰量の差が小さい。従来、印加電界の有無による、導波光の減衰量の差が小さいため、変調光の変調度が低いという課題があった。また、変調器長を長くすることで変調度を上げることも可能ではあるが、この場合、変調器の挿入ロスが大きくなるという問題がある。【００１２】
また、特許文献２で提案されているようなＬｉＮｂＯ３又はＫＴＰが用いられる構成であっても屈折率変化は小さい。例えば、ＬｉＮｂＯ３が用いられる場合、電気光学効果による屈折率変化は、ＬｉＮｂＯ３結晶の絶縁破壊電界である１０Ｖ／ｕｍの電界印加時において０．００１６程度である。このため、特許文献２の変調器では、導波光とＳＰＰとの位相整合条件の変化が小さく、導波光とＳＰＰとの結合度が変わらないので、高変調度を実現することは難しいという課題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平５−３１３１０８号公報
【特許文献２】特開２００８−１１２１５１号公報
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる光変調器、光ピックアップ及び光変調モジュールを提供することを目的とするものである。
【００１５】
本発明の一局面に係る光変調器は、導波光が伝搬する導波路と、前記導波路に隣接して形成された金属層と、前記金属層の前記導波路に隣接していない面側に形成された、導電性を有する導電性酸化物層と、前記導電性酸化物層に隣接して形成された絶縁層と、前記金属層と、前記導電性酸化物層又は前記絶縁層との間に電圧を印加する変調回路とを備え、前記導電性酸化物層と前記絶縁層とが隣接する界面は、前記金属層の導波路に隣接していない面から前記導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【００１６】
この構成によれば、導電性酸化物層と絶縁層とが隣接する界面は、金属層の導波路に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【００１７】
本発明によれば、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とに電圧が印加されると、導電性酸化物層と絶縁層との界面付近の導電性酸化物層の電子密度が変化して、導電性酸化物層の界面付近に大きな屈折率変化が生じる。このため、印加電圧の有無により導波光とＳＰＰとの位相整合条件が顕著に変化し、ＳＰＰとの結合に起因する、印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きくなる。印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きいため、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。
【００１８】
本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における光変調器の上面図である。
【図２】図１に示す光変調器のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における光変調器の正面図である。
【図４】変調回路によって金属層と導電層との間に電圧が印加されていない時のプラズモン変調器の断面と屈折率の分布とを示す図である。
【図５】変調回路によって金属層と導電層との間に電圧が印加されている時のプラズモン変調器の断面と屈折率の分布とを示す図である。
【図６】電子密度変化層の有無による多層膜の反射率変化を計算するための反射率計算モデルを示す図である。
【図７】真空中の波長が８００ｎｍである光が導波路側から入射角度θで金属層に入射した場合の反射率の計算結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１の第１の変形例におけるプラズモン変調器の導波路幅方向の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の第２の変形例におけるプラズモン変調器の導波路幅方向の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の第３の変形例におけるプラズモン変調器の正面図である。
【図１１】図１０に示すプラズモン変調器のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１の第４の変形例におけるプラズモン変調器の導波路幅方向の断面図である。
【図１３】図１２に示すプラズモン変調器のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１の第５の変形例におけるプラズモン変調器の導波光伝搬方向の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１の第６の変形例におけるプラズモン変調器の導波光伝搬方向の断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における光変調モジュールの上面図である。
【図１７】図１６に示す光変調モジュールのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【図１８】図１６に示す光変調モジュールのＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。
【図１９】変調回路によって金属層と導電性酸化物層との間に電圧が印加されていない時のスラブ型プラズモン変調器の断面と屈折率の分布とを示す図である。
【図２０】変調回路によって金属層と導電性酸化物層との間に電圧が印加されている時のスラブ型プラズモン変調器の断面と屈折率の分布とを示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態３における光ピックアップの概略構成を示す図である。
【図２２】図２１に示す集光器の側面図である。
【図２３】図２１に示す集光器の底面図である。
【図２４】本発明の実施の形態４における光変調モジュールの上面図である。
【図２５】図２４に示す光変調モジュールのＸＸＶ−ＸＸＶ線断面図である。
【図２６】図２４に示す光変調モジュールのＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線断面図である。
【図２７】本発明の実施の形態４の第１の変形例における光変調モジュールの導波路幅方向の断面図である。
【図２８】本発明の実施の形態４の第２の変形例における光変調モジュールの導波路幅方向の断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態５における光通信システムの全体構成を示すブロック図である。
【図３０】従来のプラズモン変調器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態１におけるプラズモン変調器（光変調器）１０１の概略構成を示す図である。図１は、本発明の実施の形態１におけるプラズモン変調器１０１の上面図である。図２は、図１に示すプラズモン変調器１０１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、本発明の実施の形態１におけるプラズモン変調器１０１の正面図である。
【００２２】
図１〜図３において、プラズモン変調器１０１は、クラッド１１１上に形成された導波光が伝搬する導波路１１２と、導波路１１２に隣接して形成された金属層１１３と、金属層１１３上に形成された導電性を有する導電性酸化物層１１４と、導電性酸化物層１１４上に形成された絶縁層１１５と、絶縁層１１５上に形成された導電層１１６とを備える。なお、図１〜図３において、ｘ方向は、導波路幅方向を示し、ｙ方向は、導波路厚さ方向を示し、ｚ方向は、導波光伝搬方向を示す。また、ｙ方向は、各層が積層される方向であり、ｘ方向は、ｚ方向（導波光伝搬方向）及びｙ方向（各層が積層される方向）に垂直な方向である。また、他の図におけるｘ方向、ｙ方向及びｚ方向についても、上記と同様である。
【００２３】
導電性酸化物層１１４の厚さは、導波光の真空中の波長よりも薄い。導電性酸化物層１１４と絶縁層１１５との界面１１は、金属層１１３の導波路１１２に隣接していない面からに導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。変調回路１０２は、金属層１１３と導電層１１６との間に電圧を印加して出力光を変調する。
【００２４】
なお、導電性酸化物層１１４は、金属層１１３の導波路に隣接していない面側に形成される。絶縁層１１５は、導電性酸化物層１１４に隣接して形成される。導電層１１６は、絶縁層１１５に電圧を印加するための電極として機能する。変調回路１０２は、金属層１１３と、導電性酸化物層１１４又は絶縁層１１５との間に電圧を印加する。
【００２５】
金属層１１３と導電性酸化物層１１４との界面にはＳＰＰが存在できる。導波光のエネルギは、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされたときにＳＰＰと結合し、吸収される。ＳＰＰの波数は界面周辺の屈折率に依存する。変調回路１０２は、金属層１１３と導電層１１６との間に電圧を印加して導電性酸化物層１１４の屈折率を変化させる。これにより、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が変化し、光が変調される。導電性酸化物層１１４の屈折率変化のメカニズムについては後で説明する。
【００２６】
クラッド１１１は、導波路１１２よりも屈折率の低い物質で構成され、例えばガラス又は樹脂で構成される。導波路１１２は、２次元的に光が閉じ込められるチャネル導波路である。導波路１１２の厚さ及び幅は、導波路１１２がシングルモードとなるように設計されることが好ましい。これにより、導波路１１２に励起される導波モードの実効屈折率が一意に決定され、効率よく導波光をＳＰＰと結合させることができる。導波路１１２の材料は、例えばガラスに比べて屈折率の高いＳｉＮなどである。入射光の真空中波長は、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光域であり、導波路厚さ方向の直線偏光を有する。導波路１１２を伝搬する導波光は直線偏光である。導波路１１２を伝搬する導波光の主な偏光方向は、金属層１１３に対して垂直な方向である。なお、導波光の主な偏光方向とは、導波路１１２を通過する例えば５０％以上の導波光の偏光方向である。
【００２７】
入射光により、導波路１１２において、主な偏光方向が導波路厚さ方向であるＴＭモードの導波光が励振される。ＳＰＰと結合可能な導波光は、金属層１１３の表面に対して垂直な成分の偏光を有するＴＭモードの導波光のみである。そのため、導波光をＴＭモードとすることで高い変調度を得ることができる。
【００２８】
金属層１１３の材料は、金又は銀などの表面プラズモン共鳴を励起できる金属であればよい。また、図３に示すように、金属層１１３の幅Ｗ２は、導波路１１２の幅Ｗ１よりも大きい（Ｗ２＞Ｗ１）。このような構成により、ＳＰＰと結合した後に熱として金属層１１３に吸収される導波光のエネルギを効率よく放熱することができる。
【００２９】
導電性酸化物層１１４は、例えばＩＴＯ又はＩＺＯにより構成される。また、導電性酸化物層１１４の厚さは、導波光の真空中の波長以下である。さらに、導電性酸化物層１１４の厚さは、例えば５ｎｍ以上であることが好ましく、例えば１０ｎｍ以上であることがより好ましい。絶縁層１１５は、導波路１１２の屈折率よりも屈折率の低い例えばＳｉＯ２などの絶縁体により構成される。導電層１１６の材料は、導電性を有する物質であればよく、金属であっても導電性酸化物であってもよい。
【００３０】
このようなプラズモン変調器１０１の多層構造は、スパッタ法、蒸着法又はフォトリソグラフィ技術を用いて作製される。
【００３１】
ここで、変調回路１０２により、金属層１１３と導電層１１６との間に電圧が印加されることによって生じる導電性酸化物層１１４における屈折率の変化について図４及び図５を用いて説明する。図４は、変調回路１０２によって金属層１１３と導電層１１６との間に電圧が印加されていない時のプラズモン変調器１０１の断面と屈折率ｎの分布とを示す図であり、図５は、変調回路１０２によって金属層１１３と導電層１１６との間に電圧が印加されている時のプラズモン変調器１０１の断面と屈折率ｎの分布とを示す図である。
【００３２】
図５において、金属層１１３と導電層１１６との間に電圧が印加されると、導電性酸化物層１１４内の導電性酸化物層１１４と絶縁層１１５との界面１１近傍の領域において、電子密度が増大又は減少する電子密度変化層１１４ａが生成される。
【００３３】
非特許文献（Ｅｙａｌ  Ｆｅｉｇｅｎｂａｕｍ、Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｄｉｅｓｔ及びＨａｒｒｙ  Ａ．Ａｔｗａｔｅｒ、“Ｕｎｉｔｙ−Ｏｒｄｅｒ  Ｉｎｄｅｘ  Ｃｈａｎｇｅ  ｉｎ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｏｘｉｄｅｓ  ａｔ  Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ”、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１０年１０月、２１１１−２１１６）によると、電子密度が１０１９ｃｍ−３以上１０２１ｃｍ−３以下である導電性酸化膜は、波長５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光域において電子密度変化による屈折率変化が大きく、かつ良好な透過性を示す。
【００３４】
上記の非特許文献では、金属電極、導電性酸化物層、絶縁層及び金属電極が積層され、導電性酸化物としてＩＴＯを用いた場合の屈折率変化が報告されている。また、上記の非特許文献では、絶縁層に２５Ｖ／ｕｍの電界が印加されることによって、導電性酸化物層と絶縁層との界面から５ｎｍ程度のごく狭い範囲において、ＩＴＯの屈折率が１．９５から０．５５まで変化したと報告されている。
【００３５】
一般に、ＳＰＰは、金属表面からの距離が光の波長以下となる領域に局在しているため、ＳＰＰの位相整合条件は金属表面近傍の屈折率に大きく依存する。このため、導電性酸化物層１１４と絶縁層１１５との界面１１が、金属層１１３の表面からの距離が導波光の真空中の波長以下となる領域に形成されることで、電子密度変化層１１４ａを金属層１１３近傍に形成でき、電子密度変化層１１４ａの屈折率変化によるＳＰＰの位相整合条件の変化量を大きくすることができる。電子密度変化層１１４ａの影響を大きくするために、導電性酸化物層１１４の厚さは１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３６】
図６及び図７を用いて、電子密度変化層１１４ａの有無によるＳＰＰと導波光との位相整合条件の変化について説明する。図６は、電子密度変化層１１４ａの有無による多層膜の反射率変化を計算するための反射率計算モデルを示す図である。反射率計算モデルは、ＳｉＮで構成された導波路１１２上に、Ａｇで構成された金属層１１３と、ＩＴＯで構成された導電性酸化物層１１４と、導電性酸化物層１１４内に生成された電子密度変化層１１４ａと、ＳｉＯ２で構成された絶縁層１１５とが順に積層された多層構造によりモデル化されている。
【００３７】
導波路１１２（ＳｉＮ）の厚さは半無限とし、導波路１１２の屈折率は２．０１とした。金属層１１３（Ａｇ）の厚さは４０ｎｍとし、金属層１１３の屈折率は０．１６９＋４．８７８ｉとした。導電性酸化物層１１４（ＩＴＯ）の厚さは２０ｎｍとし、電圧印加時に生成される電子密度変化層１１４ａの厚さは５ｎｍとした。導電性酸化物層１１４（ＩＴＯ）の屈折率は１．９５とし、電子密度変化層１１４ａ（ＩＴＯ）の屈折率は０．８とした。絶縁層１１５（ＳｉＯ２）の厚さは半無限とし、絶縁層１１５の屈折率は１．４５とした。
【００３８】
図７は、真空中の波長が８００ｎｍである光が導波路１１２側から入射角度θで金属層１１３に入射した場合の反射率の計算結果を示す図である。図７において、反射率が最小となる角度において、入射光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされている。
【００３９】
図７中の実線は、電圧が印加されていない場合の反射率の入射角度依存性を示している。電圧が印加されていない場合は、入射角度θ＝５２．７度において反射率が最小となり、位相整合条件が満たされる。入射角度θ＝５２．７度に対応する導波路１１２の実効屈折率は１．６０である。一方、図７中の破線は、電圧が印加されている場合の反射率の入射角度依存性を示している。電圧が印加されている場合は、入射角度θ＝４８．７度において反射率が最小となり、位相整合条件が満たされる。入射角度θ＝４８．７度に対応する導波路１１２の実効屈折率は１．５１である。
【００４０】
これらの結果から、印加電圧の有無により、位相整合条件を満たす導波路１１２の実効屈折率が１．６０から１．５１へと大きく変化していることがわかる。
【００４１】
また、多層膜の計算から求められたＳＰＰのエネルギが１／ｅ２に減衰する距離は、電圧が印加されていない場合で５．１ｕｍであり、電圧が印加されている場合で８．５ｕｍであった。このため、導波光のエネルギはＳＰＰに吸収された後、急激に減衰し、ＳＰＰのエネルギが再度導波光に結合することはない。ＳＰＰが減衰する距離が短いので、変調器長を短くすることができる。
【００４２】
図６の反射率計算モデルにおいて、導波路１１２の実効屈折率が１．５１となるように導波路１１２を設計した場合を例に、金属層１１３と導電層１１６との間に電圧を印加することによって出力光を変調するメカニズムを説明する。
【００４３】
導波路１１２の実効屈折率が１．５１となるように導波路１１２が設計された場合、電圧が印加されると導電性酸化物層１１４内に電子密度変化層１１４ａが生成され、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされる。導波光は、金属層１１３と導電性酸化物層１１４との界面を伝搬するＳＰＰに結合し、導波光のエネルギは、ＳＰＰに吸収される。ＳＰＰは、金属表面に局在した波であるため、エネルギは金属によって大きく吸収される。このため、導波光からＳＰＰに移ったエネルギはすぐに失われてしまい、ＳＰＰが再び導波光に結合することはない。このように、電圧が印加された時、導波光のエネルギは金属層１１３に吸収されるので、導波路１１２から出力される光の量は小さくなる。
【００４４】
一方、電圧が印加されない場合、電子密度変化層１１４ａは生成されない。この場合、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされることがなく、導波光とＳＰＰとの結合は起こらない。このため、電圧が印加されていない時、導波光の減衰は少ないので、導波路１１２から出力される光の量は大きくなる。
【００４５】
また、導波路１１２の実効屈折率が１．６０となるように導波路１１２が設計された場合、電圧が印加された時に導波路１１２から出力される光の量は大きくなる。
【００４６】
以上のように、印加電圧の有無により、導波光とＳＰＰとの結合の有無を制御することで、出力光を変調することができる。
【００４７】
以上に説明したように、本実施の形態１のプラズモン変調器１０１は、金属層１１３上に形成された導電性を有する導電性酸化物層１１４と、導電性酸化物層１１４上に形成された絶縁層１１５とを備える。また、導電性酸化物層１１４と絶縁層１１５とが隣接する界面１１は、金属層１１３の導波路１１２に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。これにより、導電性酸化物層１１４内の絶縁層１１５との界面１１近傍に顕著な屈折率変化が生じるので、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。
【００４８】
また、プラズモン変調器１０１は、金属層１１３上に形成された導電性を有する導電性酸化物層１１４と、導電性酸化物層１１４上に形成された絶縁層１１５とを備えることで、絶縁層１１５の厚さを厚くすることができ、導電層１１６と金属層１１３とにより発生する寄生容量を抑制することができ、高速な光変調が可能となる。
【００４９】
また、実施の形態１のプラズモン変調器１０１において、導波路１１２を伝搬する導波光の真空中における波長は、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。このため、導電性酸化物層１１４の電子密度変化に対する屈折率変化量が大きくなり、高い変調度を得ることができる。
【００５０】
また、実施の形態１のプラズモン変調器１０１において、導波路１１２を伝搬する導波光は、直線偏光であり、導波光の主な偏光方向は、金属層１１３に対して垂直な方向である。このため、導波光とＳＰＰとを効率よく結合させることができ、高い変調度を得ることができる。
【００５１】
また、実施の形態１のプラズモン変調器１０１において、金属層１１３の幅Ｗ２は、導波路１１２の幅Ｗ１よりも大きい。このため、ＳＰＰとの結合によって金属層１１３に吸収された導波光のエネルギによって発生する熱を効率よく放熱することができる。
【００５２】
なお、実施の形態１では、導波路１１２を伝搬する導波光の真空中における波長を５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下としているが、導電性酸化物層１１４の電子密度を、利用する波長に対して屈折率変化が起こるような電子密度に調節すれば、導波光の真空中における波長は例えば近赤外波長であってもよい。導波光の真空中における波長は、特に波長５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲に限定されない。
【００５３】
図８は、本発明の実施の形態１の第１の変形例におけるプラズモン変調器１２１の導波路幅方向の断面図である。図８に示すように、導電層１１６上にさらにクラッド１１１が積層されてもよい。図８に示すプラズモン変調器１２１は、導電層１１６上に形成されたクラッド１１１をさらに備える。導電層１１６上にクラッド１１１が積層されることで導波路１１２の対称性が良くなり、導波光とＳＰＰとの結合効率を向上させることができる。
【００５４】
図９は、本発明の実施の形態１の第２の変形例におけるプラズモン変調器１３１の導波路幅方向の断面図である。図９に示すように、導波路１１２上の一部に、金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６を配置しても良い。すなわち、金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６の導波光の伝搬方向の長さは、導波路１１２の導波光の伝搬方向の長さよりも短くしてもよい。また、金属層１１３、導電性酸化物層１１４及び絶縁層１１５の導波光の伝搬方向の長さは、導波路１１２の導波光の伝搬方向の長さよりも短くしてもよい。金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６の導波光の伝搬方向の長さが導波路１１２の導波光の伝搬方向の長さよりも短いため、プラズモン変調器１３１の取り扱いが容易となる。
【００５５】
図１０は、本発明の実施の形態１の第３の変形例におけるプラズモン変調器１４１の正面であり、図１１は、図１０に示すプラズモン変調器１４１のＸＩ−ＸＩ線断面図である。図１０及び図１１に示すように、導波路１１２は、リッジ導波路であってもよい。もしくは、導波路１１２は、リブ導波路であってもよい。
【００５６】
また、図１０及び図１１に示すように、金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６は、導波路幅方向に対してパターニングされていなくても良い。図１０及び図１１において、プラズモン変調器１４１では、クラッド１１１上に形成された導波路１１２上に、金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６が順次成膜される。このため、導波路幅方向に対するパターニングが不要であり、プラズモン変調器１４１の作製が容易になる。
【００５７】
また、プラズモン変調器は光ファイバに形成されても良い。図１２は、本発明の実施の形態１の第４の変形例における光ファイバ１５２に形成されたプラズモン変調器１５１の導波路幅方向の断面図であり、図１３は、図１２に示すプラズモン変調器１５１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【００５８】
プラズモン変調器１５１は、作製プロセスにおいて結晶成長工程を必要とせず、スパッタ又は蒸着による成膜で作製することができる。このため、プラズモン変調器１５１は、光ファイバ１５２に形成することができる。図１２及び図１３において、光ファイバ１５２のクラッド１１１の一部が削られて、プラズモン変調器１５１が形成されている。光ファイバ１５２内にプラズモン変調器１５１が形成されることで、導波光を外部に設けられた光変調器に結合する必要がない。このため、導波光の結合損失を抑えることができる。また、光ファイバ１５２が光変調器を兼ねることで、光変調器の作製コストを抑えることができる。
【００５９】
なお、光ファイバにプラズモン変調器を形成する構成の更に別の例として、図１４及び図１５のような構成としてもよい。
【００６０】
図１４は、本発明の実施の形態１の第５の変形例における光ファイバ１６２に形成されたプラズモン変調器１６１の導波光伝搬方向の断面図である。
【００６１】
図１４に示すように、光ファイバ１６２内のプラズモン変調器１６１の断面形状は、半円形状であってもよい。すなわち、円形状の断面を有する導波路１１２上に、半円形状の断面を有する金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６が積層されてもよい。また、導波路１１２、金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６の周囲を覆うようにクラッド１１１が形成される。
【００６２】
図１５は、本発明の実施の形態１の第６の変形例における光ファイバ１７２に形成されたプラズモン変調器１７１の導波光伝搬方向の断面図である。
【００６３】
図１５に示すように、光ファイバ１７２内のプラズモン変調器１７１の断面形状は、円形状であってもよい。すなわち、円形状の断面を有する導波路１１２の周りに、円形状の断面を有する金属層１１３、導電性酸化物層１１４、絶縁層１１５及び導電層１１６が積層されてもよい。また、導電層１１６の周囲を覆うようにクラッド１１１が形成される。
【００６４】
（実施の形態２）
図１６〜図１８は、本発明の実施の形態２における光変調モジュール２０１の概略構成を示す図である。図１６〜図１８において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１６は、本発明の実施の形態２における光変調モジュール２０１の上面図である。図１７は、図１６に示す光変調モジュール２０１のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。図１８は、図１６に示す光変調モジュール２０１のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。
【００６５】
図１６〜図１８において、光変調モジュール２０１は、光源２００と、幅が広い導波路を有するスラブ型プラズモン変調器（光変調器）２０２と、スラブ型プラズモン変調器２０２と同一基板上に形成されたスポットサイズコンバータ２０３とを備える。光源２００は、スラブ型プラズモン変調器２０２に光を入射させる。スポットサイズコンバータ２０３は、スラブ型プラズモン変調器２０２に接続され、導波光の伝搬方向に向かって幅が徐々に細くなるテーパ導波路２１６を備える。
【００６６】
スラブ型プラズモン変調器２０２は、クラッド２１１上に形成された導波光が伝搬するスラブ導波路２１２と、スラブ導波路２１２に隣接して形成された金属層２１３と、金属層２１３上に形成された絶縁層２１４と、絶縁層２１４上に形成された導電性を有する導電性酸化物層２１５とを備える。スラブ型プラズモン変調器２０２において、導電性酸化物層２１５は、絶縁層２１４に電圧を印加するための電極として機能する。すなわち、導電性酸化物層２１５は、実施の形態１の導電層１１６の機能を兼ねている。
【００６７】
絶縁層２１４の厚さは、導波光の真空中の波長よりも薄い。絶縁層２１４と導電性酸化物層２１５との界面２１は、金属層２１３のスラブ導波路２１２に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。変調回路１０２は、金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧を印加して出力光を変調する。
【００６８】
金属層２１３と絶縁層２１４との界面にはＳＰＰが存在できる。導波光のエネルギは、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされたときにＳＰＰと結合し、吸収される。ＳＰＰの波数は界面周辺の屈折率に依存する。変調回路１０２は、金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧を印加して導電性酸化物層２１５の屈折率を変化させる。これにより、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が変化し、光が変調される。導電性酸化物層２１５の屈折率変化のメカニズムについては後で説明する。
【００６９】
導電性酸化物層２１５上にはさらにクラッド２１１が積層されており、導波光の対称性が良くなる。このため、入射光と導波光との結合効率、及び、スラブ型プラズモン変調器２０２とスポットサイズコンバータ２０３との結合効率を高めることができる。
【００７０】
クラッド２１１は、スラブ導波路２１２よりも屈折率の低い物質で構成され、例えばガラス又は樹脂で構成される。スラブ導波路２１２は、１次元的に光が閉じ込められるスラブ導波路である。スラブ導波路２１２の厚さは、スラブ導波路２１２がシングルモードとなるように設計されることが好ましい。これにより、スラブ導波路２１２に励起される導波モードの実効屈折率が一意に決定され、効率よく導波光をＳＰＰと結合させることができる。スラブ導波路２１２の材料は、例えばガラスに比べて屈折率の高いＳｉＮなどである。
【００７１】
光は、シリンドリカルレンズによって導波路厚さ方向にのみ集光されてスラブ導波路２１２に入射される。このため、スラブ型プラズモン変調器２０２は、導波路幅方向に対する入射光のアライメント精度が必要ないという利点を有する。スラブ導波路２１２の幅は、入射光の幅方向のスポットサイズ以上であればよい。入射光は、導波路厚さ方向の直線偏光を有する。
【００７２】
入射光により、スラブ導波路２１２において、主な偏光方向が導波路厚さ方向であるＴＭモードの導波光が励振される。ＳＰＰと結合可能な導波光は、ＴＭモードの導波光のみである。そのため、導波光をＴＭモードとすることで高い変調度を得ることができる。
【００７３】
金属層２１３の材料は、金又は銀など表面プラズモン共鳴を励起できる金属であればよい。絶縁層２１４は、スラブ導波路２１２の屈折率よりも屈折率の低い例えばＳｉＯ２などの絶縁体により構成される。また、絶縁層２１４の厚さは、導波光の真空中の波長以下である。さらに、絶縁層２１４の厚さは、例えば５ｎｍ以上であることが好ましく、例えば１０ｎｍ以上であることがより好ましい。導電性酸化物層２１５は、例えばＩＴＯ又はＩＺＯにより構成される。
【００７４】
スポットサイズコンバータ２０３は、クラッド２１１に挟まれたテーパ導波路２１６を備える。テーパ導波路２１６は、スラブ導波路２１２と滑らかに接続されており、導波光の伝搬方向に向かって徐々に幅が細くなる形状を有している。これにより、スラブ導波路２１２を出射した光の導波路幅方向のスポットサイズを徐々に小さくすることができ、スラブ型プラズモン変調器２０２からの出力光を効率よく光ファイバなどに結合させることができる。
【００７５】
スラブ型プラズモン変調器２０２及びスポットサイズコンバータ２０３の多層構造は、スパッタ法、蒸着法又はフォトリソグラフィ技術を用いて作製される。
【００７６】
ここで、変調回路１０２により、金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧が印加されることによって生じる導電性酸化物層２１５における屈折率の変化について図１９及び図２０を用いて説明する。図１９は、変調回路１０２によって金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧が印加されていない時のスラブ型プラズモン変調器２０２の断面と屈折率ｎの分布とを示す図であり、図２０は、変調回路１０２によって金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧が印加されている時のスラブ型プラズモン変調器２０２の断面と屈折率ｎの分布とを示す図である。
【００７７】
図２０において、金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧が印加されると、導電性酸化物層２１５内の絶縁層２１４と導電性酸化物層２１５との界面近傍の領域において、電子密度が増大又は減少する電子密度変化層２１５ａが生成される。実施の形態１で前述したのと同様の原理により、電子密度変化により、電子密度変化層２１５ａの屈折率は大きく変化する。
【００７８】
実施の形態１で前述したように、ＳＰＰの位相整合条件は金属表面近傍の屈折率に大きく依存する。このため、導電性酸化物層２１５と絶縁層２１４との界面２１が、金属層２１３の表面からの距離が導波光の真空中の波長以下となる領域に形成されることで、電子密度変化層２１５ａを金属層２１３近傍に形成でき、電子密度変化層２１５ａの屈折率変化によるＳＰＰの位相整合条件の変化量を大きくすることができる。電子密度変化層２１５ａの影響を大きくするために、絶縁層２１４の厚さは１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００７９】
以下、電圧印加時に導波光とＳＰＰとが位相整合条件を満たすようにスラブ導波路２１２を設計した場合を例に、金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧を印加することによって出力光を変調するメカニズムを説明する。
【００８０】
金属層２１３と導電性酸化物層２１５との間に電圧が印加されると、導電性酸化物層２１５内に屈折率が変化した電子密度変化層２１５ａが生成される。このとき、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされる。導波光は、金属層２１３と絶縁層２１４との界面を伝搬するＳＰＰに結合し、導波光のエネルギは、ＳＰＰに吸収される。ＳＰＰは、金属表面に局在した波であるため、エネルギは金属によって大きく吸収される。このため、導波光からＳＰＰに移ったエネルギはすぐに失われてしまい、ＳＰＰが再び導波光に結合することはない。このように、電圧が印加された時、導波光のエネルギは金属層２１３に吸収されるので、スラブ導波路２１２から出力される光の量は小さくなる。
【００８１】
一方、電圧が印加されない場合、電子密度変化層２１５ａは生成されない。この場合、導波光とＳＰＰとの位相整合条件が満たされることがなく、導波光とＳＰＰとの結合は起こらない。このため、電圧が印加されていない時、導波光の減衰は少ないので、スラブ導波路２１２から出力される光の量は大きくなる。
【００８２】
また、電圧が印加されない時に導波光とＳＰＰとが位相整合条件を満たすようにスラブ導波路２１２が設計された場合、電圧が印加された時にスラブ導波路２１２から出力される光の量は大きくなる。
【００８３】
以上のように、印加電圧の有無により、導波光とＳＰＰとの結合の有無を制御することで、出力光を変調することができる。
【００８４】
以上に説明したように、本実施の形態２のスラブ型プラズモン変調器２０２は、金属層２１３上に形成された絶縁層２１４と、絶縁層２１４上に形成された導電性を有する導電性酸化物層２１５とを備える。また、絶縁層２１４と導電性酸化物層２１５とが隣接する界面２１は、金属層２１３の導波路１１２に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。これにより、導電性酸化物層２１５内の絶縁層２１４との界面２１近傍に顕著な屈折率変化が生じるので、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。
【００８５】
また、スラブ型プラズモン変調器２０２は、金属層２１３上に形成された絶縁層２１４と、絶縁層２１４上に形成された導電性を有する導電性酸化物層２１５とを備えることで、導電性酸化物層２１５の厚さを薄くする必要がなく、スラブ型プラズモン変調器２０２を容易に作製することができる。
【００８６】
また、導電性酸化物層２１５が絶縁層２１４に電圧を印加するための電極としての機能を兼ねるので、導電層が不要となり、スラブ型プラズモン変調器２０２を容易に作製することができる。
【００８７】
また、実施の形態２のスラブ型プラズモン変調器２０２において、スラブ導波路２１２を伝搬する導波光は、直線偏光であり、導波光の主な偏光方向は、金属層２１３に対して垂直な方向である。このため、導波光とＳＰＰとを効率よく結合させることができ、高い変調度を得ることができる。
【００８８】
また、実施の形態２のスラブ型プラズモン変調器２０２は、導波路として幅の広いスラブ導波路２１２を備える。このため、導波路に容易に光を入射させることができる。また、金属層２１３のスラブ導波路２１２に接する面の面積が広く、広範囲に分散して導波光の吸収が起こるため、金属層２１３の発熱による影響を抑制することができる。
【００８９】
また、実施の形態２のスラブ型プラズモン変調器２０２は、スラブ導波路２１２に接続され、導波光の伝搬方向に向かって幅が徐々に細くなるテーパ導波路２１６を備える。このため、スラブ型プラズモン変調器２０２で変調された出力光を効率よく光ファイバなどに結合させることができる。
【００９０】
以上、実施の形態１及び実施の形態２において説明した光変調器の主な構成を下記に示す。
【００９１】
実施の形態１及び実施の形態２において説明した光変調器は、導波光が伝搬する導波路と、導波路に隣接して形成された金属層と、金属層の導波路に隣接していない面側に形成された、導電性を有する導電性酸化物層と、導電性酸化物層に隣接して形成された絶縁層と、金属層と、導電性酸化物層又は絶縁層との間に電圧を印加する変調回路とを備える。導電性酸化物層と絶縁層とが隣接する界面は、金属層の導波路に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【００９２】
以上のように、光変調器において、導電性酸化物層と絶縁層とが隣接する界面は、金属層の導波路に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。これにより、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とに電圧が印加されると、導電性酸化物層と絶縁層との界面付近の導電性酸化物層の電子密度が変化して、導電性酸化物層の界面付近に大きな屈折率変化が生じる。このため、印加電圧の有無により導波光とＳＰＰとの位相整合条件が顕著に変化し、ＳＰＰとの結合に起因する、印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きくなる。印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きいため、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。このため、小面積で寄生容量が小さく、高速変調可能な高変調度の光変調器を実現することができる。
【００９３】
（実施の形態３）
図２１は、本発明の実施の形態３における光ピックアップの概略構成を示す図である。図２１において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００９４】
図２１において、実施の形態３における光ピックアップ３００は、実施の形態１のプラズモン変調器１０１を用いた光ピックアップである。実施の形態１で前述したように、プラズモン変調器１０１は、変調度の高い変調光を高速に出力することができるので、光ピックアップ３００の情報の転送レートを飛躍的に高めることができる。図２１に示す光ピックアップ３００は、実施の形態１のプラズモン変調器１０１と、プラズモン変調器１０１に光を入射させる半導体レーザ３０１と、プラズモン変調器１０１により変調された光を集光する集光器３０３とを備える。光ピックアップ３００は、集光器３０３により集光された変調光によって情報記録媒体である光ディスク３０４に情報を記録する。
【００９５】
より具体的に、光ピックアップ３００は、プラズモン変調器１０１と、半導体レーザ３０１と、集光器３０３と、受光素子３０５と、駆動回路３０６と、レンズ３１１と、レンズ３１２と、レンズ３１３と、ハーフミラー３１４と、レンズ３１８とを備える。
【００９６】
半導体レーザ３０１は、駆動回路３０６によって駆動され、導波路厚さ方向の直線偏光を有する光を放射する。レンズ３１１は、半導体レーザ３０１から放射された光をコリメートする。レンズ３１２は、レンズ３１１によってコリメートされた光をプラズモン変調器１０１に集光し、プラズモン変調器１０１内でＴＭモード導波光を励振させる。変調回路１０２は、光ディスク３０４に記録する情報に応じて、プラズモン変調器１０１に電圧を印加して導波光を変調する。
【００９７】
プラズモン変調器１０１は、光ディスク３０４に記録する情報に応じて変調した変調光を出射する。レンズ３１３は、プラズモン変調器１０１から出射された変調光をコリメートする。ハーフミラー３１４は、レンズ３１３によってコリメートされた変調光を分割する。レンズ３１８は、ハーフミラー３１４によって反射された変調光を受光素子３０５に集光する。受光素子３０５は、レンズ３１８によって集光された変調光を検出し、検出した変調光の光量に応じた検出信号を出力する。駆動回路３０６は、受光素子３０５からの検出信号に応じて、半導体レーザ３０１の駆動電圧を調整して、半導体レーザ３０１の放射光量を調節する。
【００９８】
集光器３０３は、ハーフミラー３１４を透過した変調光を光ディスク３０４に集光する。集光器３０３の構成については後で述べる。光ディスク３０４は、例えば相変化材料により構成される。相変化材料は、光の入射による発熱によって相状態が変化する。集光器３０３によって集光された光によって、相変化材料の相状態が変化して、情報が記録される。プラズモン変調器１０１は、光ディスク３０４に集光される光を変調する。これにより、光ディスク３０４に情報が記録される。
【００９９】
ここで、集光器３０３について説明する。図２２は、図２１に示す集光器３０３の側面図であり、図２３は、図２１に示す集光器３０３の底面図である。集光器３０３は、レンズ３１５と、基板３１６と、基板３１６上に形成された近接場光を発生させる金属アンテナ３１７とを備える。金属アンテナ３１７は、金、銀、アルミニウム又はクロムなどの変調光に対して局在プラズモン共鳴を励振する材料で構成される。金属アンテナ３１７の構造は、例えば図２３に示すような三角平板構造である。
【０１００】
レンズ３１５は、変調光を金属アンテナ３１７に集光する。金属アンテナ３１７に光が照射されると、金属アンテナ３１７の頂点近傍には、局在プラズモン共鳴により増強された近接場光が発生する。金属アンテナ３１７は、近接場光によって光ディスク３０４を局所的に加熱して、情報を記録する。
【０１０１】
以上に説明したように、本実施の形態３の光ピックアップは、実施の形態１の光変調器と、光変調器に光を入射させる光源と、光変調器により変調された光を集光する集光器とを備える。そして、光変調器は、導波光が伝搬する導波路と、導波路に隣接して形成された金属層と、金属層の導波路に隣接していない面側に形成された、導電性を有する導電性酸化物層と、導電性酸化物層に隣接して形成された絶縁層と、金属層と、導電性酸化物層又は絶縁層との間に電圧を印加する変調回路とを備える。導電性酸化物層と絶縁層とが隣接する界面は、金属層の導波路に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【０１０２】
上記構成により、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とに電圧が印加されると、導電性酸化物と絶縁層との界面付近の導電性酸化物層の電子密度が変化して、導電性酸化物層の界面付近に大きな屈折率変化が生じる。このため、印加電圧の有無により導波光とＳＰＰとの位相整合条件が顕著に変化し、ＳＰＰとの結合に起因する、印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きくなる。印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きいため、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。また、短い変調器長で変調光の変調度を高くすることができるため、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とによる寄生容量を抑制することができ、高速変調可能な高変調度の光変調器が実現できる。この光変調器を用いて光を変調し、情報を記録することで、光ピックアップの転送レートを高速化することができる。
【０１０３】
なお、実施の形態３では、金属アンテナ３１７の形状は、三角平板形状であるが、特に三角平板形状に限定されない。金属アンテナ３１７の形状は、例えば円盤型又はボウタイ型などの一般的な局在プラズモン共鳴を起こす形状であればよい。
【０１０４】
また、実施の形態３では、集光器３０３は、金属アンテナ３１７からの近接場光を用いて光を集光しているが、従来の光ピックアップに採用されているように、レンズ３１５を用いて光ディスク３０４に直接光を集光しても良い。
【０１０５】
（実施の形態４）
図２４〜図２６は、本発明の実施の形態４における光変調モジュール４０１の概略構成を示す図である。図２４〜図２６において、図１〜図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１０６】
図２４は、本発明の実施の形態４における光変調モジュール４０１の上面図である。図２５は、図２４に示す光変調モジュール４０１のＸＸＶ−ＸＸＶ線断面図である。図２６は、図２４に示す光変調モジュール４０１のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線断面図である。
【０１０７】
図２４〜図２６において、光変調モジュール４０１は、実施の形態１のプラズモン変調器１０１を用いた光変調モジュールである。実施の形態１で前述したように、プラズモン変調器１０１は、変調度の高い変調光を高速に出力することができるので、光変調モジュール４０１の情報の転送レートを飛躍的に高めることができる。図２４〜図２６に示す光変調モジュール４０１は、プラズモン変調器１０１と、プラズモン変調器１０１に光を入射する光源としての半導体レーザ４０２とを備える。光変調モジュール４０１は、光源（半導体レーザ４０２）からの光を変調して情報を送信する。
【０１０８】
プラズモン変調器１０１と半導体レーザ４０２とは同一の基板４０４上に作製される。半導体レーザ４０２内の導波路４０３の出射端と、プラズモン変調器１０１内の導波路１１２の入射端とは直接結合されている。このような構成は、半導体レーザ４０２の一部をエッチングにより除去した後に、スパッタ、蒸着又はフォトリソグラフィ技術によってプラズモン変調器１０１を作製することにより実現できる。半導体レーザ４０２とプラズモン変調器１０１とが一体化されているため、光変調モジュール４０１の小型化が可能である。また、光軸のアライメントが必要なく、安定した変調光を出力することができる。半導体レーザ４０２は、例えばＤＦＢ（分布帰還型：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ又はＤＢＲ（分布反射型：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザで構成される。これらのレーザは、導波路端面における光の反射がなくても機能するため、集積化に適している。
【０１０９】
半導体レーザ４０２から出射されたレーザ光は、導波光としてプラズモン変調器１０１に入射される。変調回路１０２は、送信する情報に応じてプラズモン変調器１０１に電圧を印加し、導波光を変調する。プラズモン変調器１０１から出力された変調光は、光ファイバなどに出力され、送信される。
【０１１０】
以上に説明したように、本実施の形態４の光変調モジュールは、実施の形態１の光変調器と、光変調器に光を入射させる光源とを備える。そして、光変調器は、導波光が伝搬する導波路と、導波路に隣接して形成された金属層と、金属層の導波路に隣接していない面側に形成された、導電性を有する導電性酸化物層と、導電性酸化物層に隣接して形成された絶縁層と、金属層と、導電性酸化物層又は絶縁層との間に電圧を印加する変調回路とを備える。導電性酸化物層と絶縁層とが隣接する界面は、金属層の導波路に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【０１１１】
上記構成により、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とに電圧が印加されると、導電性酸化物と絶縁層との界面付近の導電性酸化物層の電子密度が変化して、導電性酸化物層の界面付近に大きな屈折率変化が生じる。このため、印加電圧の有無により導波光とＳＰＰとの位相整合条件が顕著に変化し、ＳＰＰとの結合に起因する、印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きくなる。印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きいため、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。また、短い変調器長で変調光の変調度を高くすることができるため、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とによる寄生容量を抑制することができ、高速変調可能な高変調度の光変調器が実現できる。この光変調器を用いて光を変調し、情報を送信することで、光変調モジュールを小型化することができ、光変調モジュールの転送レートを高速化することができる。
【０１１２】
また、実施の形態４の光変調モジュール４０１では、光源である半導体レーザ４０２とプラズモン変調器１０１とが同一基板上に配置されている。このため、光変調モジュール４０１を小型化することができる。さらに、半導体レーザ４０２とプラズモン変調器１０１とのアライメントが不要であるため、半導体レーザ４０２からの光を高効率に安定してプラズモン変調器１０１に入射させることができる。
【０１１３】
図２７は、本発明の実施の形態４の第１の変形例における光変調モジュール５０１の導波路幅方向の断面図である。図２７に示すように、光変調モジュール５０１は、プラズモン変調器１０１の導波路１１２の出射端に光ファイバ５０２の導波路５０３を直接結合する構成にしてもよい。
【０１１４】
図２７に示す光変調モジュール５０１は、実施の形態１のプラズモン変調器１０１と、半導体レーザ４０２と、光ファイバ５０２とを備える。光ファイバ５０２は、導波路５０３と、導波路５０３の周囲を被覆するクラッド５０４とを備える。プラズモン変調器１０１の導波路１１２の出射端と、光ファイバ５０２の導波路５０３の入射端とは直接結合されている。
【０１１５】
図２８は、本発明の実施の形態４の第２の変形例における光変調モジュール６０１の導波路幅方向の断面図である。図２８に示すように、光変調モジュール６０１は、プラズモン変調器１０１の導波路１１２の入射端に第１の光ファイバ６０２の導波路６０４を直接結合するとともに、プラズモン変調器１０１の導波路１１２の出射端に第２の光ファイバ６０３の導波路６０５を直接結合する構成にしてもよい。光変調モジュール６０１とは別に設けた光源からの光は、第１の光ファイバ６０２を用いてプラズモン変調器１０１に入射し、プラズモン変調器１０１からの変調光は、第２の光ファイバ６０３に出射される。
【０１１６】
図２７に示す光変調モジュール６０１は、実施の形態１のプラズモン変調器１０１と、第１の光ファイバ６０２と、第２の光ファイバ６０３とを備える。第１の光ファイバ６０２は、導波路６０４と、導波路６０４の周囲を被覆するクラッド６０６とを備える。第２の光ファイバ６０３は、導波路６０５と、導波路６０５の周囲を被覆するクラッド６０７とを備える。プラズモン変調器１０１の導波路１１２の入射端と、第１の光ファイバ６０２の導波路６０４の出射端とは直接結合されている。また、プラズモン変調器１０１の導波路１１２の出射端と、第２の光ファイバ６０３の導波路６０５の入射端とは直接結合されている。
【０１１７】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５における光通信システムについて説明する。
【０１１８】
図２９は、本発明の実施の形態５における光通信システムの全体構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態５について、実施の形態１〜４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１１９】
図２９に示す光通信装置７０１は、光送信器７０２と、光伝送路７０３と、光受信器７０４とを備える。光送信器７０２は、送信情報に応じた変調光を出力する。光送信器７０２から出力された変調光は、光伝送路７０３を介して、光受信器７０４に入力される。
【０１２０】
光送信器７０２は、実施の形態４の光変調モジュール４０１と、送信制御部７０５と、送信信号処理部７０６と、変調制御部７０７とを備える。
【０１２１】
送信信号処理部７０６は、送信すべき情報である送信情報を受け取る。送信情報を受け取った送信信号処理部７０６は、送信制御部７０５にデータ送信を行うことを伝え、送信情報を基にして変調信号を生成し、生成した変調信号を変調制御部７０７に出力する。送信制御部７０５は、半導体レーザ４０２から光を出射するように半導体レーザ４０２を制御する。半導体レーザ４０２から出射された送信光は、プラズモン変調器１０１に導かれる。
【０１２２】
変調制御部７０７は、受け取った変調信号に基づいて、プラズモン変調器１０１の変調回路１０２を制御する。プラズモン変調器１０１は、導波路１１２を通過する導波光を送信情報に応じて変調し、変調光を出射する。出射された変調光は、光伝送路７０３に入射する。
【０１２３】
光伝送路７０３は、例えば光ファイバで構成され、光送信器７０２から出力された変調光を光受信器７０４へ伝送する。
【０１２４】
光受信器７０４は、光伝送路７０３によって伝送された変調光を光電変換して電気信号を検出し、検出した電気信号を復調して、受信情報を生成する。光受信器７０４は、生成した受信情報を出力する。
【０１２５】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
【０１２６】
本発明の一局面に係る光変調器は、導波光が伝搬する導波路と、前記導波路に隣接して形成された金属層と、前記金属層の前記導波路に隣接していない面側に形成された、導電性を有する導電性酸化物層と、前記導電性酸化物層に隣接して形成された絶縁層と、前記金属層と、前記導電性酸化物層又は前記絶縁層との間に電圧を印加する変調回路とを備え、前記導電性酸化物層と前記絶縁層とが隣接する界面は、前記金属層の導波路に隣接していない面から前記導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【０１２７】
この構成によれば、導電性酸化物層と絶縁層とが隣接する界面は、金属層の導波路に隣接していない面から導波光の真空中の波長よりも短い距離を隔てて形成される。
【０１２８】
したがって、金属層と導電性酸化物層と絶縁層とに電圧が印加されると、導電性酸化物層と絶縁層との界面付近の導電性酸化物層の電子密度が変化して、導電性酸化物層の界面付近に大きな屈折率変化が生じる。このため、印加電圧の有無により導波光とＳＰＰとの位相整合条件が顕著に変化し、ＳＰＰとの結合に起因する、印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きくなる。印加電圧の有無による導波光の減衰量の差が大きいため、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができる。
【０１２９】
また、上記の光変調器において、前記導電性酸化物層は、前記金属層上に形成され、前記絶縁層は、前記導電性酸化物層上に形成され、前記絶縁層上に形成された、前記絶縁層に電圧を印加するための電極として機能する導電層をさらに備えることが好ましい。
【０１３０】
この構成によれば、絶縁層上に形成された導電層が絶縁層に電圧を印加するための電極として機能するので、絶縁層の厚さを厚くすることができ、導電層と金属層とにより発生する寄生容量を抑制することができ、高速な光変調が可能となる。
【０１３１】
また、上記の光変調器において、前記絶縁層は、前記金属層上に形成され、前記導電性酸化物層は、前記絶縁層上に形成されることが好ましい。
【０１３２】
この構成によれば、絶縁層が金属層上に形成され、導電性酸化物層が絶縁層上に形成されるので、導電性酸化物層の厚さを薄くする必要がなく、光変調器を容易に作製することができる。
【０１３３】
また、上記の光変調器において、前記導電性酸化物層は、前記絶縁層に電圧を印加するための電極として機能することが好ましい。
【０１３４】
この構成によれば、電性酸化物層が、絶縁層に電圧を印加するための電極として機能するので、導電層が不要となり、光変調器を容易に作製することができる。
【０１３５】
また、上記の光変調器において、前記導波光の真空中の波長は、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１３６】
この構成によれば、導電性酸化物層の電子密度変化に対する屈折率変化量が大きくなり、高い変調度を得ることができる。
【０１３７】
また、上記の光変調器において、前記導波光は直線偏光であり、前記導波光の主な偏光方向は、前記金属層に対して垂直な方向であることが好ましい。
【０１３８】
この構成によれば、導波光が直線偏光であり、導波光の主な偏光方向が金属層に対して垂直な方向であるので、導波光とＳＰＰとを効率よく結合させることができ、高い変調度を得ることができる。
【０１３９】
また、上記の光変調器において、前記導波路は、スラブ導波路を含み、前記スラブ導波路に接続され、前記導波光の伝搬方向に向かって徐々に幅が細くなるテーパ導波路をさらに備えることが好ましい。
【０１４０】
この構成によれば、導波路がスラブ導波路を含むので、導波路に容易に光を入射させることができる。また、金属層のスラブ導波路に接する面の面積が広く、広範囲に分散して導波光の吸収が起こるため、金属層の発熱による影響を抑制することができる。さらに、テーパ導波路により、光変調器で変調された出力光を効率よく光ファイバなどに結合させることができる。
【０１４１】
また、上記の光変調器において、前記金属層の幅は、前記導波路の幅より大きいことが好ましい。
【０１４２】
この構成によれば、金属層の幅が導波路の幅より大きいので、ＳＰＰとの結合によって金属層に吸収された導波光のエネルギによって発生する熱を効率よく放熱することができる。
【０１４３】
また、上記の光変調器において、前記金属層、前記導電性酸化物層及び前記絶縁層の前記導波光の伝搬方向の長さは、前記導波路の前記導波光の伝搬方向の長さより短いことが好ましい。
【０１４４】
この構成によれば、金属層、導電性酸化物層及び絶縁層の導波光の伝搬方向の長さは、導波路の導波光の伝搬方向の長さより短いので、光変調器の取り扱いが容易となる。
【０１４５】
本発明の他の局面に係る光ピックアップは、上記のいずれかに記載の光変調器と、前記光変調器に光を入射させる光源と、前記光変調器により変調された光を集光する集光器とを備える。この構成によれば、上記の光変調器を光ピックアップに適用することができる。
【０１４６】
本発明の他の局面に係る光変調モジュールは、上記のいずれかに記載の光変調器と、前記光変調器に光を入射させる光源とを備える。この構成によれば、上記の光変調器を光変調モジュールに適用することができる。
【０１４７】
なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明に係る光変調器は、光変調器の長さが短くても、変調度を高くすることができるとともに、高速に変調することができ、光を変調する光変調器に有用であり、光通信用光変調器又は光通信用光変調モジュールとして有用である。【０１４９】
また、本発明に係る光変調器は、高い転送レートが必要とされる光ピックアップにも応用できる。このような光ピックアップは、光ディスクプレーヤ、光ディスクレコーダ、コンピュータ及びデータサーバなど多くの用途に応用できる。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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