(57)【要約】  本発明は、所与の波長（λ）の電磁波を、吸収を伴って伝搬する導波路（４）を含む変調器に関する。電気接合部（１１）などの手段により、ガイド内での電磁波の滞留時間を変えることが可能になる。本発明はまた、対応する変調方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の波長（λ）の電磁波を、吸収を伴って伝搬する導波路（４）を含む変調器であって、ガイド内での電磁波の滞留時間を変えるようになされた手段（１１）を特徴とする、変調器。
【請求項２】
導波路（４）が、所与の波長（λ）で吸収性の材料で製造される、請求項１に記載の変調器。
【請求項３】
導波路（４）が、ナノ構造（５）を含む、請求項１または２に記載の変調器。
【請求項４】
ナノ構造が、半導体量子箱（５）である、請求項３に記載の変調器。
【請求項５】
導波路（４）が、誘電率を規則的に変動させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項６】
導波路（４）が、フォトニック結晶（８）を含むガイド（４）である、請求項５に記載の変調器。
【請求項７】
滞留時間を変えるようになされた手段が、ガイド内での電磁波の屈折率を変えるようになされた手段を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項８】
屈折率を変えるようになされた手段が、電気接合部（１１）を含む、請求項７に記載の変調器。
【請求項９】
所与の波長（λ）を有しかつ吸収を伴って導波路（４）内を伝搬する電磁波を変調する方法であって、ガイド内での電磁波の滞留時間を変えるステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１０】
滞留時間を変えるステップが、導波路（４）内での電磁波の屈折率を変えることによって得られる、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路を含む変調器、例えば光変調器、および関連する変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
変調器は、波の伝送、例えば光変調器の場合は光の伝送を制御することを目的とする装置である。したがって、この概念は、例えばスイッチの場合は全か無かのベースで、連続的にまたは不連続的に伝送される波の強さを変化させることができる装置を対象としている。
【０００３】
現在、目的は、全体製作の簡素化およびそのサイズの縮小という視点で、シリコンベース材料で製作された構成要素に組み込まれ得るような構造を有する変調器を設計することである。
【０００４】
これに関連して、例えば欧州特許第１４０３６８４号明細書に記載されているように、電荷担体の注入または空乏によって材料の屈折率を変えることが、既に提案されている。このような屈折率を変えることは、導波路の共振のスペクトル変移または波の位相シフトを引き起こすことができ、その場合一般に、位相シフトされていない波に干渉するようになされる（マッハツェンダ型装置（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｄｅｖｉｃｅ））。
【０００５】
１つのそのようなマッハツェンダ型装置が、例えば米国特許出願第２００３／１６１５６５号明細書に記載されており、それによれば、装置の一方のブランチの信号を、他方のブランチ内を移動している信号に対して位相シフトさせるために、群速度を装置の一方のブランチ内で変動させる。
【０００６】
どちらのケース（共振の変移または位相シフトされた波の干渉）でも、生じる波、具体的にはその強さは、それ自体が電圧によって制御され得る電荷担体の濃度の関数として変動する。
【０００７】
しかし、利用される物理的現象のために、これらの装置では狭い周波数帯域でしか変調が得られない。さらに、マッハツェンダ型装置は、それらが電磁波の主要ガイド（ｍａｉｎ  ｇｕｉｄｅ）に付加的に結合されなければならない２つのブランチを利用するので、比較的複雑な構造を有する。
【０００８】
材料の吸収を変調し、それによってその材料を通過する波の強さを直接変調することについても提案されている。例えば、そのような解決法は、論文「Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｉｎｔｅｒｓｕｂｂａｎｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｉｎ  ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ」、Ａ．Ｆｅｎｉｇｓｔｅｉｎ等、ＰＰＬ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１９）、１９９５年５月８日、および「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ａｎｄ  ｉｎｔｒａｂａｎｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｅ／Ｓｉ  ｃｅｌｌｓ  ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｉｓｌａｎｄｓ」、Ｍ．Ｅｌｋｕｒｄｉ等、Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｅ１６（２００３）４５０／４５４で提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、シリコンベース材料の低吸収は、知られている技法を用いて伝送波の強さの高変調の発生を排除し、したがって知られている技法は、効率的でコンパクトな変調器の製造を不可能にする。
【００１０】
特にこれらの問題を解決するために、本発明は、所与の波長の電磁波を、吸収を伴って伝搬する導波路を含む変調器であって、ガイド内での電磁波の滞留時間を変えるようになされた手段を特徴とする変調器を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、ガイドの材料の固有吸収が比較的低い場合でも、電磁波を吸収する現象は、電磁波がガイド内に滞留する時間を長くすることによって増大され、その結果、この手段によって比較的高い吸収を得ることができる。
【００１２】
導波路は、例えば所与の波長で吸収性のある材料で製造される。
【００１３】
さらに導波路は、例えば半導体材料の量子箱または量子井戸とすることができるナノ構造を含むことができる。
【００１４】
これらの２つの技法は、両立できるものであり、既述のようにやはり比較的低くてもよい無視できない固有吸収を有する導波路を製造する。
【００１５】
導波路は、誘電率を規則的に変動させ、したがって、分散構造の物理的特性から、具体的にはブリルアン領域（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ｚｏｎｅ）の限界または中心における緩慢な伝搬モードの存在から恩恵を受けることができる。
【００１６】
１つの考えられる実施形態では、導波路は、フォトニック結晶ガイドである。そのようなガイドは、例えば、変調器を一体化して構成要素に簡略化する、シリコンベースの方法によって製造され得る。
【００１７】
さらに導波路は、縁部が正弦波形状を有する「リブ」または「リッジ」型のガイドとすることができる。
【００１８】
滞留時間を変えるようになされた手段は、実際には、ガイド内での電磁波の屈折率を変えるようになされた手段を含むことができる。この解決法は、屈折率を変えた結果として群速度を低下させ、緩慢な伝搬モードの場合にまさに上文で言及したとおりである。
【００１９】
１つの考えられる実施形態では、屈折率を変えるようになされた手段は、電気接合部を含むことができる。さらにこの解決法は、一体化して構成要素にするという点で有利である。
【００２０】
本発明はまた、所与の波長を有しかつ吸収を伴って導波路内を伝搬する電磁波を変調する方法であって、ガイド内での電磁波の滞留時間を変えるステップを含むことを特徴とする方法も提案する。
【００２１】
滞留時間を変えるステップは、例えば、導波路内での電磁波の屈折率を変えることによって得られる。
【００２２】
このような方法は、変調器に関して上文で既に言及した特徴および利点を有することができる。
【００２３】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照しながら与えられる以下の説明を考慮して明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１に示されている変調器は、入口領域２、導波路（この場合は光ガイド）４、および出口領域６を含む光変調器である。
【００２５】
ガイド４は、（例えば半導体材料内に規則的な穴で製作された）フォトニック結晶８で形成され、したがって誘電率を規則的に変動させる。
【００２６】
導波路４は、伝送されるべき電磁波を吸収するナノ構造、例えばゲルマニウムオンシリコン（ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）（Ｇｅ／Ｓｉ）の量子箱５（図２参照）を含む。あるいは、この吸収は、ガイドを製作するための吸収材料を選択することによって得ることができる。
【００２７】
シリコン技術では、材料の固有吸収は一般に、ほぼ１ｃｍ−１〜１０ｃｍ−１程度である。
【００２８】
フォトニック結晶８は、フォトニック結晶８の両側にそれぞれ位置する２つのコンタクト１０、１２を用いて電圧が印加され得る電気接合部１１内に配置される。
【００２９】
図２は、説明した変調器の断面を示し、そこでは電気接合部１１の構造がはっきり見える。
【００３０】
例えば、電気接合部１１は、その材料よりも低い光屈折率の挿入層、例えば酸化物層２２、具体的には酸化ケイ素層と共に、基板２０上に堆積される。電気接合部は、酸化物層２２上にコンタクト１２と電気的に接触した状態で堆積されたドープ半導体（この場合Ｓｉ−ｐ）で製作された第１の層１８と、第１の層１８上にコンタクト１２とは電気的に接触しない状態で堆積された半導体材料（この場合Ｓｉ）で製作された第２の層と、コンタクト１２と電気的に接触した状態にならずに第２の層１６上に堆積されたドープ半導体（この場合Ｓｉ−ｎ）の第３の層１４とで形成される。一方、コンタクト１０は第３の層１４上に直接堆積されて、その層を図１に示されている実施例における接地に接続する。
【００３１】
第３の層１４Ａは、第２の酸化物層２４で覆われてもよい。
【００３２】
図２を見て分かるように、第１の層１８、第２の層１６および第３の層１４（ならびに、該当する場合に第２の酸化物層２４）は、既に言及したフォトニック結晶８の穴を形成する開口によって一定間隔で横断されている。
【００３３】
さらに、光ガイド４において、半導体材料の第２の層１６は、既述のようにガイド内で吸収を引き起こすナノ構造（この場合、量子箱５）を含む。
【００３４】
波長λの準単色電磁波（例えば光波）が、入口領域２を経由してガイド４の中に入り、吸収を有するガイド４によってフォトニック結晶８を横切って伝送され、出口領域６を経由してフォトニック結晶８から出て来る。
【００３５】
電磁波は、図３に示されているような分散曲線上の点における傾斜で決定される群速度で、フォトニック結晶ガイド４内で伝搬する。
【００３６】
図３は、ゲルマニウムオンシリコンの量子壁または量子箱の（電気接合部１１によって得られる）電荷担体の比較的速い減少が使用されているケースを示し、このケースでは、分散曲線の一部分は、その凹面が下方に向いた状態で使用される。
【００３７】
それにかかわらず、凹面が上方に向いた状態の曲線部分が、使用される材料および吸収プロセスに応じて使用されてもよい。
【００３８】
フォトニック結晶８が分散構造であると、フォトニック結晶８の誘電率の規則的特性によって（すなわち、分散図のエネルギー帯構造によって）互いに結合されたフォトニック結晶８の光学モードが存在するために、導波路４の分散曲線（伝搬モードの波動ベクトルの関数としてエネルギーを表す）は、直線ではなく、したがって少なくとも１点で相殺される変化する傾斜を有する。
【００３９】
（図１に概略的に示されているようなコンタクト１０、１２を用いて）接合部１１内に電圧を印加することにより、フォトニック結晶８の電荷担体の数を変動させることができ、したがって、ガイド４の分散曲線のエネルギーは、（例えば図３の垂直シフトによって）例えば図２に示されている曲線Ｃ２から曲線Ｃ１にシフトされる。
【００４０】
これは、導波路４における光学モードの屈折率を変え、その結果、所与の波長に対する光の伝搬速度を変えることになる。
【００４１】
図３に示されているように、分散曲線のエネルギーをシフトさせることにより、分散曲線の高曲率が与えられる高電圧の印加を必要とすることなく、当該の波長λに対応する点でのこの曲線の傾斜をゼロまたは実質上ゼロにすることができる。
【００４２】
この現象は、ガイド内を伝搬する波の群速度を非常に顕著に（１００分の１に）低下させる。事実上は、群速度は、実際にｃ／３〜ｃ／１００に、さらにはｃ／１０００に低下され得る（ここでｃは光の速度である）。
【００４３】
このようにしてもたらされた光の非常に顕著な速度低下は、ガイド内での電磁波の滞留時間の対応する増加をもたらし、そのことは、光が導波路４を通過することによって全体的にもたらされる吸収の非常に大きな増加につながる。
【００４４】
全体の吸収αｇは実際には、ｖｇを群速度とする式αｇ＝αｉによって、固有吸収αｉに関連付けられる。
【００４５】
この効果は、波長λに近い波長に対して一様に適用され、その場合、分散曲線の傾斜は実質上ゼロであり、群速度は大幅に低下する。
【００４６】
実際には既述のように、ガイドの誘電率が規則的に変化する場合、ガイド内での滞留時間の変動Δｔは、（直線状ガイド内での場合のように）屈折率の変動Δｎに比例しないが、下記の数学的関係に従ってさらに増加することができる。
Δｔ≒Δｎ（∂ｔ／∂ｎ）＝Δｎ×ｌ×（（∂（ｌ／ｖｇ））／∂ｎ）
【００４７】
式中、ｌはガイドの長さ、ｖｇは群速度であり、数式項の（∂（ｌ／ｖｇ））／∂ｎは、既述のような誘電率の規則的変化により非常に大きくなる可能性がある。
【００４８】
したがって、１つの導波路しか含まない図１に示されている構造は、共振構造または並列ガイドの追加を必要とすることなく、マッハツェンダ型装置と同様に光変調器として使用され、それによって、回折損失を防止し、使用され得るスペクトル域を広げることができる。
【００４９】
接合部１１自体における電荷担体の濃度を変えることでは、その材料の吸収を、特にガイド４内で量子箱５によって制御することにさらに留意されたい。
【００５０】
したがって、接合部１１内にフォトニック結晶８を含むガイド４を配置することにより、下記の２つの効果、すなわち
光ガイドの固有吸収の変調と、
ガイドによって波の滞留時間を長くし、したがって吸収現象を増大させるための、誘導される光学モードの伝搬速度の変調と、
が組み合わされて、接合部に電圧が印加された場合にガイドによる伝送が変調される。
【００５１】
上文で与えられた実施例は、当然ながら、本発明の１つの考えられる実施形態にすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の教示に従って製作された変調器を示す。
【図２】図１の変調器の断面図を示す。
【図３】図１の装置の動作を説明する分散曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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