(57)【要約】  光損失を削減した高速の光変調器又は光スイッチを開示する。本発明の局面による装置は、半導体材料内に配置された光スプリッタを含む。第１の波長を有する光ビームは、光スプリッタによって第１の部分及び第２の部分に分割される。半導体材料に配置された第１の光導波路及び第２の光導波路は、光スプリッタに光結合される。光ビームの第１の部分及び第２の部分は、第１の光導波路及び第２の光導波路それぞれを通るよう誘導される。第１の光導波路は更に、励起光ビームを受信するよう光結合される。励起光ビームは、励起波長、及び第１の光導波路において第１の波長の光ビームの第１の部分を増幅及び位相シフトさせるための励起電力レベルを有する。ダイオード構造が第１の光導波路内に配置される。ダイオード構造は、光導波路内の二光子吸収に応じて生成される自由キャリアを第１の光導波路から掃出するよう選択的にバイアスされる。光カプラは、半導体材料内に配置され、光ビームの第１の部分及び第２の部分を合成するよう第１の光導波路及び第２の光導波路に光結合される。
2008523447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
半導体材料内に配置された光スプリッタであって、第１の波長を有する光ビームが、前記光スプリッタによって第１の部分及び第２の部分に分割される対象である光スプリッタと、
前記半導体材料内に配置されており、前記光スプリッタに光結合された第１の光導波路及び第２の光導波路であって、前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分が、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路それぞれを通るよう誘導される対象であり、前記第１の光導波路が、励起波長と、前記第１の光導波路において前記第１の波長の前記光ビームの前記第１の部分を増幅し、位相シフトさせるための励起電力レベルとを有する励起光ビームを受信するよう光結合される対象である第１の光導波路及び第２の光導波路と、
前記第１の光導波路内に配置されたダイオード構造であって、前記第１の光導波路から、該光導波路内の二光子吸収に応じて生じた自由キャリアを掃出するよう選択的にバイアスされる対象であるダイオード構造と、
前記半導体材料内に配置されており、前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成するよう前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に光結合された光カプラとを備える装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置であって、前記励起波長を前記光カプラの出力からブロックするよう前記光カプラの前記出力に光結合された光フィルタを更に備える装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置であって、前記光カプラが、３ｄB導波路カプラを備えており、前記３ｄB導波路カプラが、前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を、前記３ｄB導波路カプラから出力された変調光ビームに合成するよう前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に結合され、前記変調光ビームが、前記ダイオード構造の変調に応じて変調される装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置であって、前記光カプラが2x2カプラを備えており、前記2x2カプラが、前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成するよう前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に結合され、前記2x2カプラが、第１の出力及び第２の出力を有しており、前記光ビームが、前記ダイオード構造の変調に応じて前記2x2カプラの前記第１の出力又は前記第２の出力から選択的に出力される対象である装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置であって、前記自由キャリアが、前記第１の光導波路内の二光子吸収に応じて前記第１の光導波路において生成される装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置であって、前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの自由キャリア寿命が、前記ダイオード構造の変調に応じて変調される装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置であって、屈折率変調が、前記第１の光導波路内の自由キャリアのプラズマ分散効果に応じて前記第１の光導波路において引き起こされる装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置であって、光変調が、前記第１の光導波路内の自由キャリアのプラズマ分散効果に応じて前記第１の光導波路において引き起こされる装置。
【請求項９】
請求項１記載の装置であって、前記光ビームの前記第１の部分が、前記第１の光導波路において前記第１の波長を有する前記光ビームの前記第１の部分の誘導ラマン散乱に応じて前記第１の光導波路において増幅される装置。
【請求項１０】
請求項１記載の装置であって、前記ダイオード構造は、前記第１の光導波路内のp型シリコン領域とn型シリコン領域との間に配置された真性シリコンを備える装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置であって、前記光ビームの前記第１の部分の光路は、前記第１の光導波路に沿った真性シリコンの実質的に全てを通るよう誘導される装置。
【請求項１２】
請求項１記載の装置であって、前記光スプリッタが、不均衡な分割比を有する装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の装置であって、前記光スプリッタから出力された前記光ビームの前記第１の部分は、前記光スプリッタから出力された前記光ビームの前記第２の部分よりも少ない光電力を有する装置。
【請求項１４】
請求項１記載の装置であって、前記半導体材料がシリコンを備える装置。
【請求項１５】
方法であって、
第１の波長を有する光ビームを、第１の光導波路及び第２の光導波路に誘導される第１の部分及び第２の部分それぞれに分割する工程と、
励起波長を有する励起光ビームを前記第１の光導波路に導入する工程であって、前記励起光ビームが、前記光ビームの前記第１の部分を増幅するために前記光ビームの前記第１の部分の更なる放出を引き起こすのに十分な電力レベルを有しており、前記励起光ビームが、前記第１の光導波路内の二光子吸収に応じて前記第１の光導波路内の自由キャリアを更に発生させる工程と、
前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの自由キャリア寿命を選択的に変調する工程と、
前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成する工程とを備える方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法であって、前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成した後に、前記励起波長を前記光ビームからフィルタリングする工程を更に備える方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法であって、前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの前記自由キャリア寿命を選択的に変調することによって前記第１の光導波路における前記光ビームの前記第１の部分の光位相を選択的に変調する工程を更に備える方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の方法であって、前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの前記自由キャリア寿命を選択的に変調する工程並びに前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成する工程に応じて、前記光ビームを選択的に変調する工程を更に備える方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の方法であって、光カプラの第１の出力又は第２の出力からの前記光ビームを、前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの前記自由キャリア寿命を変調する工程及び前記光カプラにおいて前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成する工程に応じて選択的に誘導する工程を更に備える方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の方法であって、前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの前記自由キャリア寿命を選択的に変調する工程は、前記第１の光導波路から自由キャリアを掃出するよう、前記第１の光導波路内に含まれたダイオード構造に選択的に逆バイアスをかける工程を更に備える方法。
【請求項２１】
請求項１５記載の方法であって、前記光ビームを前記第１の部分及び前記第２の部分に分割する工程は、前記光ビームを、等しくない部分に分割する工程を備える方法。
【請求項２２】
システムであって、
第１の波長を有する光ビームを受信し、第１の部分及び第２の部分に分割するよう光結合された、半導体材料内に配置された光スプリッタと、
前記半導体材料内に配置されており、前記第１の部分及び前記第２の部分それぞれを受信するよう前記光スプリッタに結合された第１の光導波路及び第２の光導波路であって、前記第１の光導波路が、励起波長を有しており、前記第１の光導波路内の前記光ビームの前記第１の部分を増幅するために前記光ビームの前記第１の部分の更なる放出を引き起こすのに十分な電力レベルを有しており、前記励起光ビームが、前記第１の光導波路内の二光子吸収に応じて前記第１の光導波路において自由キャリアを更に生成する第１の光導波路及び第２の光導波路と、
前記第１の光導波路内に配置されたダイオード構造であって、前記第１の光導波路内の前記自由キャリアの自由キャリア寿命を変調するよう選択的にバイアスされる対象であるダイオード構造と、
前記半導体材料内に配置されており、前記光ビームの前記第１の部分及び前記第２の部分を合成するよう前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に光結合された光カプラと、
前記光ビームを受信するよう前記光カプラに光結合された第１の光受信器と、
前記光カプラと前記光受信器との間に光結合された第１の光ファイバとを備えるシステム。
【請求項２３】
請求項２２記載のシステムであって、前記光ビームから前記励起波長をフィルタリングするよう前記光カプラと前記第１の光受信器との間の前記第１の光ファイバに光結合された光フィルタを更に備えるシステム。
【請求項２４】
請求項２２記載のシステムであって、前記光カプラは、前記第１の光ファイバに光結合された１つの出力を含み、前記光ビームは、前記光カプラの出力から前記第１の光ファイバに変調光ビームが誘導されるように、前記ダイオード構造の選択的なバイアスに応じて選択的に変調されるシステム。
【請求項２５】
請求項２４記載のシステムであって、前記光カプラは、前記半導体材料内に配置された３ｄB導波路カプラを備えるシステム。
【請求項２６】
請求項２２記載のシステムであって、
前記光ビームを受信するよう前記光カプラに光結合された第２の光受信器と、
前記ダイオード構造の選択的なバイアスに応じて前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバそれぞれを介して前記第１の光受信器又は前記第２の光受信器に前記光ビームが選択的に誘導されるように前記光カプラと前記光受信器との間に光結合された第２の光ファイバとを更に備えるシステム。
【請求項２７】
請求項２６記載のシステムであって、前記光カプラが2x2光カプラを備えるシステム。
【請求項２８】
請求項２２記載のシステムであって、前記ダイオード構造が、前記半導体材料内に配置されたp-i-nダイオード構造を備えるシステム。
【請求項２９】
請求項２８記載のシステムであって、前記第１の光導波路が、前記p-i-nダイオード構造の真性シリコン領域を通るよう誘導されるシステム。
【請求項３０】
請求項２２記載のシステムであって、前記光ビームの前記第１の部分が、前記第１の光導波路において前記第１の波長を有する前記光ビームの前記第１の部分の誘導ラマン散乱に応じて前記第１の光導波路において増幅されるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施例は一般に光学素子に関し、特に、半導体ベースの光変調器及び／又は光スイッチに関する（しかし、これらに排他的に関するものでない）。
【背景技術】
【０００２】
インターネット・データ・トラフィックの成長率が音声トラフィックを超え、光ファイバ通信に対する必要性を押し上げるにつれ、高速かつ効率的な光ベースの技術に対する必要性が増大している。高密度波長分割多重（DWDM）システムにおける同じファイバを介した複数の光チャネルの伝送によって、光ファイバにより提供される、かつてない容量（信号帯域）を用いる単純なやり方が提供される。上記システムにおいて通常用いられる光学構成部分には、波長分割多重（WDM）送信器及び受信器、回折格子などの光フィルタ、薄膜フィルタ、ファイバ・ブラッグ格子、アレイ導波路格子、光アッド／ドロップ多重化装置、レーザ及び光スイッチが挙げられる。光スイッチを用いて光ビームを変調することができる。通常みられる２つのタイプの光スイッチには、機械式スイッチング素子及び電気-光スイッチング素子が挙げられる。
【０００３】
機械式スイッチング素子には一般に、光ファイバ間の光路内に配置された物理的な素子が関係する。前述の構成部分を移動させてスイッチング動作を引き起こす。微小電気機械システム（MEMS）が最近、超小型の機械式スイッチに用いられている。MEMSは、シリコン・ベースであるため、人気があり、幾分慣例的なシリコン処理技術を用いて処理される。しかし、MEMS技術は一般に、物理的な部品又は構成部分の実際の機械的な移動に依存するので、MEMSは一般に、より低速の光アプリケーション（例えば、ミリ秒程度の応答時間を有するアプリケーションなど）に制限される。
【０００４】
電気-光スイッチング素子では、電圧を素子の選択された部分に印加して素子内に電界を発生させる。電界は素子内の選択された材料の光学特性を変え、電気光学効果がスイッチング動作をもたらす。電気光学素子は通常、光学的透明性を電圧可変光学特性と組み合わせた電気光学材料を利用する。電気光学スイッチング素子において用いる通常の１つのタイプの単結晶電気光学材料として、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）が挙げられる。
【０００５】
ニオブ酸リチウムは、電気光学特性（ポッケルス効果）を表す、紫外線から中間赤外線までの周波数範囲の透明材料である。ポッケルス効果は、印加された電界に伴って、媒体（ニオブ酸リチウムなど）の屈折率が変動する光学現象である。ニオブ酸リチウムの屈折率の変動を用いてスイッチングを実現することができる。印加された電界は、外部制御回路によって現在の電気-光スイッチに供給される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のタイプの素子のスイッチング速度は非常に速い（例えば、ナノ秒程度である）が、現在の電気-光スイッチング素子の一欠点は、前述の素子が一般に、光ビームをスイッチングするために比較的高い電圧を必要とすることである。よって、現在の電気-光スイッチの制御に利用する外部回路は通常、高電圧を生成し、大量の電力を消費するよう特別に製造される。更に、素子の寸法が縮小し続け、回路密度が増加し続けるにつれ、前述の外部の高電圧制御回路と現在の電気-光スイッチとの一体化はますます難しい課題になってきている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の、限定的でなく、網羅的でない実施例を、以下の添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
添付図面では、参照符号は、明記しない限り、同じ部分を種々の図を通して表す。
【実施例】
【０００９】
損失を削減した超高速の半導体変調器及び／又は半導体スイッチを備える方法及び装置を開示する。以下の説明では、数多くの特定の詳細を表して、本発明が徹底的に分かるようにしている。しかし、本発明を実施するために上記特定の詳細を用いなくてよいことは当業者に明らかになるであろう。一方、本発明を分かりにくくすることを避けるために、周知の材料又は方法は詳細に説明していない。
【００１０】
「一実施例」又は「実施例」の語は本明細書を通して、そうした実施例に関して記載した特定の特徴、構造又は特性を、本発明の少なくとも一実施例が有することを意味する。よって、本明細書を通した種々の箇所に存在している句「in  one  embodiment」又は「in  a  embodiment」は必ずしもその全てが同じ実施例を表している訳でない。更に、特定の特徴、構造又は特性を１つ又は複数の実施例において何れかの適切なやり方で組み合わせることができる。更に、本明細書記載の図は、当業者に対する説明目的のためであり、線図は必ずしも縮尺通りに描いていない。
【００１１】
図１は、半導体材料１０５内に配置されており、第１の波長λsを有する光ビーム１０７を受信するよう光結合された光スプリッタ１０３を含む光学素子１０１の一実施例を示す。一実施例では、光スプリッタ１０３は、光ビーム１０７を第１の部分及び第２の部分に分割するための２つの出力を有する。図示した実施例では、第１の光導波路１０９及び第２の光導波路１１１は、半導体材料１０５内に配置されており、第１の光導波路１０９及び第２の光導波路１１１それぞれを通るよう光ビーム１０７の第１の部分及び第２の部分が誘導されるように光スプリッタ１０３に光結合される。
【００１２】
図１は、励起波長λp（一実施例では、第１の波長λsとは異なる波長）を有する励起光ビーム１１３を受信するよう光結合された光導波路１０９の一実施例も示す。例えば、一実施例では、励起波長λpは第１の波長λsよりも低い波長である。一実施例では、励起光ビーム１１３は、誘導ラマン散乱（SRS）に応じて、光導波路の光ビーム１０７の第１の部分を増幅し、位相シフトさせるために十分な励起電力レベルを有する。図示した実施例では、光ビーム１１３は光ポンプ１１５から受信される。種々の実施例では、光導波路１０９は、励起光ビーム１１３を各種のやり方で（例えば、光カプラを介して、又は、例えば光導波路１０９上に入射した光として、など）受信するよう光結合され得る。光励起ビームは、本発明の教示によって、屈折率変調、及び光ビーム１０７の第１の部分の光増幅又は光吸収を引き起こす。
【００１３】
図示した実施例に示すように、ダイオード構造１１７が、半導体材料１０５内に配置されており、光導波路１０９内に含まれている。一実施例では、ダイオード構造１１７は、本発明の教示によって、光導波路１０９内の二光子吸収に応じて発生する自由キャリアを光導波路１０９から掃出するためにダイオード構造１１７が、信号１１９に応答して選択的にバイアスされるように信号１１９を受信するよう結合される。  一実施例では、光カプラ１２１は、半導体材料１０５内に配置されている。光カプラ１２１を第１の光導波路１０９及び第２の光導波路１１１に光結合して光ビーム１０７の第１の部分及び第２の部分を合成する。その結果、本発明の教示によって、波長λsの光ビームのマッハツェンダー干渉計（MZI）型素子が実現される。一実施例では、光カプラ１２１は、単一の出力１２３を有する。ここから、変調光ビーム１０７が出力される。一実施例では、光カプラ１２１の単一出力１２３から出力される光ビーム１０７の変調は、信号１１９への応答による。この実施例では、光学素子１０１は、本発明の教示によって、損出を削減した超高速光変調器として機能する。別の実施例では、光カプラ１２１は複数の出力１２３及び１２５を含む。光ビーム１０７は、信号１１９に応答して複数の出力１２３又は１２５の一方から選択的に出力される。この実施例では、光学素子１０１は、本発明の教示によって、損失を削減した超高速光スイッチとして機能する。光カプラ１２１は、本発明の教示によって、変調器の場合、又はスイッチの場合、違ったふうに設計することができる。
【００１４】
図２は、本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体光変調器２０１の一実施例の更なる細部を示す構成図である。図示したように、光変調器２０１は、半導体基板２０５内に配置された光スプリッタ２０３を含む。光スプリッタ２０３は、波長λsを有する光ビーム２０７を受信するよう結合される。光スプリッタ２０３は光ビーム２０７を第１の部分及び第２の部分に分割する。一実施例では、光スプリッタ２０３は、半導体材料205内の第１の光導波路２０９及び第２の光導波路２１１それぞれに２つの出力を結合させたYカプラである。  
図示した実施例では、光スプリッタ203のY-カプラは、光導波路２１１に光スプリッタ２０３から出力される光ビーム出力の第２の部分の光電力よりも光導波路２０９に光スプリッタ２０３から出力される光ビーム２０７の第１の部分の光電力が少ないような不均衡な分割比を有する。光スプリッタ２０３の分割比は、光導波路２０９において生じるSRS増幅に応じて別々の実施例において異なり得る。例えば、光導波路内の増幅の純利得が約9.5dBの場合、光スプリッタ２０３の分割比は約10%-90%であり、光ビーム２０７の10%は光導波路２０９に誘導され、光ビーム２０７の90%は光導波路２１１に誘導される。
【００１５】
図２の実施例に示すように、光導波路２０９は更に、励起光ビーム２１３を受信するよう結合される。一実施例では、励起光ビーム２１３はλpの波長を有する。本発明の教示によれば、励起光ビーム２１３は、自発ラマン散乱を発生させ、誘導ラマン散乱（SRS）によって、選択された信号のラマン信号を増幅するのに用いる光励起信号である。特に、SRSが媒体内で発生すると、励起信号のエネルギの一部は、別の周波数の光に変換される。周波数におけるこの差又はシフトは、ラマン周波数シフトと呼ばれている。図示した実施例では、励起光ビーム２１３の電力レベルは、光信号２０７の波長λsと同じ波長λsを有する更なる放出光を発生させるのに十分であり、よって、本発明の教示によって、光導波路２０９内の光信号２０７の増幅をもたらす。
【００１６】
波長λpで励起された材料のSRS利得係数の値は式１によって求めることが可能である。
【００１７】
g=16π3c2S/(hωs3ns2（N0+1）Γ)                            (1)
ここで、Sは自発ラマン散乱係数（ωs4に比例する）、hはプランク定数、nsは、ストーク周波数での導波路コア材料の屈折率、ωsはストークスの放出の角速度、N0はボーズ因子、Γは、ストークス線の半値全幅の半分（単位：角速度）である。（Sの因子ωs4による）式１は、利得係数がストークス角周波数に線形従属していることを示す。
【００１８】
一実施例では、光導波路２０９を通るよう誘導される光ビーム２０７の波長λsは、本発明の教示によって、励起光ビーム２１３の1次ストークス周波数にほぼ等しい周波数に対応する。よって、励起光ビーム２１３は、半導体材料205内に配置された光導波路２０９においてラマン利得をもたらすための励起ビームとしての役目を担い、λsでの光増幅をもたらす。したがって、SRS利得又は増幅は、本発明の教示によって、MRI素子内で（例えば、導波路ラフネス散乱、ファイバ・導波路間結合、接触損失、光スプリッタ２０３の、等しくないビーム分割によって）発生する光損失を補償又はオフセットすることが可能である。よって、一実施例では、光変調器２０１は、本発明の教示によって、励起光ビーム２１３の光電力に応じて、損出をもたらさないか、又は利得をもたらす光変調器である。
【００１９】
一実施例では、半導体材料２０５はシリコンを含む。光通信帯の1.3-1.6μmの波長範囲では、シリコンは顕著な二光子吸収（TPA）を表す。このTPAは、3次の非線形光学的効果である。一般に、一光子のエネルギはシリコンのエネルギ・バンド・ギャップよりも小さいので線形吸収はごくわずかである。しかし、図示した実施例（高い光励起強度（例えば連続波励起における））では、TPAは、シリコン内に自由キャリアを発生させ、その結果、光波長λpを有する励起光ビーム２０９、及びラマン波長λsを有する光ビーム２０７の更なる光吸収を引き起こす。  これは、今度は、自由キャリアのプラズマ分散効果による、屈折率変調、及びシリコンの光吸収を引き起こす。TPAによって生じる自由キャリアの密度は、式２によって、励起強度、及びキャリアの実効寿命によって変わってくる。
【００２０】
【数１】
2008523447.tif 000003
ここで、ΔNはキャリア密度、βはTPA係数、hvは励起ビームの一光子のエネルギ、Iは励起強度、τはキャリアの実効寿命である。したがって、本発明の教示によって、TDAによって生じた自由キャリアの自由キャリア寿命若しくは自由キャリア密度、又は、励起光ビーム２１３の励起強度を変調若しくは制御することによって、光導波路２０９を通って伝搬する光学ビーム２０７の一部分の光位相及び純ラマン利得を変調することが可能である。
【００２１】
一実施例では、ダイオード構造２１７が光導波路２０９内に備えられている。ダイオード構造２１７は、光導波路２０９内の自由キャリアを掃出して、光導波路２０９内の自由キャリアの自由キャリア寿命又は自由キャリア密度を変えるか、又は変調するよう選択的にバイアスされる。一実施例では、ダイオード構造２１７は、光導波路においてTPAによってもたらされる自由キャリア密度を信号２１９に応答して選択的に変調するために、光導波路において、逆バイアスされたp-i-nダイオードを含む。そうすることにおいて、光導波路２０９内の光モード領域を横切るための自由キャリア輸送時間または自由キャリア寿命は、TPAによってもたらされるキャリア密度を定める。
【００２２】
SRSによる、光導波路２０９内の光ビーム２０７の一部分の増幅及び／又は位相シフト、並びに、自由キャリアのプラズマ分散効果によって引き起こされる、屈折率の変調、及びシリコンの光吸収の後、光ビーム２０７の2つの部分が次いで、光カプラ２２１において合成される。図２に示す実施例では、光カプラは、単一出力２２３を有する、半導体材料２０５内に配置された3dBの導波路カプラである。光カプラ２２１の単一の出力２２３から出力される光ビーム２０７は信号２１９に応答して変調され、これは、本発明の教示によって、光導波路２０９内に含まれたダイオード構造２１７に印加される。したがって、データが信号２１９上に符号化される実施例では、そのデータは光ビーム２０７上に符号化され、これは光カプラ２２１から出力２２３において出力される。図２の実施例に示すように、光フィルタ２２７を光カプラ２２１の出力２２３に光結合することができる。一実施例では、光フィルタ２２７は、励起波長λpを有する残存光があればこれをブロック又は除去する。種々の実施例では、光フィルタ２２７は、種々の手法（例えば、ブラッグ格子、二色性コーティング、又は同様なものなど）を用いて実現することが可能である。
【００２３】
図３は、本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体光スイッチ３０１の一実施例の更なる細部を示す構成図である。図示したように、図３の光スイッチ３０１は、図２の光変調器２０１と多くの類似性を共有している。光スイッチ３０１と光変調器２０１との間の差の１つは、光スイッチ３０１の光カプラ３２１が２つ以上の出力３２３及び３２５を含む一方、光変調器２０１の光カプラ２２１が単一の出力２２３を含むことである。したがって、光スイッチ３０１では、ダイオード構造３１７に印加された信号３１９は、光ビーム３０７が出力される光カプラ３２１の出力３２３又は３２５の何れかを選択するための選択信号として機能する。
【００２４】
図示したように、光スイッチは、半導体基板３０５内に配置された光スプリッタ３０３を含んでいる。光スプリッタ３０３は、波長λsを有する光ビーム３０７を受信するよう結合される。光スプリッタ３０３は光ビーム３０７を第１の部分及び第２の部分に分割する。これらは、半導体材料３０５内の第１の光導波路３０９及び第２の光導波路３１１それぞれに誘導される。一実施例では、光スプリッタ３０３は、不均衡な分離率を有するYカプラである。光導波路３０９は更に、λpの波長を有しており、光導波路３０９において波長λsで光ビーム３０７の一部分の更なる放出をSRSによって発生させるのに十分な電力レベルを有する励起光ビーム３１３を受信するよう結合される。よって、ラマン増幅が、光ビーム３０７のその部分において生じる。更に、励起光ビーム３１３により、光導波路３０９内のTPAに応答して、自由キャリアが光導波路３０９において発生する。一実施例では、ダイオード構造３１７が光導波路３０９内に備えられる。ダイオード構造３１７は、光導波路３０９内の自由キャリアを掃出して、光導波路３０９内の自由キャリアの自由キャリア寿命又は自由キャリア密度を制御又は変調するよう選択的にバイアスされる。よって、増幅及び／位相ソフトが、本発明の教示によって光導波路３０９において生じる。
【００２５】
光導波路３０９内の光ビーム３０７の一部分の増幅及び／又は位相シフトの後、光ビーム３０７の２つの部分が次いで、光カプラ３２１において合成される。図３に示す実施例では、光カプラは、複数の出力３２３及び３２５を備えた、半導体材料３０５内に配置された2x2カプラである。光ビーム３０７は、本発明の教示によって、選択信号３１９に応答して出力３２３又は３２５の一方に選択的に出力される。出力３２３又は３２５における出力強度は、光導波路３０９及び３１１を通って伝搬する光ビーム３０７の部分間の相対位相差によって変わってくる。励起光ビーム３１３の強度又は光電力に応じて、光スイッチ３０１は、本発明の教示によって、損失を何らもたらさないか、又は利得をもたらす光スイッチである。図３の実施例に示すように、光フィルタ３２７及び３２９を光カプラ３２１の出力３２３及び３２５に光結合して、励起波長λpを有する残存光を光カプラ３２１の出力３２３及び３２５からブロック又は除去する。
【００２６】
図４は、半導体光導波路４０９においてTPAによってもたらされるキャリア寿命及びキャリア密度を変調及び／又は制御するための半導体ベースのダイオード構造を含む光導波路４０９の断面図の一実施例を示す。一実施例では、光導波路４０９は例えば、本発明の教示によって、ダイオード構造１１７、２１７又は３１７を含む光導波路１０９、２０９又は３０９に対応し得る。一実施例では、導波路４０９は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハの半導体材料層４０５内に備えられている。よって、ＳＯＩウェーハは、半導体材料４０５と別の半導体層４３７との間に配置された絶縁層４３５を含む。一実施例では、ＳＯＩウェーハの半導体材料４０５は、真性シリコン(i)を含む。
【００２７】
一実施例では、光導波路４０９は、リブ領域４３１及びスラブ領域４３３を含むシリコン・リブ導波路である。一実施例では、p+をドーピングした領域４３９及びn+をドーピングした領域４４１は、導波路４０９を通る光路又は光モード４０７の外側のスラブ領域４３３の両側部上に配置される。一実施例では、p+をドーピングした領域４３９は接地に結合され、n+をドーピングした領域４４１は、結果として生じるp-i-nダイオード構造が本発明の教示によって、選択的に逆バイアスされるよう適合させられるように信号４１９又は電圧(V)を受けるよう結合される。逆バイアスを用いてキャリア輸送時間を変える。これによって今度は、自由キャリア密度が変わり、ラマン増幅を用いて光導波路４０９内の光損失をなくす。例えば、逆バイアスを強めれば、図４に示すように、正孔(h)は、p+をドーピングした領域４３９に向けて掃引されるよう更に引き寄せられ、電子(e)は、n+をドーピングした領域４４１に向けて掃引されるよう更に引き寄せられる。ほぼ1,5×1,5μmの寸法の光導波路４０９を備えた実施例の例では、信号４１９によって逆バイアスを印加すると、キャリア寿命におけるかなりの変化がみられる。  
例証すれば、図５は、本発明の教示によって、種々のバイアス状態における入力強度の関数としてシリコン導波路４０９の、測定された出力強度及びモデリングされた出力強度を示す図５０１である。図５から分かり得るように、キャリア寿命は、p-i-nダイオードが、オープン状態５０３の場合、長い（例えば、22nsである）。ショート状態５０５、−5ボルト状態５０７及び−１０ボルト状態５０９で逆バイアスを強めた場合、キャリア寿命は短縮される。−１０Vのバイアス電圧では、本発明の教示によって、4.8nsのキャリア寿命が得られる。一実施例では、キャリア寿命は、より小さな導波路及びより低いドーピング密度を有する改良されたp-i-n構造によって更に削減される。例えば、一実施例では、p-i-n構造は、図４に示すように、0.5x0.5μmのサイズを有しており、真性シリコン４０５のドーピング密度はより低く、約1x1014cm-3である。一実施例では、このより小さなp-i-n構造は、本発明の教示によって、最大40Gbps以上のデータレートで動作することが可能である。よって、キャリア寿命及びキャリア密度は、本発明の教示によって、それぞれのダイオード構造の逆バイアスを制御することによって、本発明の実施例によって光導波路１０９、２０９、３０９又は４０９において選択的に変えられる。
【００２８】
図６及び図７は、本発明の教示による、p-i-nダイオード構造を含む光導波路の実施例によって導かれる光ビームの横電界（TE）モード６０１及び横磁界（TM）モード７０１それぞれのベクトル・モデリングを示す図である。図６０１及び図７０１では、p+ドーピングとn+ドーピングとの間隔が2μmの、0.5μmx0,5μmの導波路を利用している。図６０１及び図７０１から分かり得るように、強くドーピングしたp+領域及びn+領域から生じる更なる光損失は、上記p+領域及び上記n+領域が光モードの実質的に外側にあるのでほとんどないか、又は何らない。実際に、導波路を通る光ビームのTE及びTMの光モード又は光路は、強くドーピングしたp+領域及びn+領域（光損失の増大が生じ得る場所である）を通って伝搬しない。その代わりに、光モードの実質的に全てが、p-i-n構造の真性シリコン部分を通るよう誘導される。本発明の教示によって、光ビームのモード領域が小さいことにより、ラマン利得の増大に必要な励起電力が削減される。例えば、一実施例では、本発明の教示によって、200mWの光励起電力は、4.8cm長の導波路において10dBの利得につながる。
【００２９】
図８は、本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体変調器の実施例の適用例を示すシステム８５３の一実施例を示す構成図である。図示した実施例に示すように、システム８５３は、波長λsを有する光ビーム８０７を生成する光源８４３を含む。この光ビームは光スプリッタ８０３によって受信される。光スプリッタ８０３は光ビーム８０７を第１の部分及び第２の部分に分割する。これらは、光スプリッタ８０３から半導体ベースの光導波路８０９及び８１１それぞれに誘導される。一実施例では、光スプリッタ８０３は、光導波路８０９に誘導されるよりも大きな、光ビーム８０７の部分が光導波路８１１に誘導されるように、等しい部分に光ビーム８０７を分割するものでない。しかし、ラマン増幅が光導波路８０９において生じる。これによって、本発明の教示によって、光スプリッタ８０３からの光ビーム８０７の部分の光導波路８０９及び８１１への、等しくない分配がオフセットされる。一実施例では、ラマン利得は、励起光ビーム８１３を光導波路８０９に誘導する光ポンプ８１５によって達成される。励起光ビーム８１３は、励起波長λpと、本発明の教示によって、光導波路８０９において光ビーム８０７の一部分のλsの波長のSRSをもたらすのに十分な励起電力とを有する。
【００３０】
一実施例では、光導波路８０９は、本発明の教示によって、印加信号８１９に応答して選択的にバイアスされるダイオード構造を含む。一実施例では、ダイオード構造の選択的バイアスによって、自由キャリアが掃出され、励起光ビーム８１３の高い光励起強度によって生じる、光導波路８０９においてTPAによってもたらされる自由キャリアの寿命及び密度が制御される。自由キャリアの寿命又は密度の選択的な変調により、本発明の教示によって、屈折率変調、及び光導波路８０９における光ビーム８０７の部分の光吸収が制御される。
【００３１】
光ビーム８０７の第１の部分及び第２の部分を次いで光カプラ８２１（一実施例では単一の出力８２３を含む）によって再合成する。合成された光ビーム８０７は、信号８１９に応答して変調される。一実施例では、光フィルタを光カプラ８２１の出力８２３に光結合して、波長λpを有する残存励起光ビーム８１３を、出力８２３における光ビーム８０７から除去又はブロックする。図示した実施例では、光ファイバ８４５は、本発明の教示によって、光ビーム８０７を出力８２３及び光フィルタ８２７から光受信器８４７に誘導するよう光結合される。他の実施例では、本発明の教示によって、他の手法（例えば、光導波路、レンズ、自由空間、又は同様なものなど）を用いて、光ビーム８０７を出力８２３及び光フィルタ８２７から光受信器８４７に誘導する。
【００３２】
図９は、本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体スイッチの実施例の適用例を示すシステム９５３の一実施例の構成図である。図示したように、図９のシステム９５３は、図８のシステム８５３と多くの類似性を共有する。システム９５３と光システム８５３との差の１つには、システム９５３の光カプラ９２１が複数の出力９２３及び９２５を含む一方、システム８５３の光カプラ８２１が単一の出力８２３を含むという点がある。  
したがって、システム９５３内のダイオード構造９１７に印加される信号９１９は、光ビーム９０７が出力される光カプラ９２１の出力の何れかを選択するための選択信号として機能する。更に、２つ以上の出力９２３及び９２５により、システム９５３は相応に、2つ以上の受信器９４７及び９５１を含む。これらそれぞれは、光ファイバ９４５及び光フィルタ９２７、又は光ファイバ９４７及び光フィルタ９２９それぞれを通って光ビーム９０７を選択的に受信するようそれぞれ結合される。
【００３３】
図８のシステム８５３の実施例と同様に、図９のシステム９５３の実施例は更に、波長λsを有する光ビーム９０７を生成する光源９４３を含む。この光ビームは、光導波路９０９及び９１１それぞれに誘導される、等しくない部分に分割される。光ポンプ９１５は、光導波路９０９に誘導される励起光ビーム９１３を生成する。励起光ビーム９１３は、励起波長λpと、光導波路９０９において光ビーム９０７の一部分の波長λsのラマン増幅をもたらすのに十分な励起電力レベルとを有する。光導波路９０９内のダイオード構造を信号９１９に応答して選択的にバイアスして、光導波路９０９においてTPAによって発生した自由キャリアの自由キャリア寿命又は自由キャリア密度を制御する。図示した実施例では、光導波路９０９及び９１１に結合された2x2カプラである。光ビーム９０７は次いで、本発明の教示によって、信号９１９に応答して出力９２３又は９２５の一方から選択的に出力される。
【００３４】
種々の実施例では、システム８５３及び／又は９５３は、光源、光ポンプ、光スプリッタ、光導波路、光カプラ、光フィルタ、光ファイバ及び光受信器（全てコンピュータ・システムの内部構成部分において含まれる）を備えたコンピュータ・システムに含まれ得る。例えば、一実施例では、システム８５３又はシステム９５３は、コンピュータ・システム（例えば、パソコンやラップトップ型コンピュータなど）であり得る。光受信器８４７、又は光受信器９４７及び９５１は、例えば、コンピュータ・システムの内部カード（例えば、ビデオ・コントローラ・カード、ネットワーク・インタフェース・カード、メモリ・コントローラ、メモリ又は同様なものなど）に含まれる。光ファイバ８４５、９４５及び／又は９４７を用いて、コンピュータ・システムのプロセッサやその他のチップ又はチップセットを光受信器８４７、９４７及び／又は９５１に光結合することが可能である。前述の実施例では、光通信をよって、プロセッサと、前述のものなどの他のシステム構成要素との間で実現する。別の実施例では、本発明の教示によって、システム８５３又は９５３は、通信ネットワークに含まれ、光源８４５及び／又は９４３、並びに光受信器８４７、９４７及び／又は９５１は通信ネットワークの別個の構成部分に含まれ得る。
【００３５】
要約に記載した内容を含む、本発明の例証的な実施例の記載内容は、網羅的であることを意図するものでなく、開示したまさにその形態に限定することを意図するものでもない。本発明の特定の実施例、及び例を例証の目的で本明細書に記載したが、当該技術分野における当業者が認識するように種々の均等の修正が可能である。実際に、特定の波長、寸法、材料、時間、電圧、電力範囲の値等を説明目的で記載しており、本発明の教示によって、その他の値も他の実施例に用いることができる。
【００３６】
前述の修正は、前述の詳細な説明に照らして本発明の実施例に対して行うことが可能である。特許請求の範囲記載の語は、本明細書及び特許請求の範囲記載の特定の実施例に本発明を限定するよう解されないものとする。むしろ、上記範囲は全て、クレーム解釈の確立された原理によって解されるものとする特許請求の範囲によって定められるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例による、損失を削減した超高速の半導体変調器又は半導体スイッチを示す構成図である。
【図２】本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体変調器の別の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体スイッチの別の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明の教示による、半導体導波路における、二光子吸収によってもたらされるキャリア寿命を変調及び／又は削減するダイオード構造を含む半導体ベースの光導波路を示す断面図である。
【図５】本発明の教示による、光導波路に含まれるダイオード構造に印加される種々の電圧値に対する種々のキャリア寿命の効果を示す図である。
【図６】本発明の教示による、ダイオード構造を含む光導波路の一実施例によって導かれる光ビームの横電界（TE）モードのベクトル・モデリングを示す図である。
【図７】図７は、本発明の教示による、ダイオード構造を含む光導波路の一実施例によって導かれる光ビームの横磁界（TM）モードのベクトル・モデリングを示す図である。
【図８】本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体変調器の実施例を含むシステムの一実施例を示す構成図である。
【図９】本発明の教示による、損失を削減した超高速半導体スイッチの実施例を含むシステムの一実施例を示す構成図である。
【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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【国際調査報告】
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