(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器であって、
基板と、
前記基板上の、溝付き経路を有する金属層であって、前記溝付き経路が、前記金属層の第１縁部における前記溝付き経路の第１端部と、前記金属層の第２縁部における前記溝付き経路の第２端部とを備える、金属層と、
前記金属層上及び前記溝付き経路内の誘電体層と、
前記誘電体層上の、及び前記溝付き経路がプラズモン導波路を形成するように前記溝付き経路を充填する、透明導電酸化物（ＴＣＯ）と、
前記ＴＣＯ及び前記金属層に印加される調節可能な電圧とを備え、
光入力信号が、前記第１端部の前記溝付き経路に印加されるように構成され、変調された光信号が、前記第２端部で出力されるように構成される、光変調器であって、
前記誘電体層は、前記金属層とともに第１の金属−誘電体界面及び第２の金属−誘電体界面を形成し、前記第１の金属−誘電体界面及び第２の金属−誘電体界面が前記溝付き経路を画定し、
前記調整可能な電圧は、前記第１の金属−誘電体界面に第１蓄積層を、前記第２の金属−誘電体界面に第２蓄積層を形成し、前記第１蓄積層及び前記第２蓄積層は、相互に隣り合わせに且つ離隔して配置される、光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の変調器において、前記溝付き経路の全体が、前記ＴＣＯで覆われている、変調器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の変調器において、前記溝付き経路が、該溝付き経路にほぼ垂直に延在するスタブを備える、変調器。
【請求項４】
請求項３に記載の変調器において、前記スタブが、前記溝付き経路の長さの中心部近くに形成される、変調器。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の変調器において、前記スタブが、前記溝付き経路に空洞共振器を形成する、変調器。
【請求項６】
請求項３〜５の何れか一項に記載の変調器において、前記スタブが、２つ以上のスタブを備え、該スタブの各々が相互に離隔している、変調器。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の変調器において、前記溝付き経路が、第１幅を有する部分と第２幅を有する部分とを備え、前記溝の幅が、前記第１幅から前記第２幅へ、そして前記第２幅から前記第１幅へと徐々に変化する、変調器。
【請求項８】
請求項７に記載の変調器において、前記第１幅が前記第２幅よりも広い、変調器。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の変調器において、前記溝付き経路がＶ字状である、変調器。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の変調器において、前記ＴＣＯが、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ガリウム亜鉛酸化物（Ｇａ：ＺｎＯ）及びアルミニウム亜鉛酸化物（Ａｌ：ＺｎＯ）から成る群より選択される、変調器。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の変調器において、前記金属層が金層又は銀層である、変調器。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の変調器において、前記金属層内の前記溝付き経路が前記基板に延在する、変調器。
【請求項１３】
プラズモン導波路変調器であって、
第１の金属−誘電体界面によって形成された第１蓄積層と、
第２の金属−誘電体界面によって形成された第２蓄積層であって、前記第１蓄積層及び前記第２蓄積層が、相互に隣り合わせに且つ離隔して、前記第１の界面の誘電体層と前記第２の界面の誘電体層とが対向するように配置される、第２蓄積層と、
前記第１蓄積層と前記第２蓄積層との間の透明導電酸化物（ＴＣＯ）と、
前記ＴＣＯと前記第１の界面及び第２の界面の金属層とに印加される調節可能な電圧とを備え、
前記金属層は、溝付き経路を有し、前記溝付き経路が、前記金属層の第１縁部における前記溝付き経路の第１端部と、前記金属層の第２縁部における前記溝付き経路の第２端部とを備え、
前記溝付き経路は、前記第１の界面、前記第２の界面及び前記ＴＣＯによって形成され、
光入力信号が、前記第１端部の前記溝付き経路に印加されるように構成され、変調された光信号が、前記第２端部で出力されるように構成される、変調器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の変調器において、前記ＴＣＯが、前記光入力信号を、該光入力信号を前記溝付き経路に閉じ込めることによって伝搬するように構成される、変調器。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の変調器において、前記溝付き経路が、第１幅を有する第１部分と、第２幅を有する第２部分とを備える、変調器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の変調器において、前記第１幅が、前記第１蓄積層が前記第２蓄積層から第１距離だけ離隔することにより形成され、前記第２幅が、前記第１蓄積層が前記第２蓄積層から第２距離だけ離隔することにより形成される、変調器。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の変調器において、前記溝付き経路の大部分が第１幅を有し、前記溝付き経路の中心近くの一部分が第２幅を有する、変調器。
【請求項１８】
請求項１５〜１７の何れか一項に記載の変調器において、前記溝付き経路の前記第２部分が、前記溝付き経路の長さのほぼ中心部に位置する、変調器。
【請求項１９】
請求項１３又は１４に記載の変調器において、前記第１蓄積層が、前記第２蓄積層から離れる方向に延在する第１スタブを備える、変調器。
【請求項２０】
請求項１９に記載の変調器において、前記第１スタブが、前記第１の界面、前記第２の界面及び前記ＴＣＯによって形成されるプラズモン光伝搬経路に沿って空洞共振器を形成する、変調器。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載の変調器において、前記第１蓄積層が、前記第１スタブから離隔し、前記第２蓄積層から離れる方向に延在する第２スタブを更に備える、変調器。
【請求項２２】
光信号を変調する方法であって、該方法は、
プラズモン導波路によって入力光信号を受信するステップであって、前記プラズモン導波路は、
基板上の、溝付き経路を有する金属層であって、前記溝付き経路が、前記金属層の第１縁部における前記溝付き経路の第１端部と、前記金属層の第２縁部における前記溝付き経路の第２端部とを備える、金属層と、
前記金属層上及び前記溝付き経路内の誘電体層と、
前記誘電体層上の及び前記溝付き経路を充填する、透明導電酸化物（ＴＣＯ）とを備える、ステップと、
前記ＴＣＯ及び前記金属層に調節可能な電圧を印加するステップと、
前記調節可能な電圧をＯＮ及び／又はＯＦＦにして、前記溝付き経路の前記光信号を遮断する及び／又は透過させるステップと、
変調された光信号を、前記第２端部で出力するステップとを含み、
前記誘電体層は、前記金属層とともに第１の金属−誘電体界面及び第２の金属−誘電体界面を形成し、前記第１の金属−誘電体界面及び第２の金属−誘電体界面が前記溝付き経路を画定し、
前記電圧を印加するステップにより、前記第１の金属−誘電体界面に第１蓄積層を、前記第２の金属−誘電体界面に第２蓄積層を形成し、ここで、前記第１蓄積層及び前記第２蓄積層は、相互に隣り合わせに且つ離隔して配置される、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において。前記光信号を透過させるステップが、プラズモン間隙モードで前記光信号を伝搬して、該伝搬する光信号が前記溝付き経路に閉じ込められるようにすることを含む、方法。
【請求項２４】
請求項２２又は２３に記載の方法において、前記調節可能な電圧をＯＮ及び／又はＯＦＦにするステップが、前記調節可能な電圧を設定周波数で反復してＯＮ及び／又はＯＦＦにすることを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【連邦支援の研究又は開発に関する表明】
【０００１】
本発明は、空軍によって付与された、FA9550-12-1-0024による政府の支援によってなされた。政府は発明の一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、プラズモン導波路変調器に関し、より詳細には、ナノスケールのプラズモン電界効果変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
光変調器は例えばコンピュータネットワークなどの種々の用途で使用される。光変調器の一例として、光信号が伝搬材料のバルク内を伝搬するフォトニック光変調器がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
透明導電酸化物（ＴＣＯ）活性領域に基づくプラズモン電界効果変調器について説明する。ＴＣＯ材料は、ダイナミックレンジが高く、導波路損失の少ないプラズモン導波路変調器を提供するために、プラズモン導波路と共に使用される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様によれば、光変調器は、基板と、基板上の、溝付き経路を有する金属層と、金属層上及び溝付き経路内の誘電体層と、誘電体層上及び溝付き経路内の透明導電酸化物（ＴＣＯ）と、ＴＣＯ及び金属層に印加される調節可能な電圧とを備える。
【０００６】
溝付き経路は、金属層の第１縁部に溝付き経路の第１端部と、金属層の第２縁部に溝付き経路の第２端部とを備える。
【０００７】
光入力信号は、第１端部の溝付き経路に印加されるように構成され、変調された光信号は、第２端部で出力されるように構成される。
【０００８】
溝付き経路は、溝付き経路の第１端部に印加された入力光信号が溝付き経路の第２端部から出力されるように、プラズモン導波路を形成する。
【０００９】
溝付き経路は、溝付き経路にほぼ垂直に延在するスタブを備える。
【００１０】
溝付き経路は、第１幅を有する部分と第２幅を有する部分とを備え、溝の幅は、第１幅から第２幅へ、そして第２幅から第１幅へと徐々に変化する。
【００１１】
第２の態様によれば、プラズモン導波路変調器は、第１の金属−誘電体界面によって形成された第１蓄積層と、第２の金属−誘電体界面によって形成された第２蓄積層であって、第１蓄積層及び第２蓄積層は、相互に隣り合わせに且つ離隔して、第１の界面の誘電体層と第２の界面の誘電体層とが対向するように配置される、第２蓄積層と、第１蓄積層と第２蓄積層との間の透明導電酸化物（ＴＣＯ）と、ＴＣＯと第１の界面及び第２の界面の金属層とに印加される調節可能な電圧とを備える。
【００１２】
ＴＣＯは、入力光信号を、入力光信号を溝付き経路に閉じ込めることによって伝搬するように構成される。
【００１３】
溝付き経路は、第１幅を有する第１部分と、第２幅を有する第２部分とを備える。
【００１４】
第１蓄積層は、第２蓄積層から離れる方向に延在する第１スタブを備える。
【００１５】
第１スタブは、第１の界面、第２の界面及びＴＣＯによって形成されるプラズモン光伝搬経路に沿って空洞共振器を形成する。
【００１６】
第３の態様によれば、光信号を変調する方法は、プラズモン導波路によって入力光信号を受信するステップであって、プラズモン導波路が、基板上の、溝付き経路を有する金属層と、金属層上及び溝付き経路内の誘電体層と、誘電体層上及び溝付き経路内の透明導電酸化物（ＴＣＯ）とを備える、ステップと、ＴＣＯ及び金属層に調節可能な電圧を印加するステップと、調節可能な電圧をＯＮ及び／又はＯＦＦにして、溝付き経路の光信号を遮断する及び／又は透過させるステップと、を含む。
【００１７】
光信号を透過させるステップは、プラズモン間隙モードで光信号を伝搬して、伝搬する光信号が溝付き経路に閉じ込められるようにすることを含む。
【００１８】
調節可能な電圧をＯＮ及び／又はＯＦＦにするステップは、調節可能な電圧を設定周波数で反復してＯＮ及び／又はＯＦＦにすることを含む。
【００１９】
本発明のより完全な理解及びその付随する特徴及び態様の多くは、以下に記載する発明を実施するための形態を、同様の参照記号が同様の構成部品を示す添付図面と併せて参照することによって本発明の理解が深まるにつれて、更に容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の一部を示す斜視図である。
【図２】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の断面図である。
【図３】ナノスケールプラズモン導波路変調器の材料の種々の層におけるキャリア密度を図形で表したものである。
【図４】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器のプラズモンモード電界分布を示す図である。
【図５】Ａ及びＢは種々のバイアス電圧の光入力信号の透過又は測定損失を示すグラフである。
【図６】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の一部を示す斜視図である。
【図７】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の断面図である。
【図８】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器のプラズモンモード電界分布を示す図である。
【図９】一実施形態による種々のスタブサイズの種々の波長におけるプラズモン透過スペクトルを示すグラフである。
【図１０】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の断面図である。
【図１１】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の透過を示すグラフである。
【図１２】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の一部を示す斜視図である。
【図１３】一実施形態によるナノスケールプラズモン導波路変調器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
例示的実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより十分に説明する。説明する本発明の実施形態は種々のやり方で修正することができ、これらの実施形態を、図面及び下記の発明を実施するための形態に例として示す。しかしながら本開示の意図は本発明の特定の実施形態に限定されるものではなく、逆に、本発明は添付の請求項によって定められる発明の範囲に含まれる全ての変更形態、等価形態及び代替的形態を含むものとする。更に、周知の機能又は構成に関する発明を実施するための形態は、本発明の本質を必要以上に曖昧なものとしないよう、省略した。
【００２２】
図中、層や領域の大きさを説明の為に誇張して示す場合がある。同様の参照記号は図面上の同様の要素を指す。層、領域、又は構成部品が別の層、領域又は構成部品「の上にある」、「の上に形成される」、「を覆う」、「を覆って形成される」と記載されている場合、別の層、領域又は構成部品上に直接的又は間接的にある、又は形成されることであると理解されよう。つまり、例えば、介在層、領域又は構成要素が存在し得る。
【００２３】
プラズモン導波路によるナノスケールレベルでの光のアクティブ制御は、光集積チップに種々の用途がある。透明導電酸化物（ＴＣＯ）は光波長において高い透過率を有し、従って、活性プラズモン構造体への集積が望ましい。プラズモン導波路変調器に高いダイナミックレンジ（〜２ｄＢ／μｍ）と少ない導波路損失（〜０．４ｄＢ／μｍ）とを提供するために、ＴＣＯをプラズモン導波路と共に使用することができる。ＴＣＯのキャリア濃度は、蓄積層が電界を印加することによって形成され、続いて局所屈折率の変化がもたらされるＭＯＳデバイスの電界効果と同様に、電気バイアスを印加することによって大きく変えることができる。ＴＣＯがＴＣＯ／誘電体／金属構造体に配置されると、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：metal-oxide semiconductor field-effect transistor）における電界効果と類似したバイアスからの電界効果によって形成された蓄積層の結果として、プラズモン導波路変調器を達成するために、電気バイアスをＴＣＯと金属に印加することができる。プラズモン導波路において達成可能な高いモーダル閉じ込めのため、ＴＣＯベースの導波路は電界効果メカニズムによってプラズモンモードの有効屈折率を大きく変化させることができ、これによって挿入損失が低く、高速で電力効率の良い変調器を提供する。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、プラズモン導波路は、金属層に溝付き経路（間隙）を形成し、溝付き経路をＴＣＯで充填することによって生成される。図１は半導体基板１００上に形成された薄い（例えば〜２００ｎｍ）金属層１０２の斜視図である。間隙が金属層１０２内に形成され、金属層１０２の第１縁部から金属層１０２の第２縁部に延在する溝付き経路１１２が生成される。いくつかの実施形態において、間隙はおよそ２００〜３００ｎｍに制限することができるが、必ずしも制限する必要はない。しかしながらいくつかの実施形態において、間隙は１０ｎｍと狭くしたり、１，０００ｎｍと広くしたりすることができる。いくつかの実施形態において、溝付き経路１１２はほぼ真直ぐな溝付き経路１１２であり、金属層１０２の第１縁部から金属層の対向する縁部へ直接延在している。その他の実施形態において、溝付き経路１１２は図１に示す様に湾曲又は屈曲している。湾曲又は屈曲した溝付き経路１１２は、交差偏波検出スキームによって入力光信号の分散量を低減させ、出力信号内の信号対雑音比を改善することができる。この開示のために、例として９０度の曲げを有する溝付き経路１１２の実施形態を記載するが、これに限定することを意図するものではない。当業者であれば、溝付き経路１１２はプラズモン導波路１０１の形状、大きさ及び／又は用途などの要因に基づいて、真直ぐな経路又は湾曲した経路など、異なる経路を採用することができると理解されよう。
【００２５】
いくつかの実施形態において、溝付き経路１１２は図１の実施形態に示すような底壁と２つの側壁とを有する四角い溝に限定されるわけではなく、例えばＶ字状の溝付き経路であってもよい。
【００２６】
図２は本発明の一実施形態による図１のプラズモン導波路１０１の断面図である。金属層１０２によって生成された間隙は、金属層１０２の下の基板１００の一部に曝されている。誘電体層１０８が金属層１０２上、及び溝付き経路１１２内に形成され、基板１００の曝された部分と間隙によって形成された金属層１０２の側壁１１４を覆っている。従って、プラズモン導波路１０１は半導体／金属／誘電体／ＴＣＯの層構造になっている。より具体的には、一実施形態においてそれは二酸化ケイ素／金／アルミニウム二酸化物（aluminum dioxide）／酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の層構造である。溝付き経路１１２内の部分は半導体／誘電体／ＴＣＯの構造になっている、というのも金属層１０２は溝付き経路１１２から除去されるからである。いくつかの実施形態において、誘電体層１０８は約５〜１０ｍｍで、誘電体層１０８の厚さは、側壁１１４沿い、溝付き経路１１２の底部及び金属層１０２上とでほぼ同じである。しかしながらいくつかの実施形態において、誘電体層１０８は１ｎｍの薄さ、又は２００ｎｍの厚さであってもよい。誘電体層１０８は、電流が誘電体層１０８（絶縁体）を流れず、金属層１０２とＴＣＯ１１０の間に電圧差が確立されるように、金属層１０２とＴＣＯ１１０の間の絶縁体として機能する。例として、金属層１０２は金、銀若しくはアルミニウム、又はこれらの組み合わせとすることができるが、必ずしもこれらの金属に限定されない。例として、誘電体層１０８はアルミニウム二酸化物、二酸化ケイ素又はその他の絶縁体とすることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、金属層１０２によって生成される間隙は必ずしも基板１００の一部に曝される必要はなく、金属層内の溝付き経路は金属の底壁を有してもよい。つまり、金属層１０２には溝が形成されるが、この溝は基板層に完全に到達するわけではない。よって本実施形態によれば、プラズモン導波路の他の領域と同様に、溝付き経路内の誘電体層は金属層にも形成され、ＴＣＯは誘電体層上に形成される。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、ＴＣＯ層１１０は誘電体層１０８上に形成され、溝付き経路１１２を完全に覆う。従ってＴＣＯ層１１０の厚さは誘電体層１０８上で約３００ｎｍであり、溝付き経路１１２部はＴＣＯ層１１０によって完全に覆われる。従って、溝付き経路１１２上の領域のＴＣＯ層１１０は金属層１０２上の領域のＴＣＯ層１１０よりも厚い。しかしながら、ＴＣＯは溝付き経路１１２の側壁１１４を含む誘電体層１０８の全ての部分と接触する。ＴＣＯ層１１０の厚さはプラズモン導波路が使用されている用途に応じて厚くしたり薄くしたりすることができる。例えば、いくつかの実施形態において、ＴＣＯ層１１０は光信号の閉じ込めを増やすために、より厚くすることができ、その逆もできる。いくつかの実施形態において、ＴＣＯ層１１０は５０ｎｍの薄さ、又は１，０００ｎｍの厚さとすることができる。例として、ＴＣＯ１１０はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又はガリウム亜鉛酸化物（Ｇａ：ＺｎＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（Ａｌ：ＺｎＯ）又はその他の透明導電性酸化物とすることができる。図２に示す実施形態は溝付き経路１１２上のＴＣＯ層１１０の沈み、すなわち凹部を示しているが、沈みは必要ではない。むしろ沈みはプラズモン導波路１０１の作製工程のスパッタリングによってのみ形成され得る。
【００２９】
図３は記載する実施形態による図１〜２のプラズモン導波路１０１内の電界分布を示している。電界分布は、光信号が、周囲領域内に僅かな散乱を伴い、溝付き経路１１２内に閉じ込められることを示している。入力光信号は溝付き経路１１２内に閉じ込められ、プラズモン導波路１０１の入力１０４からプラズモン導波路１０１の出力１０６へとプラズモンモード内で伝搬する（図１参照）。つまり、例えば光結合デバイス（例えば光ファイバー、光アンテナなど）を介して入力１０４に結合された入力光信号と、入力光信号の表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）とは、溝付き経路１１２内を伝播する。一般に、プラズモンモードにおいて、ＳＰＰは金属と誘電体の界面に沿って伝わる。しかしながら、２つの金属と誘電体の界面が、その間に間隙を有して向かい合わせに配置されると、これら２つの界面は本明細書に記載する溝付き経路１１２を生成し、「間隙」プラズモンモードで動作する。このモードにおいて、入力光信号は金属と誘電体層の界面ではなく、溝付き経路１１２内を伝搬する。そこで、いくつかの実施形態において、光信号は、１つの界面を有する一般的なプラズモンモードと比べ、２つの界面を有する間隙プラズモンモードではより長い距離を伝搬することができる。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、電気バイアス電圧は電圧源１１６によって、ＴＣＯ層１１０と金属層１０２とに印加される。従って、バイアス電圧が印加されると、蓄積層が金属と誘電体の界面（例えばＡｌ２Ｏ３／ＩＴＯ界面）に形成され、これによって溝付き経路１１２内の伝搬モードの特性が変化する。つまり、ＴＣＯ層１１０と金属層１０２とにバイアス電圧が印加されると、ＴＣＯのキャリア濃度は入力光信号が遮断、又はほぼ遮断されるように変更され、光信号がプラズモンデバイス１０１の出力においてほぼ検出不能となるように全透過率は低減される。この状態は、プラズモン導波路デバイスが例えばスイッチとして使用される場合、ＯＦＦ状態に対応する。いくつかの実施形態において、入力光信号は約３０ｄＢで遮断することができる（すなわち、消光比約３０ｄＢ以上）。従って、プラズモン導波路は電気バイアス電圧をＯＮ／ＯＦＦするだけで光スイッチとして機能することができ、バイアス電圧の迅速な循環又は変調によってプラズモン導波路変調器が確立する。
【００３１】
図４は本発明の一実施形態によるプラズモン導波路変調器のＴＣＯ層１１０、誘電体層１０８及び金属層１０２におけるキャリア密度を示すグラフである。本実施形態において、ＴＣＯ層１１０に正バイアスが印加され、金属層１０２に負バイアスが印加される。当業者によって認識されているように、金属層１０２（例えば、金）のキャリア密度は比較的高く、誘電体層１０８のキャリア密度は比較的低い。中心近く（すなわち隣接する誘電体層１０８から離れている）のＴＣＯ層１１０のキャリア密度はおよそ１０２１ ｃｍ−３ １１７と示され、誘電体層１０８に隣接するＴＣＯ層１１０（すなわち、ＴＣＯと誘電体の界面）のキャリア密度は１１８で示す様にかなり高くなっている。つまり、電気バイアスによって形成された蓄積層のキャリア密度はＴＣＯ層の残りの領域よりも高いキャリア濃度を持っている。従って、電気バイアス電圧は界面のキャリア密度を変化させるように増減させることができ、これによって溝付き経路１１２に伝搬させる入力光信号の量を変えることができる。
【００３２】
図５Ａは異なるバイアス電圧の機能としての、プラズモン導波路１０１の溝付き経路１１２を通る入力光信号透過を示すグラフである。このグラフは０〜２．５Ｖの範囲の電圧に対するこれらの効果を示しているが、例えば０〜５Ｖなどのその他の電圧範囲も可能である。例えば、印加されたバイアス電圧が誘電体層１０８を含む誘電材料の破壊電圧よりも高い場合、この誘電材料は損傷を受ける可能性がある。従って、いくつかの実施形態において、最大バイアス電圧は誘電体層１０８の厚さに基づいて決定される。例として、３Ｖのバイアス電圧を５ｎｍの誘電体層１０８（酸化層）に印加してもよい。しかしながら誘電体層のタイプによって電圧を僅かに増減させてもよい。本実施形態によれば、透過強度はバイアス電圧が増加すると減少する。いくつかの実施形態において、導波路の大きさはプラズモン導波路１０１を通る光信号の透過に影響を与える。例えば、溝付き経路１１２が長くなると伝搬する光信号に大きな損失を生じさせる。そこで、図５Ａは導波路の４つの例示的長さの透過結果を示している。例えば、（４つの例示的導波路長さの中で）最大長さ３５．２８μｍを持つプラズモン導波路の透過は、短い長さのプラズモン導波路の透過と比べて、特定のバイアス電圧における透過が低い。例えば、およそ１．８Ｖの圧力がプラズモン導波路に印加されると、最も長い導波路（３５．２８μｍ）の透過は大きく減少し、一方で短い導波路（１０．２８μｍ）の場合、透過レベルは比較的高い。つまり、約１．８Ｖのバイアス電圧では、３５．２８μｍプラズモン導波路の光信号がほぼ遮断（−３０ｄＢ）され、１０．２８μｍプラズモン導波路の光信号は更に透過される（−２ｄＢ）。
【００３３】
図５Ｂは、異なるバイアス電圧におけるプラズモン導波路のプラズモン伝搬におけるマイクロメータ毎の光信号損失を示している。一実施形態において、約０Ｖ〜約１．５Ｖのバイアス電圧に対する損失は比較的一定（０．５〜０．７ｄＢ／μｍ）しているが、約１．５Ｖ以上のバイアス電圧では、損失はより著しく増加している。例えば、２Ｖのバイアス電圧が印加される際の損失は約２ｄＢ／μｍである。従って、本発明の種々の実施形態に従って、プラズモン導波路ベースの光変調器を生成するために、バイアス電圧を比較的低い電圧（より多くの透過を可能にする）と比較的高い電圧（より多くの損失を生じさせる）の間で循環させることができる。例えば、プラズモン導波路は、バイアス電圧を５０ＧＨｚの周波数で循環させる場合、５０ＧＨｚ光変調器とすることができる。図５Ａ及び５Ｂに示すバイアス電圧並びに光信号透過及び損失は例示的実施形態として提供するものであり、これらのパラメータを制限することを意図するものではない。
【００３４】
いくつかの用途において望まれる光スイッチの１つの品質として、ＯＮ状態とＯＦＦ状態を区別するための高い消光比（又は変調強度）がある。もう１つの品質は、挿入損失を低減させる、光信号の散乱を最小限に抑える光スイッチである。変調のための電力消費を最小限に抑えるために、変調強度を更に高めて動作圧力を下げるために、溝付き経路の間隙に更に刻み目を形成することによって、プラズモン導波路の溝付き経路１１２に空洞共振器を設けることができる。この刻み目は本明細書においてスタブと称される。図６は溝付き経路１１２の中心近くに形成されたスタブ１２０を有するプラズモン導波路の斜視図である。
【００３５】
図７は本発明の一実施形態によるプラズモン導波路変調器の断面平面図である。本実施形態によれば、スタブ１２０は溝付き経路１１２の内側に沿って形成され、金属層１０２の片側に及んでいる。つまり、スタブ１２０は金属層１０２内の更なる間隙であり、溝付き経路１１２の残りの部分と同様に、誘電体層１０８で覆われ、ＴＣＯで充填されている。図８の磁場図に示す様に、空洞の中及び周囲には局在ファブリー・ペロー共振器が形成されている。スタブを形成することによって光がスタブ１２０の領域の近くで共振し、このようにして光信号の閉じ込めを向上させることができる。いくつかの実施形態では、入力１０４及び出力１０６近くの光信号の散乱を低減させることが望ましいので、スタブ１２０は溝付き経路１１２の中心の近く（溝付き経路１１２の入力１０４の端部及び出力１０６の端部から離れたところ）に設置してもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態において、プラズモン導波路は共振波長を設定するために調整可能である。蓄積層領域のキャリア濃度は、導波路の異なる共振波長によって光信号が実質的に遮断されるように、電気バイアスを変えることによって変更することができる。例示的実施形態によれば、キャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３の５ｎｍの蓄積層に対して、プラズモン導波路の共振波長は１６３０ｎｍであり、キャリア濃度２．５×１０２０ ｃｍ−３に対して、共振波長は１５８０ｎｍである。従って、キャリア濃度を変えるためにバイアス電圧を変化させることにより、プラズモン導波路デバイスの用途に基づき、望ましい共振波長に従ってプラズモン導波路を調整することができる。
【００３７】
図７に示す実施形態において、幅Ｗ（すなわち間隙幅）３００ｎｍの溝付き経路を有するプラズモン導波路に対して、スタブ１２０の長さＬｃは４００ｎｍ、幅Ｗｃは７０ｎｍである。しかしながら、プラズモン導波路を望ましい共振波長に調節するために、スタブ１２０はその他の寸法を有することもできる。そこで、図９は７０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲のスタブ１２０幅Ｗｃを変化させる種々の共振波長の例示的比較を示している。幅が小さくなると共振波長は高くなり、幅Ｗｃが大きくなると共振波長は下がる。しかしながら寸法はそれに限定されず、最小で１０ｎｍから最大で５００ｎｍの範囲とすることができる。いくつかの実施形態において、溝付き経路に共振空洞が生成される限り、スタブは種々の形状とすることができ、本明細書に示す形状に限定されるわけではない。例えば、スタブは台形又は楕円形であってもよい。
【００３８】
別の実施形態によれば、プラズモン導波路変調器は、図１０に示す様に、溝付き経路１１２の内側に沿って形成された２つのスタブ（第１スタブ１２２及び第２スタブ１２４）を有することができる。このダブルスタブの実施形態によって光信号の閉じ込めが改善され、これによって変調強度が増大する。例えば、２つのスタブの各々が長さ４００ｎｍ、幅Ｗｃ７０ｎｍ、及び第１スタブ１２２の中心から第２スタブ１２４の中心までの距離１８０ｎｍを有する図１０の例示的実施形態によれば、図１１に示すように、波長λ＝１６３０ｎｍに対する変調強度は約３０．４ｄＢであるので、共振ベースの変調効率を大きく向上させることができる。そこで、１００ＧＨｚを越える帯域幅及び５ｆＪ／ｂｉｔ未満のスイッチングエネルギーを持つ光変調器をマイクロ長さ（micro-length）のプラズモン変調器で達成することができる。１つ又は２つのスタブを有する変調器を記載したが、３つ以上のスタブを有する変調器も生成することができる。スタブ間の間隔は、変調器を望ましい最適の共振波長へ調節する際に考慮することのできるもう１つの要因である。
【００３９】
図１２は本発明の別の実施形態によるプラズモン導波路変調器の斜視図である。本実施形態によれば、図６の実施形態の様に溝付き経路１１２沿いにスタブ１２０を設ける代わりに、溝付き経路１１２の一部は断熱的テーパ領域１２６を有し、これによってプラズモン導波路変調器の変調強度を増大させる。
【００４０】
図１３は図１２のプラズモン導波路の断面平面図である。テーパ領域１２６は溝付き経路１１２の横断面として示され、溝付き経路１１２の残りの部分よりも狭い幅Ｗを有している。溝付き経路の幅の広い部分と溝付き経路の幅の狭い部分の間の領域はテーパ状である。いくつかの実施形態において、溝付き経路の幅の広い領域は、その他の実施形態に記載する様におよそ３００ｎｍであり、テーパ状の領域１２６の幅はおよそ１２０ｎｍである。テーパ領域１２６の長さはおよそ５μｍである。本実施形態によれば、テーパ領域が長くなると変調強度が強くなり、伝搬損失が大きくなる。テーパ領域が短くなると変調強度が弱くなり、伝搬損失が少なくなる。更に、テーパ領域１２６の経路が広くなると光信号の閉じ込めが少なくなり、変調強度が弱まる。テーパ領域１２６の経路が狭くなると光信号の閉じ込めが大きくなり、変調強度が大きくなる。
【００４１】
本発明の種々の実施形態に記載されている様に、プラズモン導波路はバイアス電圧を変調することによって導波路をＯＮ／ＯＦＦに切り替えることにより、入力光信号を変調することができる。例として、バイアス電圧は既製の電圧源又は電圧変調器によって提供することができる。
【００４２】
そこで、プラズモン導波路変調器は、例えば、光導波路変調器の大きさと比較して、超小型に作製することができる。光信号は光導波路内の材料内部を伝搬するが、プラズモン導波路の場合、光波はＳＰＰとして表面に沿って、又は金属と誘電体層の界面に伝搬する。よって、プラズモン導波路の大きさを小さくすることが可能である、というのも光波は材料内に含まれないからである。むしろ光波は２つの材料間の界面に閉じ込められる。例えば、プラズモン導波路変調器は３００ｎｍ以下と、小さくすることができる。従って、本実施形態に従って記載されたプラズモン導波路変調器はより小さな空間を使用し、電力消費も少なく、更に、記載する発明の実施形態に基づき、約１００ＧＨｚ以上のより速い変調を提供する。
【００４３】
いくつかの実施形態において、プラズモン導波路変調器は、約３００ｎｍの導波路間隙幅Ｗを有する金層などの約２００ｎｍの金属層を有するシリカ上で、電子ビーム描画によって作製することができる。いくつかの実施形態において、金属層１０２は５０ｎｍの薄さ、又は１，０００ｎｍの厚さとすることができる。酸化アルミニウム層（５〜１０ｎｍ）を絶縁のために蒸着し、上にＩＴＯなどのＴＣＯを活性プラズモン材料としてスパッタリングし、金層およびＩＴＯ層は変調器のバイアス電圧接点（図２参照）として機能する。変調されていない、偏りのないＩＴＯキャリア濃度がｎ１×１０１９ｃｍ−３の、幅１００ｎｍ、長さ１μｍの導波路構造体に対して、例えば５Ｖのバイアス電圧を印加して、２．５ｄＢの消光比を達成することができる。しかしながら上述のパラメータは一例示的実施形態及びこれを製造する方法を提供するものであり、本発明の範囲からその他のパラメータを制限することを意図するものではない。更に、記載したパラメータの内の１つ又は複数を変更することにより、当事者は意図する用途に最適な、望ましいプラズモン導波路変調器へと正確に調整することができる。
【００４４】
表１は、記載した実施形態によるプラズモン導波路変調器（８〜９行目）とその他のデバイス（１〜７行目）との比較を示している。例えば、Ａ．Joushaghani氏等による、Appl. Phys. Lett. 102, 061101 （2013）； V. J. Sorger氏等によるNanophotonics 1, 17 （2012）； J. A. Dionne 氏等et al., Nano Lett. 9, 897（2009）； S. Randhawa氏等によるOpt. Express 20, 2354 （2012）； S. Papaioannou氏等によるSci. Rep. 2, 652 （2012）；M. R. Watts氏等による Opt. Express 19, 21989 （2011）；J. Liu氏等による Nat. Photonics 2, 433（2008）を参照されたい。これらの内容全体を参照として本明細書に援用する。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
本明細書において種々の構成要素を説明するために、「第１」、「第２」などの用語を使用するが、これらの構成部品はこれらの用語によって制限されない。これらの記載は１つの構成部品を別の構成部品から区別するためだけに使用する。本出願において、専門用語は提示する実施形態をより明確に記載するために使用し、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。
【００４７】
本明細書において、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は文脈によって明らかに示されない限り、複数形も含まれる。本明細書において、「備える（comprises及び／又はcomprising）という用語は、記述された特徴又は構成部品の存在を特定するものであり、１つ又は複数のその他の特徴又は構成部品の存在又は追加の可能性を排除するものではないことが更に理解されよう。本明細書において、「／」は状況に応じて「及び」又は「又は」と解釈することができる。
【００４８】
当業者は、上述の発明に記載された実施形態に対する種々の変更を、本発明の広範な進歩性から逸脱することなく行なうことができると認識されよう。従って、本発明は開示された特定の実施形態又は構成に制限されず、むしろ添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定められる発明及び趣旨の範囲内の変更、適応又は修正を包含すると意図されている。
【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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