(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料内に配置された２×２光カップラであって、第１波長を持ち、その上に信号が符号化されている第１光ビームと、第２波長を持つ第２光ビームとをそれぞれ受信する第１及び第２の光入力端を有する当該２×２光カップラと、
前記半導体材料内に配置され、前記２×２光カップラの第１及び第２の出力端にそれぞれ結合された第１及び第２導波路と、
前記半導体材料内に配置され、前記第１及び第２導波路内にる逆バイアスするように結合された第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードと、
前記半導体材料内に配置され、前記第１及び第２導波路にそれぞれ結合されたＹ字状分岐カップラと
を具え、
前記２×２光カップラは、前記第１及び第２光ビームが前記第１及び第２導波路を通って前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードへ共に伝播すべく当該第１光ビーム及び前記第２光ビームを分離し、
前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードは、前記第１光ビームを吸収して、前記第１光ビーム上に符号化された前記信号に応答して前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオード内で複数の自由電荷キャリアを生成し、
前記Ｙ字状分岐カップラが、分離された前記第２光ビーム間の相対位相差を前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオード内で生成された前記複数の自由電荷キャリアに応答して生じる位相シフトによって調節することで、前記第１波長の前記第１光ビーム上に符号化された前記信号を前記Ｙ字状分岐カップラから出力された前記第２波長の前記第２光ビーム上に符号化する、装置。
【請求項２】
前記Ｙ字状分岐カップラが、前記第１波長の前記第１光ビーム上に符号化された前記信号を、当該Ｙ字状分岐カップラから出力された前記第２波長の前記第２光ビーム上に符号化する、装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の前記装置において、前記第１波長が約１．３μｍである当該装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の前記装置において、前記第２波長が約１．５５μｍである当該装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の前記装置であって、前記第２光ビームを発生させるように前記２×２光カップラの前記第２の光入力端に光学的に結合された連続波（ＣＷ）レーザを更に具える当該装置。
【請求項６】
請求項５に記載の前記装置において、前記連続波（ＣＷ）レーザが、前記半導体材料内に配置されたＣＷ同調可能レーザを具える当該装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の前記装置において、前記第１導波路が第１リブ導波路を有し、前記第２導波路が第２リブ導波路を有する当該装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の前記装置において、前記第２光ビームが、前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオード内で生成された前記複数の自由電荷キャリアに応答して、分離された前記第２光ビーム間の干渉から前記Ｙ字状分岐カップラの出力端で変調されるようになっている当該装置。
【請求項９】
第１波長及び第２波長をそれぞれ持つ第１及び第２光ビームを、半導体材料内に配置された第１及び第２導波路を通って共に伝播する分離された第１及び第２光ビームに分離する工程であって、前記第１光ビームが、その上に符号化された信号を有する当該工程と、
前記第１及び第２導波路内にそれぞれ配置された第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードを逆バイアスする工程と、
前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードにおいて、前記分離された第１光ビームを吸収して、当該第１光ビーム上に符号化された前記信号に応答して複数の自由電荷キャリアを生成する工程と、
前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードにおいて生成された前記複数の自由電荷キャリアに応答して、前記分離された第２光ビームを位相シフトする工程と、
前記第２光ビームを変調するために、位相シフトされた前記分離された第２光ビームを結合する工程と
を具える方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の前記方法であって、前記第１及び第２光ビームを、前記半導体材料内に配置された２×２光カップラの第１及び第２入力端へ指向する工程を更に具える前記方法において、前記２×２光カップラが前記第１及び第２光ビームを、前記２×２光カップラから前記第１及び第２導波路を通って共に伝播する前記分離された第１及び第２光ビームに分離させる当該方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の前記方法において、前記位相シフトされた分離された第２光ビームを結合する工程が、前記位相シフトされた分離された第２光ビームを、前記半導体材料内に配置されたＹ字状分岐カップラへ指向する工程を有する当該方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の前記方法において、前記Ｙ字状分岐カップラ内での干渉に応答して前記第２光ビームを変調する当該方法。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれかに記載の前記方法であって、前記第２波長を調節する工程を更に具える当該方法。
【請求項１４】
第１波長を持ち、その上に信号が符号化されている第１光ビームを発生する光送信機と、
第２波長を持つ第２光ビームを発生する光源と、
前記第１光ビーム及び前記第２光ビームを受信するように結合された光学装置とを具えるシステムにおいて、前記光学装置が、
半導体材料内に配置された２×２光カップラであって、前記第１光ビーム及び第２光ビームをそれぞれ受信する第１及び第２の光入力端を有する前記２×２光カップラと、
前記半導体材料内に配置され、前記２×２光カップラの第１及び第２出力端にそれぞれ結合された第１及び第２導波路と、
前記半導体材料内に配置され、前記第１及び第２導波路内に逆バイアスするように結合された第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードと、
前記半導体材料内に配置され、前記第１及び第２導波路にそれぞれ結合されたＹ字状分岐カップラと、
前記Ｙ字状分岐カップラの前記出力に結合されて、前記信号が符号化された前記第２光ビームを受信する光受信機と
を含み、
前記２×２光カップラは、前記第１及び第２光ビームが前記第１及び第２導波路を通って前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードへ共に伝播すべく当該第１光ビーム及び前記第２光ビームを分離し、
前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオードは、前記第１光ビームを吸収して、前記第１光ビーム上に符号化された前記信号に応答して前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオード内で複数の自由電荷キャリアを生成し、
前記Ｙ字状分岐カップラが、分離された前記第２光ビーム間の相対位相差を前記第１及び第２Ｓｉ／ＳｉＧｅ多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎダイオード内で生成された前記複数の自由電荷キャリアに応答して生じる位相シフトによって調節することで、前記第１波長の前記第１光ビーム上に符号化された前記信号を前記Ｙ字状分岐カップラから出力された前記第２波長の前記第２光ビーム上に符号化する、前記システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の前記システムにおいて、前記光源が同調可能光学レーザを具える当該システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の前記システムにおいて、前記同調可能光学レーザが、前記半導体材料内に配置された連続波（ＣＷ）同調可能光学レーザを具える当該システム。
【請求項１７】
請求項１４から１６のいずれかに記載の前記システムにおいて、前記第１波長が約１．３μｍの範囲にあり、前記第２波長が約１．５５μｍの範囲にある当該システム。
【請求項１８】
請求項１４から１７のいずれかに記載の前記システムにおいて、前記Ｙ字状分岐カップラが、前記第１波長の前記第１光ビーム上に符号化された前記信号を、当該Ｙ字状分岐カップラから出力される前記第２波長の前記第２光ビーム上に符号化する当該システム。
【請求項１９】
請求項１４から１８のいずれかに記載の前記システムにおいて、前記複数の自由電荷キャリアが複数の電子正孔対を有する当該システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して光学に関し、特に、本発明は複数の光ビームの変調に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットデータトラヒック増加率が、光通信の必要性を押し上げる音声トラヒックを上回っていくにつれて、高速且つ効率的な、光学に基づく複数の技術の必要性が増大している。複数の高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システム及び複数のギガビット（ＧＢ）イーサネット（登録商標）システムにおける同一ファイバ上の複数の光チャネルの伝送は、光ファイバにより与えられたかつてない容量（信号帯域幅）を用いる１つの簡単なやり方を行う。このシステムにおいて一般に用いられる複数の光学部品は、複数の波長分割多重（ＷＤＭ）送信機及び受信機、複数の回折格子のような光フィルタ、複数の薄膜フィルタ、複数のファイバーブラッググレーティング、複数のアレイ導波路回折格子、複数の光アド／ドロップマルチプレクサ、複数の波長変換器、複数のレーザ及び複数の光スイッチを含む。複数の光ビームを変調するのに複数の光スイッチを用いることができる。複数の光スイッチでよく見られる２つの種類は、複数の機械的スイッチング装置及び複数の電気光学スイッチング装置である。
【０００３】
複数の機械的スイッチング装置は、複数の光ファイバ間の複数の光路内に配置された複数の物理的部品を一般に含む。これら複数の部品は、切り換え動作を引き起こすように移動される。複数のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は、小型の複数の機械的スイッチに近年用いられている。ＭＥＭＳがシリコンを基礎とし、多少旧来の複数のシリコン処理技術を用いて処理されるので、これらは人気がある。しかし、ＭＥＭＳ技術が、物理的な複数の部品または複数の構成要素の実際の機械的運動に一般に依存するので、ＭＥＭＳは、例えば、ミリ秒程度の複数の応答時間を持つ複数の用途のような複数の低速の光学用途に一般に制限されている。
【０００４】
複数の電気光学スイッチング装置では、複数の電圧は、１つの装置の複数の選択された部分に印加されて、装置内に複数の電界を発生させる。これら複数の電界は、装置内の複数の選択された材料の複数の光学特性を変化し、電気光学効果は切り換え動作を引き起こす。複数の電気光学装置は、光透過性を電圧可変光学動作と結合する複数の電気光学材料を典型的に利用する。複数の電気光学スイッチング装置に用いられる１つの典型的な種類の単結晶電気光学材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）である。
【０００５】
ニオブ酸リチウムは、ポッケルス効果のような複数の電気光学特性を呈する紫外から中赤外までの周波数範囲の１つの透明材料である。ポッケルス効果は、ニオブ酸リチウムのような１つの媒体の屈折率が、１つの印加電界を伴って変化する光学現象である。ニオブ酸リチウムの変更された屈折率を用いてスイッチングを行うことができる。印加電界は、外部の制御回路により今日の複数の電気光学スイッチに用いられる。
尚、対応する外国出願において、以下の文献が発見されている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０１６５８０７号明細書
【特許文献２】米国特許第６７５３９９６号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０７１７４８２号明細書
【非特許文献１】ＬＥＵＴＨＯＬＤ，Ｊ．，ｅｔ  ａｌ．，"Ａｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ  ａｎｄ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄａｔａ−ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ−Ｓｉｇｎａｌ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｓｃｈｅｍｅ，"Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＥＥＥ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＵＳ，Ｖｏｌｕｍｅ１７，Ｎｏ．６，ｐｇｓ．１０５６−１０６５，ＸＰ０００９０８２７７，ＩＳＮ０７３３−８７４２，ｆｉｓ１，３．
【非特許文献２】ＲＡＴＯＶＥＬＯＭＡＮＡＮＡ，Ｆ．ｅｔ  ａｌ．，"Ａｎ  Ａｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｉｎ  ａｎ  Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，"ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ  Ｉｎｃ．Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＵＳ，Ｖｏｌｕｍｅ７，Ｎｏ．９，ｐｇｓ．９９２−９９４，ＸＰ０００５２７４９８，ＩＳＳＮ  １０４１−１１３５
【非特許文献３】Ｔｅｍｋｉｎ，Ｈ．，ｅｔ  ａｌ．，"Ｇｅ．ｓｕｂ．ｘ  Ｓｉ1−ｘ Ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ Ｗａｖｅｇｕｉｌｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｎｅａｒ 1.3 ．μｍ"， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．４８， Ｎｏ． １５， (Ａｐｒ． １４， １９８６) ｐｐ． ９６３−９６５
【非特許文献４】Ｑａｓａｉｍｅｈ，Ｏ．，ｅｔ  ａｌ．， "Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  ＳｉＧｅ−Ｓｉ  ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ：Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｏｗ−Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ"，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．９，(Ｓｅｐ．１９９７) ｐｐ．１５３２−１５３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら複数の種類の複数の装置の複数の切り換え速度は、例えばナノ秒程度で著しく速いが、今日の複数の電気光学スイッチング装置に関する１つの欠点は、これら複数の装置が、複数の光ビームを切り換えるために比較的高い電圧を一般に必要とするということである。その結果、今日の複数の電気光学スイッチを制御するのに用いられる複数の外部回路は、複数の高電圧を発生するため、通常、特別に製造され、大量の電力消費に苦しむ。更に、複数の装置寸法が縮小し続け、複数の回路密度が増大し続けるにつれて、これら複数の外部高電圧制御回路と今日の複数の電気光学スイッチとの一体化は、ますますやりがいのある１つの課題になっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
１つの光学装置を用いて１つの光ビームを位相シフトし、変換し、変調する複数の方法及び複数の装置を開示する。以下の説明では、本発明の１つの充分な理解を得るため、多数の具体的な詳細を述べる。しかし、具体的な詳細が本発明を実施するのに用いられる必要がないことは当業者にとって明らかである。複数の別の場合では、本発明をあいまいにすることを回避するため、周知の複数の材料または複数の方法を詳細に説明しない。
【０００８】
この明細書を通して「一実施形態」または「１つの実施形態」を参照するとは、この実施形態に関連して説明する１つの特定の機能、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、この明細書を通して様々な複数の箇所で「一実施形態で」または「１つの実施形態で」なる複数の言葉遣いの複数の態様は、必ずしもすべて同じ実施形態を参照するとは限らない。更に、特定の複数の機能、複数の構造または複数の特性を、１つまたはそれ以上の実施形態でどれでも適切に組み合わせることができる。その上、実施形態と用いられる複数の図面が複数の説明目的であることは当業者にとって明らかであり、当然のことながら、これら複数の図面を、必ずしも実際のものに正比例させて描いていない。
【０００９】
本発明の一実施形態では、１つの同調可能な波長変換器が、１つの単独の集積回路チップ上で完全に一体化された１つの解決手段内に設けられている。現在説明している光学装置の一実施形態は、１つの第１波長を持つ１つの入力光ビームを受信するようになっており、この入力光ビーム上では、１つの信号が符号化されている。この変換器は、１つの同調可能な第２波長を持つ１つの出力光ビームを発生させるため、半導体材料内に配置された１つの連続波（ＣＷ）同調可能光学レーザをも含む。複数の入力及び出力光ビームの双方は、半導体材料内に配置された１つの２×２光カップラの複数のそれぞれの入力端へ指向される。一実施形態では、２×２光カップラは、複数の分離された入力及び出力光ビームが２×２光カップラから、半導体材料内に配置された複数の第１及び第２光導波路を通じて共に伝播するように複数の入力及び出力光ビームを分離するようになっている。一実施形態では、２×２光カップラからこれら複数の第１及び第２光導波路は、１つのマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）の２つのアーム部を形成する。
【００１０】
一実施形態では、複数の第１及び第２光導波路の各々は、１つの逆バイアスされるＭＱＷｐｉｎダイオードのような１つの多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎ構造体を含む。動作では、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体は、第１波長を持つ複数の分離された入力光ビームを吸収するが、ＣＷ同調可能レーザからの複数の分離された出力光ビームを、複数の第１及び第２光導波路を通じて伝播させるようになっている。複数の分離された入力光ビームの吸収は、入力光ビーム上に符号化された信号に応答して、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体において複数の電子正孔対または複数の自由電荷キャリアの光生成をもたらす。
【００１１】
一実施形態では、光生成されたこれら複数の自由電荷キャリアは、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体において１つの屈折率を変化させ、これにより、複数の分離された出力光ビームが伝播する。従って、一実施形態では、複数の分離された出力光ビームは、Ｙ字状分岐カップラにおいて出力光ビームの変調をもたらす屈折率の変化に応答して位相シフトされ、Ｙ字状分岐カップラは、分離且つ位相シフトされた出力光ビームを再結合するようになっている。一実施形態では、出力光ビームの変調は、入力光ビーム上に符号化された信号にほぼ一致する。出力光ビームの変調は、複数の分離された出力光ビームの建設的及び相殺的干渉による。
【００１２】
一実施形態では、半導体材料において入力光ビームの１つの同調可能な波長変換を行うように出力光ビームの波長を本発明の複数の教示に従って同調できる。開示した同調可能な波長変換器の複数の実施形態を、マルチプロセッサ、電気通信、ネットワーク構築などを含む様々な複数の高帯域幅分野に用いることができる。
【００１３】
例えば、図１は、本発明の複数の教示に従って、１つの第１波長を持つ１つの光ビームに応答して、１つの第２波長を持つ１つの光ビームを変調するために複数の多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎ構造体を含む１つの光学装置の一実施形態を一般に示す１つのブロック図である。特に、光学装置１０１は、半導体材料１０５内に配置された１つの光カップラ１０３を含む。一実施形態では、半導体材料１０５は１つのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造体上にシリコンを含む。一実施形態では、光カップラ１０３は２つの入力及び２つの出力を含む。
【００１４】
図１に示すように、光カップラ１０３の複数の入力の一方は、１つの第１波長λｉを持つ１つの第１光ビーム１０７である。一実施形態では、１つの信号１１３は、第１光ビーム１０７上に符号化されている。図１には、光カップラの複数の入力の他方が、１つの第２波長λｃを持つ１つの第２光ビームであるということも示す。一実施形態では、半導体材料１０５内に配置された１つの同調可能な光源１１１を用いて第２光ビームが発生される。一実施形態では、同調可能な光源１１１は、半導体材料１０５内に配置された１つの連続波（ＣＷ）同調可能レーザを含む。
【００１５】
一実施形態におけるＣＷ同調可能レーザには、１つのＩｎＰダイオードのような１つの利得媒体と、ＣＷ同調可能レーザのレーザ空洞を規定する複数の反射器の１つとして半導体材料１０５内に配置された１つの同調可能なブラッググレーティングとが構築されている。一実施形態では、同調可能なブラッググレーティングの調節により、第２波長λｃが一連の複数のチャネルのいずれか１つに同調できる。一実施形態では、第２波長λｃは約１．５５μｍの範囲にあり、第１波長λｉは約１．３μｍの範囲にある。もちろん、λｉ及びλｃに対するこれら複数の波長を複数の説明目的に用いており、別の複数の波長を本発明の複数の教示に従って別の複数の実施形態で用い得ること明らかである。
【００１６】
一実施形態では、光カップラ１０３は１つの２×２光カップラであり、複数の分離された第１及び第２光ビーム１０７／１０９が光カップラ１０３から複数の第１及び第２光導波路１１５，１１７を通じて共に伝播するように第１光ビーム１０７及び第２光ビーム１０９を分離するようになっている。一実施形態では、複数の入力光ビームを分離するため、１つの多モード干渉装置（ＭＭＩ）または、例えば複数の一過性導波管カップラなどのような別の複数の適切な種類の光結合装置を用いて複数の光カップラ１０３を実現できる。本発明の複数の教示に従って、光カップラ１０３の出力分離比は、複数の第１及び第２波長によって異なることができる。一実施形態では、分離比は、第２波長λｃを持つ入力光ビームに対してほぼ５０‐５０％である。一実施形態では、複数の光導波路１１５，１１７は、半導体材料１０５内に配置された複数の単一モードリブ導波路である。図１から分かるように、１つのＭＺＩの２つのアーム部に対する複数の光導波路１１５，１１７は半導体材料１０５内に配置され、これらは、Ｙ字状分岐カップラ１２３において後で統合または結合される。
【００１７】
図１に描いた実施形態で示すように、１つの多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎ構造体１１９は光導波路１１５内に含まれ、１つのＭＱＷｐｉｎ構造体１２１は光導波路１１７内に含まれている。一実施形態では、本発明の複数の教示に従って、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１は、光伝播方向に沿って複数の異なる長さを持つことができる。より詳細に以下に論じるように、一実施形態では、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１は、逆バイアスされる複数のＳｉ／ＳｉＧｅｐｉｎＭＱＷダイオードを含む。動作では、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１は、第１波長λｉを持つ第１光ビーム１０７を吸収するが、第２波長λｃを持つ第２光ビーム１０９を伝播し続けさせるようになっている。第１波長λｉを持つ第１光ビーム１０７の吸収は、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１において、信号１１３に応答する複数の電子正孔対または複数の自由電荷キャリアの光生成をもたらす。
【００１８】
一実施形態では、信号１１３に応答する複数の自由電荷キャリアの光生成と共に、これに対応して自由電荷キャリア密度が複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１内で変更され、このことは、複数のプラズマ光学効果により複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１の複数の真性領域の屈折率に１つの変化をもたらす。
【００１９】
プラズマ光学効果は、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１並びに複数の第１及び第２光導波路１１５，１１７を通って伝播している複数の光ビームの光路に沿って存在する複数の自由電荷キャリアと光電界ベクトルとの間の１つの相互作用により生じる。複数の光ビームの複数の電界は複数の自由電荷キャリアを分極し、これらは媒体の局所的誘電率を効果的にかき乱す。このことは、次に、屈折率が単に、真空中の光の速さと媒体中の光の速さとの比であるから、光波の伝播速度、従って光の屈折率の１つの擾乱を引き起こす。従って、光学装置１０１の導波路における第２波長λｃでの複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１の屈折率は、第１波長λｉを持つ入力ビーム上に符号化された信号１１３に応答して光生成された複数の自由電荷キャリアにより変調される。複数の第１及び第２光導波路１１５，１１７での変調された屈折率は、複数の第１及び第２光導波路１１５，１１７を通って伝播している複数の分離された光ビーム１０９の位相を屈折率に対応して変調する。その上、複数の自由電荷キャリアは、その場により加速され、光エネルギーが消耗されながら、光学場の吸収に至る。
【００２０】
一般に、屈折率の擾乱は、速度変化を生じさせる部分である実数部と、自由電荷キャリア吸収に関連する虚数部とを有する１つの複素数である。位相シフトの量φは、光波長λ、屈折率の変化Δｎ及び相互作用長さＬを用いて、（式１）により与えられる。
【数１】
0004575883.tif 000002
シリコン内でのプラズマ光学効果の場合では、電子（ΔＮｅ）及び正孔（ΔＮｈ）の濃度変化による屈折率の変化Δｎは、
【００２１】
（式２）により与えられ、ここで、ｎ０はシリコンの公称屈折率であり、ｅは電荷であり、ｃは光の速さであり、ε０は自由空間の誘電率であり、ｍ＊ｅ及びｍ＊ｈはそれぞれ電子有効質量及び正孔有効質量であり、ｂｅ及びｂｈは複数のフィッティングパラメータである。
【数２】
0004575883.tif 000003
【００２２】
従って、複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１内の屈折率の変化は、１つの位相シフトを、第２波長λｃを持つ複数の分離された第２光ビーム１０９に引き起こし、複数の分離された第２光ビーム１０９は、Ｙ字状分岐カップラ１２３で統合または結合されるまで複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１を通って伝播し続ける。一実施形態では、統合された第２光ビーム１０９がＹ字状分岐カップラ１２３における建設的または相殺的干渉の１つの結果として変調され、このため、図１に描かれた実施形態に示すように信号１１３は第２光ビーム１０９上に符号化される。
【００２３】
図２は、本発明の複数の教示に従って、１つの第１波長を持つ１つの光ビーム２０７に応答して、１つの第２波長を持つ１つの第２光ビーム２０９を位相シフトする１つのＭＱＷｐｉｎ構造体２１９の一実施形態を一般に示す１つの断面図である。当然のことながら、一実施形態でのＭＱＷｐｉｎ構造体２１９を、図１の複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１の双方またはいずれか一方の代わりに用いることができる。一実施形態では、ＭＱＷｐｉｎ構造体２１９は、１つのｎ型ドープ半導体領域２０５及び１つのｐ型ドープ半導体領域２２７を含み、ｐ型ドープ領域２２７とｎ型ドープ領域２０５との間に１つの真性ＳｉＧｅＭＱＷ領域２３１が配置された１つのＳｉ／ＳｉＧｅｐｉｎＭＱＷダイオードである。当然のことながら、シリコンは、少なくとも１．３μｍから１．６μｍまでの波長範囲でほぼ透過的である。
【００２４】
１つの単一量子井戸は、井戸層２３５（例えば、ＳｉＧｅ）が複数の真性半導体（例えば、シリコン）層２３７間に埋め込まれた１つの３層構造体である。図２に示すように、ＳｉＧｅＭＱＷ領域２３１は真性半導体材料２３７、例えばシリコンの複数の層を含み、真性半導体材料２２７の複数の層間では、複数の井戸層２３５、例えばＳｉＧｅが配置されている。一実施形態では、各井戸層２３５の厚さは例えば４ｎｍのように極めて少なく、真性半導体材料２２７の複数の障壁層の厚さは２１ｎｍの範囲で広い。
【００２５】
図示の実施形態に示すように、接地に結合されたｐ型ドープ半導体領域２２７と、電圧Ｖに結合されたｎ型ドープ領域２０５とを有するＳｉ／ＳｉＧｅｐｉｎＭＱＷダイオードは逆バイアスされる。もちろん、他の複数の実施形態では、本発明の複数の教示に従って、複数の電圧Ｖ及び接地結合並びに複数のｐ型及びｎ型ドープ領域２２７，２０５の複数の極性を反対にすることができること明らかである。
【００２６】
ＭＱＷｐｉｎ構造体２１９の一実施形態が１つのＳＯＩウェハー上に製造され、従って、１つの埋設絶縁層２２９及び１つの半導体材料層２２５を含むことを図２に示す。一実施形態では、ＭＱＷｐｉｎ構造体２１９は１つの光導波路２１５内に含まれる。図２では光導波路２１５を１つのリブ導波路として描いているが、別の複数の実施形態では、例えば複数のストリップ導波路などのような別の複数の適切な種類の複数の光導波路を本発明の複数の教示に従って用いることができること明らかである。
【００２７】
動作では、複数の光ビーム２０７，２０９は共に、図２に示すように、光導波路２１５を通る１つの光路に沿って、ＭＱＷｐｉｎ構造体２１９を通って伝播する。図示の実施形態では、埋設絶縁層は、光導波路２１５内に複数の光ビーム２０７／２０９を閉じ込めるのに役立つようにクラッドとして作用する。一実施形態では、光ビーム２０７は約１．３μｍの１つの波長を有し、この光ビーム上には１つの信号が符号化されている。光ビーム２０９は約１．５５μｍの１つの波長を有する。一実施形態で１つの適切なＧｅ組成を用いて、逆バイアスされたＳｉ／ＳｉＧｅｐｉｎＭＱＷダイオードは光ビーム２０７を吸収する。光ビーム２０７を吸収した１つの結果として、複数の電子正孔対を含む複数の自由電荷キャリア２３３が真性ＳｉＧｅＭＱＷ領域２３１内に発生し、このことは、光ビーム２０７内で符号化された信号に応答して、上記のプラズマ光学効果により１つの屈折率変化を生じさせる。屈折率の光誘起変化は、光ビーム２０９の１つの位相シフトをもたらし、この光ビーム２０９は光導波路２１５を通って伝播し続ける。
【００２８】
図１に戻って言及すると、一実施形態では、複数の分離された光ビーム１０９の複数のＭＱＷｐｉｎ構造体１１９，１２１での複数の光誘起位相シフトは、信号１１３に応答して、複数の導波路１１５，１１７、またはＭＺＩの２つのアーム部を通って伝播する複数の分離された光ビーム１０９の間に相対位相差を生じさせるようになっている。その結果、Ｙ字状分岐カップラ１２３において建設的及び相殺的干渉が、Ｙ字状分岐カップラ１２３から出力される信号１１３を光ビーム１０９上で符号化させる。
【００２９】
従って、光学装置１０１は、１つの波長λｉを持つ光ビーム１０７であって、その上に信号１１３が符号化された光ビーム１０７を、波長λｃを持つ光ビーム１０９であって、その上に信号１１３が符号化された光ビーム１０９へ本発明の複数の教示に従って効果的に変換する。更に、光学装置１０１から出力される波長λｃを、同調可能な光学装置１１１からの出力光ビームを調節または同調することにより調節または同調できる。
【００３０】
図３は、本発明の複数の教示に従って、１つのＭＱＷｐｉｎ構造体と関連する複数のバンドギャップエネルギー準位を一般に示す１つのエネルギー帯図３３１である。図２の実施形態で上述したように、ＭＱＷ領域２３１は多数の量子井戸層２３５を含む。図３に示すように、ＳｉＧｅ及びＳｉに対する複数の異なるバンドギャップエネルギーのため、複数の井戸層２３５及び複数の障壁真性半導体層２３７に対する伝導帯ＥＣ及び価電子帯ＥＶに１つの偏差が存在する。そのために、本発明の複数の教示に従って、ＭＱＷ領域２３１で複数の電子及び複数の正孔の双方に１つの量子サイズ効果が存在する。ｈはプランク定数である光子エネルギーｈｃ／λが、複数のバルク半導体のエネルギーバンドギャップまたは量子井戸のバンド間遷移エネルギーよりも大きい程度に波長が充分に短ければ、光吸収が起こる。従って、複数のＭＱＷ構造体の吸収端は、複数の量子化された電子準位及び正孔準位間のバンド間遷移エネルギーを決定する量子井戸層（ＳｉＧｅ）の厚みとＧｅ組成に依存する。本発明の複数の実施形態で用いられる複数のＭＱＷｐｉｎ構造体に用いられる複数のＳｉ／ＳｉＧｅ量子井戸は、０．８５μｍまたはそれ以下のような複数の短い波長を持つ複数の光ビームを吸収するＳｉに比較して、約１．３μｍの範囲で複数の波長を持つ複数の光ビームを吸収するようになっている。
【００３１】
図４は、本発明の複数の実施形態に従って、１つの第１波長を持つ１つの光ビームであって、この上に１つの信号が符号化された光ビームを、１つの第２波長を持つ１つの他の光ビームであって、この上にこの信号が符号化された他の光ビームに変換する１つの光学装置を含む１つのシステムの一実施形態を示す１つのブロック図である。特に、図４には、１つの光送信機４３５及び１つの光受信機４３９を含む光学システム４３３を示す。一実施形態では、光学システム４３３は、光送信機４３５と光受信機４３９との間に光学的に結合された１つの光学装置４０１をも含む。図４に示すように、光送信機４３５は、１つの信号ＶＳＩＧＮＡＬ４３７を受信し、１つの波長λｉを持つ１つの光ビーム４０７を送信するように結合されている。１つの信号４１３は、ＶＳＩＧＮＡＬ４３７に応答して光ビーム４０７上に符号化される。一実施形態では、図４に示すように、光学装置は波長λｉをλｃへ変換する効果を有し、光学装置４０１から出力された光ビーム４０９はλｃの１つの波長を持ち、その上には信号４１３が符号化されている。一実施形態では、λｉは約１．３μｍの範囲にあり、λｃは約１．５５μｍの範囲にある。それにより、光受信機４３９は、本発明の複数の教示に従って変換された波長λｃの光ビーム４０９上の信号４１３を受信する。一実施形態では、光学装置４０１は、図１〜３に示すような複数のＭＱＷｐｉｎ構造体を有する光学装置１０１を含むことができる。
【００３２】
上述の詳細な説明では、本発明の方法及び装置を、複数の具体的な典型的実施形態に関連して説明した。しかしながら、本発明の広義の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な複数の修正及び変更を行うことができること明らかである。従って、本明細書及び複数の図面を限定するものとして考えるよりはむしろ、例示として考える。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本発明を一例として示し、複数の添付図面に限定しない。
【図１】本発明の複数の教示に従って、１つの第１波長を持つ１つの光ビームに応答して、１つの第２波長を持つ１つの光ビームを変調するために複数の多量子井戸（ＭＱＷ）ｐｉｎ構造体を含む１つの光学装置の一実施形態を一般に示す１つのブロック図である。
【図２】本発明の複数の教示に従って、１つの第１波長を持つ１つの光ビームに応答して、１つの第２波長を持つ１つの光ビームを位相シフトする１つのＭＱＷｐｉｎ構造体を一般に示す１つの断面図である。
【図３】本発明の複数の教示に従って、１つのＭＱＷｐｉｎ構造体と関連する複数のバンドギャップエネルギー準位を一般に示す１つのエネルギー帯図である。
【図４】本発明の複数の実施形態に従って、１つの第１波長を持つ１つの光ビームであって、この上に１つの信号が符号化された光ビームを、１つの第２波長を持つ１つの他の光ビームであって、この上にこの信号が符号化された他の光ビームに変換する１つの光学装置を含む１つのシステムの一実施形態を示す１つのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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