(57)【要約】  電気光学素子は、以下を備えるプラズモン導波路である第１の導波路を備える。・強誘電材料を備える第１のコア・第１のクラッド部分を備えるクラッドであって、強誘電材料との第１のインタフェースで、負の実部を有する誘電率を有する第１のクラッド材料を備えるクラッド。  その際、第１および第２の電極の間の電圧印加により強誘電材料に電場を生じさせて強誘電材料の屈折率の少なくとも実部を変調するための第１および第２の電極を素子が備える。素子はさらに結晶基板を備え、この上に強誘電材料がエピタキシャル成長させられ、基板と強誘電材料との間には中間層が全くないか、または１つ以上ある。素子は、第２の導波路を備えることができ、これは、第１の導波路と第２の導波路との間のエバネセント結合を可能にするため第１の導波路の付近に配置される第２のコアを備えるフォトニック導波路である。
2018511084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電材料を備える第１のコアと、
第１のクラッド部分を備えるクラッドであって、前記強誘電材料との第１のインタフェースで、負の実部を有する誘電率を有する第１のクラッド材料を備えるクラッドと、
を備えるプラズモン導波路である第１の導波路を備える電気光学素子であって、
前記強誘電材料の屈折率の少なくとも実部を変調するため、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加して前記強誘電材料に電場を生じさせるための前記第１および前記第２の電極を素子が備え、前記素子がさらに結晶基板を備え、この上に前記強誘電材料が成長、特にエピタキシャル成長させられ、前記基板と前記強誘電材料との間には中間層が全くないか、または１つ以上あり、前記中間層が１つ以上存在する場合は、これが前記基板上に成長、特にエピタキシャル成長させられ、前記基板と前記第１のコアとが、垂直方向とされる方向で積層され、前記垂直方向に対して直角の方向が横方向とされる、素子。
【請求項２】
強誘電体単結晶を備え、前記第１のコアおよび前記基板に備えられる前記強誘電材料が、前記強誘電体単結晶の異なる部分を備えている、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記クラッドが、前記第１のクラッド部分とは別の第２のクラッド部分を備え、これが前記強誘電材料との第２のインタフェースで、負の実部を有する誘電率を有する第２のクラッド材料を備える、請求項１または２に記載の素子。
【請求項４】
前記第１の電極が前記第１のクラッド部分を形成し、特に前記第１のクラッド材料が金属材料である、請求項１から３のいずれか一項に記載の素子。
【請求項５】
前記強誘電材料が、横方向で前記第１および前記第２のクラッド部分の間に配置されており、特に前記第１の電極が前記第１のクラッド部分を形成し、前記第２の電極が前記第２のクラッド部分を形成する、請求項３に記載の素子。
【請求項６】
前記強誘電材料が、垂直方向で前記第１のクラッド部分と前記基板との間に配置されており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されるとき、前記第１のインタフェースでは、特に前記強誘電材料に渡って、少なくとも主に垂直方向に配向される電場ベクトルを有する電場が生成されるよう、前記第１および前記第２の電極が構成および配置されており、特に前記第１の電極が前記第１のクラッド部分を形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の素子。
【請求項７】
前記第２の電極が非金属の導電性材料、特に透明の非金属の導電性材料から製造され、より詳細には前記第２の電極が、横方向に配向される非金属の導電性材料層を備え、これが随意的に透明である、請求項６に記載の素子。
【請求項８】
前記第１の導波路の付近に配置される第２のコアを備えるフォトニック導波路である第２の導波路を、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間のエバネセント結合を可能にするためにさらに備え、特に前記第２の導波路が垂直方向で前記基板と前記第１の導波路との間に配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載の素子。
【請求項９】
前記第２のコアが、前記基板と平行に配向される層内に存在し、前記第２の導波路が、前記層内および前記第２のコアに近接して、２つの材料部分を備え、前記第２のコアが、前記２つの材料部分のいずれの屈折率よりも高い屈折率を有し、特に前記コアの垂直方向の厚さが、前記２つの材料部分のそれぞれの垂直方向の厚さと同一である、請求項８に記載の素子。
【請求項１０】
前記第２の導波路が、前記基板内、または垂直方向で前記第２のコアと前記基板との間に配置される層内で、前記第２のコアに隣接して配置される別の材料部分を備え、前記第２のコアが、前記別の材料部分の屈折率より高い屈折率を有する、請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
前記素子が、光を受光し、前記光の位相シフトを誘起し、前記位相シフトされた光を出力するよう特に構成および構築されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気光学素子を備える光変調器。
【請求項１２】
前記電気光学素子を備える有限入力応答光学フィルタを備え、特に前記フィルタがマッハツェンダまたは遅延干渉計である、請求項１１に記載の変調器。
【請求項１３】
前記電気光学素子を備える無限入力応答光学フィルタ型定在波光共振器を備え、特に前記フィルタがファブリペロー光共振器である、請求項１１に記載の変調器。
【請求項１４】
前記電気光学素子を備える無限入力応答光学フィルタ型進行波光共振器を備え、特に前記フィルタが光リング共振器である、請求項１１に記載の変調器。
【請求項１５】
入力光を変調し、変調された光を出力するための光変調装置であって、前記装置が、前記入力光を受けるための入力部と前記変調された光の出力のための出力部との間の前記装置の光路に沿って光を導光するための導光素子を備え、前記光路が、相互に平行に延伸する第１の主経路部と第２の主経路部とを備え、前記第１の主経路部の光と前記第２の主経路部の光との間で９０°の位相シフトを導くため前記第１および前記第２の主経路部の一方または両方に１つ以上の位相シフト素子が設けられており、前記第１の主経路部がさらに、互いに平行に延伸する第１の小区分と第２の小区分とを備え、前記第２の主経路部がさらに、互いに平行に延伸する第３の小区分と第４の小区分とを備え、前記第１の小区分が第１の光変調器を備え、前記第２の小区分が第２の光変調器を備え、前記第３の小区分が第３の光変調器を備え、前記第４の小区分が第４の光変調器を備え、前記第１のから第４の光変調器がそれぞれ、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気光学素子を備え、特に前記装置がＩＱ変調器である、光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子、およびこれを備える光変調器に関する。これは、電気光学位相変調、ならびに光位相、振幅および強度の変調を可能にするための装置に関する。これらの素子、装置および変調器は、たとえば光データ通信、光通信、光記憶装置および光検知に応用される。
【背景技術】
【０００２】
電気的データの情報を光信号に変換するために使用される電気光学変調器は、フォトニックリンクにおける主要な構成要素である。これらの装置に対しては、高い速度、低い電力消費、低光学損失、高い変調度、コンパクトな設置面積、高密度集積化が要求される。これまでには、化合物半導体、液晶、ＬｉＮｂＯ３またはポリマーの機能材料に基づく光変調器が、実際に使用されてきた。しかし、これらの光変調器は一般に、誘電体媒質における光の回折限界により、個別的で嵩高である。したがって、光変調器に課される要件の全てを同時に満たす十分なチップスケール装置の解決策であることが望ましい。よって、新たな光学技術および光学材料が多いに望まれており、研究団体により調査されている。この課題または問題の解決のアプローチとして、光の局在化および誘導のため負の誘電体誘電率を有する材料（より詳細には、負の実部を有する誘電率の材料）を誘導するプラズモニック装置が、サブ回折限界光閉じ込めおよび広帯域性を提供する。その結果、光と物質の相互作用の強化による低電力消費、ならびに装置の高密度集積化に望ましい小型な光学装置が達成可能である。機能性光学材料に関しては、高速応答型の高い電気光学効果を示す固形の強誘電材料が、高速で統合的かつ省エネルギー性の能動的光学装置のために使用可能である。強誘電材料の複雑な屈折率、それに続いて、入射する導波光の位相および／または振幅は、外部電場を印加することにより変調可能である。プラズモニック導波機構および強誘電材料の両方の組合せは、所望の優れた装置性能を有する新世代の光変調器を実現するための有望な技術である。
【０００３】
ヴィクトリア・Ｅ・バビチェヴァ等による「表面プラズモンポラリトンモードの能動的制御のためのビスマスフェライト」２０１４年第８回マイクロ波および光学における先端電磁材料に関する国際会議、２０１４０８２５ＩＥＥＥ、ｐ．３１９−３２１では、電極としても機能を果たす金属プレートに挟まれるビスマスフェライトコアを有するプラズモン導波路を備えるプラズモン変調器について記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明において考えられる目的は、以下の１つまたは複数のものである。
・超高周波における光変調を可能にすること、
・高い変調効率のプラズモン導波路を提供すること、
・特に小型のプラズモン導波路を提供すること、
・電気光学素子、特に位相変調器および光変調器をウエハレベルで製造可能にすること
・電気光学部品におけるエネルギー消費を低減させること、
・標準的な半導体製造工程、特にＣＭＯＳ技術または微小電気機械システム技術において、プラズモン導波路を集積化すること、
・たとえば１００℃を超える高い温度下において、光変調を高い信頼性で可能にすること。
【０００５】
特にこれに対応する電気光学素子が提供されるものとする。
その他の目的および各種長所は、以下の説明および実施形態により明らかになる。
【０００６】
これらの目的のうち少なくとも１つは、特許請求の範囲に記載の装置により、少なくとも部分的に達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
電気光学素子は、以下を備えるプラズモン導波路である第１の導波路を備える。
・強誘電材料を備える第１のコア、
・第１のクラッド部を備えるクラッドであって、強誘電材料との第１のインタフェースで負の実部を有する誘電率を有する第１のクラッド材料を備えるクラッド。
【０００８】
素子は第１および第２の電極を備え、誘電材料の屈折率の少なくとも実部を変調するために、第１および第２の電極の間に電圧が印加されて強誘電材料に電場を生じさせ、素子はさらに結晶基板を備え、この上に強誘電材料が成長、特にエピタキシャル成長させられ、基板と強誘電材料との間には中間層が全くないか、または１つ以上あり、１つ以上の中間層が存在する場合は、これが基板上に成長、特にエピタキシャル成長させられ、基板と第１のコアとが、垂直方向とされる方向で積層され、この垂直方向に対して直角の方向は横方向とする。
【０００９】
こうして、高品質の強誘電材料を有するコア、特に高結晶性および低欠陥密度のものが製造可能であり、これによりコア、特に強誘電材料が特に優れた光学的性質を有することが可能である。
【００１０】
電場により、インタフェースにおけるプラズモンポラリトンモードの位相が変調可能である。
【００１１】
第１の導波路では、モードは導波されること（「導波モード」）が可能であり、これは導波路の特性に応じて、プラズモンポラリトンモードおよび／またはハイブリッドプラズモニックフォトニックモードであることができる。
【００１２】
電気光学素子は、印加電場の変調によって、インタフェースにおける周波数ｆのプラズモンポラリトンモードの位相の変調用に使用可能である。よって、より詳細には、第１のクラッド材料は通常、上記の周波数ｆでは負の実部を持つ誘電率を有し、プラズモンの存在を可能にする。
【００１３】
特に、第１のインタフェースにある強誘電材料における電場によって、第１のインタフェースの強誘電材料の屈折率の少なくとも実部が変調可能である。ハイブリッドプラズモニックフォトニックモードの変調のためには、強誘電材料の屈折率の実部の変調用に強誘電材料全体に渡って存在する電場が使用可能である。
【００１４】
一実施形態では、基板は半導体基板、または半導体酸化物基板のような酸化物基板、特にシリコン基板またはシリコン酸化物基板である。
【００１５】
一実施形態では、基板は強誘電材料から製造される。特に、第１のコアに備えられる強誘電材料と同じ強誘電材料から基板が製造されることが可能である。たとえば、第１のコアに備えられる強誘電材料および基板の強誘電材料は両方とも、ＬｉＮｂＯ３またはＢａＴｉＯ３、または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］（同一のｘ）、であることが可能だが、その他の強誘電材料も使用可能である。このような実施形態では特に、基板とコアの強誘電材料との間に中間層がないことが考えられる。
【００１６】
一実施形態では、基板および第１のコアに備えられる強誘電材料は、１つの同一の強誘電体単結晶の異なる部分、たとえばＬｉＮｂＯ３またはＢａＴｉＯ３、または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］の１つの同一の結晶である。単一である上記の強誘電体単結晶によって、このような実施形態では、基板とコアの強誘電材料との間に中間層が存在しないこととされる。
【００１７】
特に後者の２つの実施形態（それぞれ、強誘電基板および単結晶の実施形態）では、第１および第２の電極は、基板上に存在する、および／またはクラッド（または少なくとも第１のクラッド部分）を形成することが可能である。
【００１８】
第１のコアは、たとえば後者の２つの実施形態のように、基板とホモエピタキシャルである場合、基板から突出する突出部を備える（とりわけ突出する突出部である）ことが可能であり、これによりたとえば、突出部が基板から垂直に突出し、基板が少なくとも１つの横方向に沿って、対応する突出部の横方向延伸部を超えて横方向に延伸している。さらに、第１および第２の電極は、突出部を横方向で挟んで基板上に配置されていることが可能である。
【００１９】
典型的には、基板はプレート形状である。
典型的には、第１の導波路は、プラズモンポラリトンモードを横方向に沿って導波するための導波路である。
【００２０】
電気光学素子を用いた変調の対象となる光は、特に赤外光であることが可能であるが、より一般的には任意の電磁放射線、特に赤外および／または可視および／または紫外領域の光であることが可能である。
【００２１】
一実施形態では、第１のクラッド部分とは異なる、典型的には第１のクラッド部分から離間、すなわち距離を空けている第２のクラッド部分をクラッドが備え、これは強誘電材料との第２のインタフェースで、負の実部を有する誘電率を有する第２のクラッド材料を備える。これによって、閉じ込めを改善させることが達成できる。
【００２２】
典型的には、第１のコアは、第１および第２のクラッド部分の間に配置される。
一実施形態では、第１の電極は、特に第１のクラッド材料が金属材料である、第１のクラッド部分を形成する。
【００２３】
上述の第２のクラッド部分が存在する場合は、第２の電極が第２のクラッド部分を形成することが考えられる。特に、第２のクラッド材料は金属材料である。これによって、閉じ込めの改善が図られる。あるいは、第２のクラッド材料は非金属の導電性材料である。これによって、極めて高品質の強誘電材料、特に光学特性の優れた強誘電材料の製造が容易になる。
【００２４】
上述の第２のクラッド部分が存在する実施形態では、強誘電材料は、第１および第２のクラッド部分の間に横方向に配置され、その際特に、第１の電極が第１のクラッド部分を形成し、第２の電極が第２のクラッド部分を形成する。
【００２５】
第１の電極と第２の電極との間に電圧が加えられると、第１および第２の電極は、第１および第２のインタフェースを含む機能性強誘電材料に渡って、少なくとも大部分が横方向に配向される電場ベクトルを有する電場を作るよう構成および配置されることが特に考えられる。
【００２６】
第１のクラッド材料は、金属材料であることができ、第２のクラッド材料も金属材料であることができる。
【００２７】
第１および第２の電極は、第１および第２のクラッド部分を形成することができる。
一実施形態では、強誘電材料は、垂直方向で第１のクラッド部分と基板との間に配置されており、第１の電極と第２の電極との間に電圧が加えられると、第１および第２の電極は、第１のインタフェースを含んで機能性強誘電材料に渡って、少なくとも大部分が横方向に配向される電場ベクトルを有する電場を作るよう構成および配置され、その際特に第１の電極は第１のクラッド部分を形成する。第１のクラッド材料は、金属材料であることができる。この実施形態では、随意的に負の実部を持つ誘電率を有する第２のクラッドがなくてもよい。
【００２８】
この電場の配向により、商業的に使用されている半導体製造工程への電気光学素子の集積化が容易にされる。
【００２９】
一実施形態では、第２の電極は非金属の導電性材料、特に透明な非金属の（第１の導波路内に結合される光に対して透過性を有する）導電性材料から製造される。より詳細には、第２の電極は、随意的に透明である非金属の導電性材料の横方向に配向された層を備える。
【００３０】
随意的には、非金属導電性材料は、負の実部を有する誘電率を有する。この場合、第２の電極は、第２のクラッド部分を形成することができる。
【００３１】
一実施形態では、素子は追加的に第２の導波路を備え、これは第１の導波路と第２の導波路との間のエバネセント結合を可能にするための第１の導波路の付近に配置される第２のコアを備えるフォトニック導波路であり、その際特に第２の導波路は垂直方向で基板と第１の導波路との間に配置されている。これは電気光学素子の高密度集積化に大きく貢献する。
【００３２】
第２の導波路は典型的には、横方向である伝播方向に沿ってフォトニック光モードを導波するために設けられており、特に第１および第２の導波路は同一の横方向で平行に延伸することができ、相互に対して垂直および／または横方向に変位して配置されている。
【００３３】
第１の導波路と第２の導波路との間のエバネセント結合は通常、フォトニック光モードが第２の導波路内に伝播するとき存在している。このエバネセント結合により（これには第１および第２のコアがごく接近している必要がある）、第２の導波路内のフォトニック光モードは、第１の導波路において導波モード、特にプラズモンポラリトンモードを励起することが可能、または逆も可能であり、第１の導波路内で導波されるモード（特にプラズモンポラリトンモード）は、第２の導波路内にフォトニック光モードを励起可能である。
【００３４】
第２のコアはシリコン製であることができる。シリコンはたとえば赤外線に対して透過性を有する。
【００３５】
本発明は、上述の種の電気光学素子を備える多様な光変調器も含む。
したがって、超小型の、高速かつエネルギー効率の高い光位相変調器が本発明により得られる。電気光学素子は、プラズモニック金属−絶縁体金属（ＭＩＭ）、または金属絶縁体（ＭＩ）導波路に基づく、能動的な（すなわち変調可能である）導波路コアを備えることができ、その際コアは、強誘電材料を備える、または強誘電材料からなる。強誘電材料は、任意のものであることが可能であり、たとえばＬｉＮｂＯ３、ＫＮＯ３、ＫＴａｘＮｂ１−ｘＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＳｒＢａＮｂＯ３、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、ＫｘＮａ１−ｘＳｒｙＢａ１−ｙ−Ｎｂ２Ｏ６、ＫＨ２ＰＯ４、ＫＨ２ＡｓＯ４、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＮＤ４Ｄ２ＰＯ４、ＲｂＨ２ＡｓＯ４、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＴｉＯＡｓＯ４、ＲｂＴｉＯＰＯ４、ＲｂＴｉＯＡｓＯ４、ＣｓＴｉＯＡｓＯ４、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３、ＬａドープＰｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３、（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］、または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｚｒ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］、（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であり得るが、これに限定されるものではない。また、強誘電材料は、非強誘電材料に基づき人工的に合成されることが可能である。さらに、強誘電材料は必ずしも強誘電性を示す位相にある必要はなく、材料が所望の電気光学効果を示していれば任意の位相であることが可能である。強誘電材料は典型的には、電気光学効果を備える材料に渡って電圧が加えられるよう、２つの導電性材料の間に挟まれている。すなわち、強誘電材料の複素屈折率は、印加電圧により可変である。電極および導電性クラッドの材料はそれぞれ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉであることが可能だが、これらの金属に限定されるものではない。好適にはＣＭＯＳプロセスに対応する金属、たとえばＣｕまたはＷが使用可能である。非金属の導電性材料が使用される場合（たとえば第２の電極の材料として）、これは、たとえばＳｒＲｕＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、酸化インジウムスズのような導電性酸化物、またはグラフェンのようなその他の導電性材料であり得るが、これに限定はされない。非金属の導電性材料は、界面材料（クラッド）として、強誘電材料（コア）において強誘電材料を通じた漏れ電流を低減するため使用可能である。
【００３６】
その他の実施形態および長所は従属請求項および図面から明らかになる。
以下に、例および添付の図面により本発明をより詳細に説明する。図面は概略的な図である。図１から図４は電気光学素子を示す。図５から図９は光変調器を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施形態に係る、誘電体装荷金属−絶縁体−金属プラズモン導波路型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。
【図１ａ】図１の電気光学素子の斜視図である。
【図２】第２の実施形態に係る、誘電体装荷金属−絶縁体−金属プラズモン導波路型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。
【図２ａ】図２の電気光学素子の斜視図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る、水平方向の金属−絶縁体−金属プラズモン導波路構造における酸化物基板型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る、垂直方向の金属−絶縁体−金属プラズモン導波路構造における酸化物基板型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。
【図５】マッハツェンダまたは遅延干渉計のような、有限入力応答光学フィルタ構造におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。
【図６】ファブリペロー共振器のような、無限入力応答フィルタ型定在波光共振器におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。
【図７】光リング共振器のような、無限入力応答フィルタ型進行波光共振器におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。
【図８】極めて小型の電極およびクラッドの構成を有するマッハツェンダ干渉計構造におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。
【図９】並列接続されたマッハツェンダ干渉計を基本とするＩＱ変調器構成におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。
【図１０】基板と第１のコアが、同一の強誘電体単結晶の異なる部分であり、本発明の第１０の実施形態に係り、水平方向の金属−絶縁体−金属プラズモン導波路構造におけるプラズモニック位相変調素子として具体化されている電気光学素子の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
上述の実施形態は、本発明を明確にするためのまたは例示的なものであり、発明を限定するものではない。
【００３９】
第１の実施形態
図１は、電気光学素子の例を示す断面図であり、より詳細には、第１の実施形態に係る、誘電体装荷金属−絶縁体−金属プラズモニック導波路型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子を示している。この図は、導波路の伝播方向に対して垂直の横断面である。図１ａは、図１の電気光学素子の斜視図である。
【００４０】
基板または基板層１０５上に、別の層および構造が、特にエピタキシャル成長により設けられ、すなわち、光導波路（「第２の導波路」）の緩衝化絶縁体層１０７と、中にコア１０４（「第２のコア」）がある上部素子層とが構成されている。コア１０４に隣接する素子層の１０８での材料は、素子の動作波長、すなわち第２の導波路を導波され、後述の第１の（プラズモン）導波路へ少なくとも部分的に結合される光の波長において、コア１０４より低い屈折率を有する。ここでは、シリコンオン絶縁体ウエハが例として挙げられる。第２の導波路のコア１０４は、Ｓｉ素子層内に作られる。ＳｉＮ、ＳｉＯＮまたはポリマーを含むがこれに限定されないＳｉＯ２またはその他の誘電材料１０８が、図１に示されるように、素子層内で導波路コア１０４を包囲することが可能である。１０８における埋められた誘電材料の所望の特性は、コア１０４に比べて低い光学損失および屈折率である。続いて強誘電材料１０１が、適切な材料成長または堆積法（典型的にはエピタキシャル成長により）により堆積され、これには高周波スパッタリング、パルスレーザ堆積、金属有機化学蒸着、分子線エピタキシ、化学溶液堆積、または上記の方法の組み合わせが含まれるが、これに限定されるものではない。強誘電材料１０１は、第１の導波路のコア（「第２のコア」）を形成する。随意的に、単一または複数の緩衝層および／またはシード層１０９が、下のＳｉ系素子層（１０８および１０４）と強誘電材料１０１との間に、たとえばスペーサとして、または格子不整合を緩和し、強誘電材料１０１のエピタキシャルの品質を向上させるため、挿入されることが可能である。１０１における強誘電材料の結晶品質の向上のため、堆積後のアニールが用いられることが可能である。強誘電材料１０１は、横方向のクラッド材料として用いられる金属または非金属の導電性材料１０２に横方向で挟まれている。よって、金属または非金属の導電性材料は、中央の強誘電体ブロックにより絶縁されている。これにより、素子の動作波長においてそれぞれ金属および非金属の導電性材料の誘電率の実部が、第１の導波路のクラッドでゼロより低い場合、そしてコアにおける強誘電材料１０１の誘電率の実部が正である場合、プラズモン導波路は形成される。表面プラズモンポラリトンモードは、紙面に対して垂直の方向で導波されることが可能である。プラズモン導波機構により、強誘電材料のブロックの幅は、λ／２ｎより大幅に小さいことが可能であり、その際、λは素子の動作波長であり、ｎは強誘電材料１０１の屈折率である。導波モード（プラズモンポラリトンモード、ハイブリッドプラズモニックフォトニックモード）は、強誘電材料内に強く閉じ込められることが可能である。金属または非金属の導電性材料は、電極としても使用可能である。２つの電極を介して、電気変調信号パルスのような外部電圧が加えられると、電場（１１０で示される電場ベクトル）が強誘電材料１０１に渡って生成され、強誘電性による効果を含む、電気光学効果による強誘電材料１０１における屈折率変化を誘起する。続いて、表面プラズモンポラリトンモードは、外部からの印加電圧により変調される。強誘電材料ブロックの（横方向の）幅は極め��狭いことが可能であるため、強い電場が得られ、これは加えられた外部電圧と強誘電材料１０１のブロックの幅との比率により概算可能であるが、結果として顕著な電気光学効果が得られる。
【００４１】
図１ａでは、第２の導波路のコアは、（共通の）導波路方向に沿って第１の導波路のコアと重なる部分の領域でくびれがあることが分かる。
【００４２】
第２の実施形態
図２は、本発明の第２の実施形態に係る、誘電体装荷金属−絶縁体プラズモン導波路型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。この図は、導波路伝播方向に対して垂直の横断面である。図２ａは、図２の電気光学素子の斜視図である。
【００４３】
図２に示されるように、この実施形態ではプラズモン導波路（第１の導波路、２０１における強誘電コア）の構成および印加される電場方向２１０が、第１の実施形態の位相変調素子とは異なっている。とりわけ、特に非金属であり得る導電性材料２０３が、基板２０５と、緩衝化絶縁体２０７と、第２の導波路を有するとともにその下の緩衝化絶縁層２０７より高い屈折率のコア２０４を有する（たとえばＳｉコア２０４および初期シリコンオン絶縁体ウエハのＳｉＯ２絶縁層２０７）素子層とを備える積層スタックの上部に堆積される。また、第１の実施形態において説明したように、必要に応じて緩衝層および／またはシード層２０９があってもよい。強誘電材料２０１は、導電性材料２０３の上に堆積される。誘電率の実部が負である金属または非金属の導電性材料２０２を、強誘電材料２０１の上に被覆する。これによって、コアを形成する強誘電材料２０１と、クラッド部分を形成する材料２０２とによって、プラズモニック導波路が形成される。強誘電材料２０１における導波モード、特に表面プラズモンポラリトンモードの閉じ込めが強化され、光と物質の相互作用が強化される。最上部の材料２０２と、強誘電材料２０１の下の導電性材料２０３との間に電圧が印加可能であり、垂直方向の電場が生成され（電場ベクトル２１０参照のこと）、特に導電性材料２０３が非金属である場合は、導電性材料２０３に金属２０２´が付着されることが可能である。その後、電気光学効果によって（たとえば強誘電性による効果）、電場が強誘電材料２０１の屈折率変化を誘起する。これが、表面プラズモンポラリトンモードまたはハイブリッドプラズモニックフォトニックモードを介して光信号の変調に使用される。
【００４４】
第３の実施形態
図３は、本発明の第３の実施形態に係る、水平方向の金属−絶縁体−金属プラズモン導波路構造における酸化物基板型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。この実施形態では、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＳｒＡｌＴａＯ６のような酸化物基板３０６が用いられている。基板材料は、上述の材料に限定されない。基板材料は、強誘電材料３０１のエピタキシャル成長に有用であり、強誘電材料３０１より小さい屈折率（実部）を有するものが好ましい。必要に応じて緩衝層および／またはシード層３０９が設けられてもよい。強誘電材料３０１は、横方向のクラッド材として使用される金属３０２により横方向で挟まれている。これにより表面プラズモンポラリトンモードが支援される。導波モードは、プラズモン導波路のコアとして使用されている強誘電材料３０１に強く閉じ込められる。絶縁性強誘電材料３０１により隔てられる金属３０２により形成される電極に電圧が加えられ、強誘電材料３０１に渡って水平方向の電場が生成される（３１０を参照）。これにより光信号の位相または振幅は、電気光学効果により変調可能である。この実施形態では、基板結晶構造の適切な選択により得られる優れた強誘電材料品質により、強誘電材料３０１内に導波モードの特に強い閉じ込めが可能である。
【００４５】
第４の実施形態
図４は、本発明の第４の実施形態に係る、垂直方向の金属−絶縁体−金属プラズモン導波路構造における酸化物基板型強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。図面に示されるように、金属または非金属の導電性材料４０２が酸化物基板材料４０６上に堆積される。必要に応じて、緩衝層および／またはシード層４０９が、酸化物基板４０６と金属または非金属の導電性材料４０２との間に挿入可能である。続いて強誘電材料４０１が材料４０２の上に堆積され、プラズモン導波路のコアの電気光学材料として使用される。負の実部を有する誘電性の材料４０２´が、強誘電材料４０１の上に被覆される。これによりプラズモン導波路が設けられ、導波モードが強誘電材料４０１内において強く閉じ込められる。最上部の層の材料４０２´から強誘電材料４０１の下の材料４０２へ外部電圧が加えられることができ、垂直方向の電場ベクトルを有する電場４１０が誘起されて、強誘電材料４０１に電気光学効果により屈折率および／または吸収変化が生じる。この実施形態は、特に優れた強誘電材料品質を提供し、これにより基板結晶構造の適切な選択により得られる優れた強誘電材料品質により、強い電気光学効果が得られる。
【００４６】
第５の実施形態
図５は、マッハツェンダまたは遅延干渉計のような、有限入力応答光学フィルタ構造におけるプラズモニック位相変調素子５２０を示す平面図例である。干渉計は、本特許出願に記載される２つの光位相変調素子（５２０で示す）を備える。この光変調器では、入力光５１１は２つの光路に分岐され、これらはそれぞれ本特許出願において説明される位相変調素子として機能する電気光学素子により位相変調され、最終的に出力光５１２となるよう再び結合される。よって、素子５２０により誘起される位相変調は、２つの位相変調光部分の干渉による強度変調に変換される。マッハツェンダ干渉計の２つのアームにおいて反対の極性の位相変化が生成されるプッシュプル構成が用いられることが可能である。その結果、プラズモニック位相変調素子５２０の長さは半分に（１つの素子５２０を使用する場合と比較して）低減されることが可能である。導波路５３０および光パワースプリッタは、連続接続されるＳｉ系導波路５３０または真下のクラッド材料より高い屈折率を有し、光学的に透明であるか、または素子の動作波長領域で許容可能な光学的損失を有するその他の材料からなる導波路により実現可能である。スプリッタの構成は、たとえば図に示されるＹ型スプリッタ５５０、または方向性結合器、またはマルチモード干渉モード分割構造に基づくものであることが可能である。モード整合およびアクセス導波路５３０からプラズモン導波路５２０への光透過の向上のため、断熱テーパリング構造５４０が挿入可能である。位相変調素子５２０内のプラズモン導波路により、素子の長さは数マイクロメーターという短さであることが可能である。
【００４７】
第６の実施形態
図６は、光変調器を形成する、ファブリペロー光共振器のような、無限入力応答フィルタ型定在波光共振器におけるプラズモニック位相変調素子６２０を示す平面図例である。変調器は、空間的に離間した２つの光反射器６６０と、本特許出願において説明する中央の強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子（符号６２０で示す）とを備える。光反射器６６０は、反射コーティング、分布ブラッグ反射器、分布帰還型反射器、回折格子またはフォトニック結晶ミラーとして具体化可能である。光共振器の共振波長と一致する入射光６１１のみが、光共振器を通り透過することが可能である。共振器の共振波長は、ここで説明されるように、プラズモニック位相変調素子（符号６２０で示す）に外部電圧を加えることにより変更されることが可能である。続いて、６１２の光透過（透過ポートにおける出力）または光共振器からの６１３の光反射（反射ポートにおける出力）の変調前および変調後の光パワー強度の変化を比較することにより、位相変調が強度変調に変換される。
【００４８】
第７の実施形態
図７は、光リング共振器７２０のような、無限入力応答フィルタ型進行波光共振器におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。リング共振器７２０の少なくとも一部は、本特許出願に記載されるプラズモニック位相変調素子により具体化される。光リング共振器７２０の共振波長と一致する入射光７１１が、リング共振器７２０に入ることが可能であり、透過の低下または反射の増加が生じる。共振器の共振波長は、本明細書で説明したように、プラズモニック位相変調素子（７２０により示す）に外部電圧を加えることにより可変である。したがって、透過光７１２または反射光７１３のいずれかの変調前および変調後の強度変化を比較することにより、位相変調が強度変調へ変換される。
【００４９】
第８の実施形態
図８は、極めて小型の金属材料の構成を有するマッハツェンダ干渉計構造におけるプラズモニック位相変調素子８２０を示す平面図例である。アクセス導波路８３０からの入射光８１１は、フォトニックモードからプラズモンおよび／またはハイブリッドモードに変換され、金属製のＹ端部８７０により分割される。２つの表面プラズモンポラリトンモードが、マッハツェンダ干渉計の上方アーム８８０ａおよび下方アーム８８０ｂ内の２つの強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子８２０へ導波される。図に示されるように、この２つの位相変調素子８２０は、プラズモン導波路クラッドおよび電極として金属部８９０を共有することができる。光変調器は、極めて小型であることが可能である。プラズモニック位相変調素子における強誘電材料の光学特性の変調のため外部電圧を加えることによって、マッハツェンダ干渉計の上方および下方アームで伝播する表面プラズモンポラリトンモードの位相において情報の符号化が可能である。変調器の終端では好適なプラズモンポラリトンモードへのみモード結合を選択的に行うことによって、出力光８１２の位相変調を強度変調に変換するためプラズモニックフォトニックモード干渉計が利用される。
【００５０】
第９の実施形態
図９は、並列接続されたマッハツェンダ干渉計を基本とするＩＱ変調器構成におけるプラズモニック位相変調素子を示す平面図例である。マッハツェンダ干渉計の第１のステージの一方のアームに、ここで説明される強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子を有する第２のステージのマッハツェンダ干渉計９００がある。マッハツェンダ干渉計９００は、たとえば図５または図８において記載したような設計であることが可能である。他方のアームには、１つの９０°位相シフタ９８０と、本発明の先の実施形態に記載された強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子９２０を有する別の第２のステージのマッハツェンダ干渉計９００とがある。位相シフタ９８０は、ここで説明される強誘電材料集積プラズモニック位相変調素子を用いて実現されるか、または他の任意の光学機器の構造および光学効果、たとえば機械光学、熱光学、電気光学、キャリアプラズマ分散効果、音響光学効果、フランツ・ケルディシュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果、光学材料において誘起される光吸収または利得に関連する相変化効果に基づいていることが可能である。
【００５１】
第１０の実施形態
図１０は、本発明の第１０の実施形態に係る、強誘電材料の基板１００６に基づく、水平方向の金属−絶縁体−金属プラズモン導波路構造におけるプラズモニック位相変調素子の例を示す断面図である。この実施形態では、強誘電材料基板１００６が採用されており、これはたとえばＬｉＮｂＯ３またはＢａＴｉＯ３、または（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３］−ｘ［ＰｂＴｉＯ３］の単一結晶である。基板材料は、上記の材料に限定されない。導波路構造のコアの強誘電材料（１００１を参照）は、強誘電体基板１００６上にあるとともに横方向導波路クラッド材料として機能することが可能である金属材料（１００２を参照）に横方向で挟まれている。導波モードは、プラズモン導波路のコアとして用いられる強誘電材料１００１内に強く閉じ込められている。強誘電材料により１００１で隔てられる（絶縁される）金属材料１００２において形成される電極に渡って電圧が加えられ、コアの強誘電材料に渡って１００１で水平方向に電場（矢印１０１０の参照）を生じさせることが可能である。その際、電気光学効果により、１つ以上の位相および／または１つ以上の光学信号の振幅が変調可能である。
【００５２】
導波路のコア（１００１を参照）および基板（１００６を参照）は、この実施形態では相互にホモエピタキシャルである。すなわち、同一の強誘電体単結晶の異なる部分である。
【００５３】
たとえば図１０に示されている、導波路コアおよび基板が同一の強誘電体単結晶の異なる部分を備える（たとえば、異なる部分である）電気光学素子は、特に優れた性能を有することが分かっている。これはたとえば、強誘電体単結晶を成長させ、突出部を作成するため強誘電材料の一部を除去して製造されることが可能であり、この突出部は、基板を形成する単結晶の部分から突出する導波路コアを形成する。強誘電材料の除去は、たとえば選択エッチングにより達成可能である。電極は、さらに導波路コア用のクラッドとして機能することが可能であり、たとえば突出部の側壁のメタライズのようなコーティングにより製造可能であり、その際側壁は特に、突出部の相互に対向する側壁部であることが可能である。
【００５４】
前述のとおり、クラッド材料は、コアの強誘電材料とのインタフェースにおいて、たとえば側壁のコーティング／メタライズに使用される金属は、負の実部を有する誘電率を有することが可能である。
【００５５】
コアに含まれる強誘電材料の部分および基板を形成する強誘電材料の部分は、互いの上に成長、つまりコアの側壁を作製（すなわち解放する）するためにその一部が除去される初期の単結晶を成長させているため、また（最終的に）コアの強誘電材料が基板上に存在することを考慮すると、コアの強誘電材料は基板上に成長される、または少し違った言い方をすると、基板は、その上にコアの強誘電材料が成長される基板であるということができる。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図２ａ】
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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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【国際調査報告】
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