(57)【要約】【課題】ナノフォトニック構造の電気光学および熱光学変調器を提供する。【解決手段】デュアル・ユースの熱および電気光学変調器は、共通の導波路領域の熱特性および静電特性を調整するために、温度調整ハードウェア・セットおよび電界調整ハードウェア・セットを備える。各ハードウェア・セットは、電気的に結合され、それぞれの変調形式に対する信号は、伝達媒体の共有部分を通って導波路に伝えられる。【選択図】図１０
2018511820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた導波路と、
制御されたやり方で前記導波路の少なくとも第１の部分を加熱する、または冷却する、あるいはその両方を行うように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の温度調整ハードウェア・セットと、
制御されたやり方で前記導波路の少なくとも前記第１の部分の電界を制御するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の電界調整ハードウェア・セットと、
前記第１の温度調整ハードウェア・セットから前記導波路の前記第１の部分に加熱作用または冷却作用あるいはその両方を熱的に伝達するように、かつ前記第１の電界調整ハードウェア・セットから前記導波路の前記第１の部分に電界調整を伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた熱／電界伝達媒体材料と、
を備え、
前記第１の温度調整ハードウェア・セットと前記第１の電界調整ハードウェア・セットが電気的に結合されている、
デバイス。
【請求項２】
前記導波路の前記第１の部分および前記熱／電界伝達媒体材料が、物理的に一体化された、一体型の単一の材料として形成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記導波路の前記第１の部分および前記熱／電界伝達材料を形成する前記単一の材料が、ドープされたシリコンである、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記導波路の前記第１の部分が、中心軸、軸方向、および３６０度の範囲の半径方向を規定し、
前記熱／電界伝達媒体が、前記導波路の前記第１の部分から少なくとも第１の半径方向に延在する、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記熱／電界伝達媒体が、前記導波路の前記第１の部分から少なくとも第２の半径方向に延在する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の半径方向および前記第２の半径方向が、前記中心軸に関して反対側を向いている、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の電界調整ハードウェア・セットが、熱／電界伝達媒体材料に埋め込まれており、
前記第１の温度調整ハードウェア・セットが、熱／電界伝達媒体材料に埋め込まれている、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の電界調整ハードウェア・セットが無線周波数（ＲＦ）位相シフタであり、
前記第１の温度調整ハードウェア・セットが電気ヒータである、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記導波路の前記第１の部分が、中心軸、軸方向、および３６０度の範囲の半径方向を規定し、
前記第１の電界調整ハードウェア・セットが、前記中心軸から間隔を置いて１つまたは複数の半径方向に配置されており、
前記第１の温度調整ハードウェア・セットが、前記中心軸から間隔を置いて１つまたは複数の半径方向に配置されている、
請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の温度調整ハードウェア・セットが長手方向に延び、
前記長手方向が、前記中心軸と少なくとも平行である、
請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記導波路の前記第１の部分が、中心軸、軸方向、および３６０度の範囲の半径方向を規定し、
前記中心軸が、円弧として少なくとも整形されている、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１の温度調整ハードウェア・セットから前記導波路の前記第１の部分への加熱作用または冷却作用あるいはその両方の前記伝達が、少なくとも一部は直接前記熱／電界伝達媒体材料を介して行われ、
前記第１の電界調整ハードウェア・セットから前記導波路の前記第１の部分への電界調整の前記伝達が、少なくとも一部は直接前記熱／電界伝達媒体材料を介して行われ、
前記第１の温度調整ハードウェア・セットからの加熱作用または冷却作用あるいはその両方の前記伝達、および前記第１の電界調整ハードウェア・セットからの電界調整の前記伝達が、同時に、前記熱／電界伝達媒体材料の同一の区間上で行われる、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
導波路に沿って進む光を変調するためのデバイスであって、
光を伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた導波路と、
前記光を前記導波路の少なくとも第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の熱光学変調器と、
前記光を前記導波路の少なくとも前記第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の電気光学変調器と、
前記第１の熱光学変調器から前記導波路の前記第１の部分に加熱作用または冷却作用あるいはその両方を熱的に伝達するように、かつ前記第１の電気光学変調器から前記導波路の前記第１の部分に電界調整を電気的に伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた伝達媒体材料と、
を備え、
前記第１の熱光学変調器が、前記伝達媒体材料に電流を流すことによって熱を発生させ、
前記第１の熱光学変調器と前記第１の電気光学変調器が電気的に結合されている、
デバイス。
【請求項１４】
前記導波路の前記第１の部分および前記伝達媒体材料が、物理的に一体化された、一体型の単一の材料として形成されている、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記物理的に一体化された、一体型の単一の材料が、半導体ｐｎ接合の一部を備える、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１の電気光学変調器が、無線周波数（ＲＦ）位相シフタである、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第１の電気光学変調器の動作に起因する前記伝達媒体材料の電圧または電流あるいはその両方が、前記第１の熱光学変調器の動作に起因する前記伝達媒体材料の電圧または電流あるいはその両方に垂直な方向に生じる、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記導波路の前記第１の部分が、中心軸、軸方向、および３６０度の範囲の半径方向を規定し、
前記第１の電気光学変調器の動作に起因する前記電圧または電流あるいはその両方が、前記中心軸に垂直な方向に生じ、
前記第１の熱光学変調器の動作に起因する前記電圧または電流あるいはその両方が、前記中心軸と平行な方向に生じる、
請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記導波路の前記第１の部分が、中心軸、軸方向、および３６０度の範囲の半径方向を規定し、
前記第１の熱光学変調器および前記第１の電気光学変調器が、少なくとも第１の期間にわたって同時にアクティブであり、
電圧が前記第１の期間中に、相対する半径方向に前記導波路の前記第１の部分の両端間に存在し、
前記導波路の前記第１の部分の両端間の前記電圧が、すべて前記第１の電気光学変調器の動作によるものである、
請求項１７に記載のデバイス。
【請求項２０】
導波路に沿って進む光を変調するためのデバイスであって、
光を伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた導波路と、
前記光を前記導波路の少なくとも第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の熱光学変調器と、
前記光を前記導波路の少なくとも前記第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の電気光学変調器と、
を備え、
前記熱光学変調器および前記電気光学変調器が、単一の、区別のつかない構造に統合されている、
デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にナノフォトニクスの分野に関し、より詳細にはナノフォトニック構造の電気光学および熱光学変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノフォトニクスは、非常に短い長さスケールの光の発生、放射、伝送、例えば、変調、増幅、またはスイッチングなどによる操作、および検出を含む。これらの長さスケールは、典型的には、ナノメートルまたは低マイクロメートルの範囲にあり、関係する光の波長よりも短い。光それ自体は、近赤外線またはそれより低い周波数から、紫外線またはそれを超える電磁スペクトルに沿ってどこにあってもよく、近赤外線は、遠隔通信のためのデータ伝送媒体として広範に使用されているため特に現在関心を引いている。
【０００３】
ナノフォトニクスは、限定されることなく、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）作製プロセスにおいて構築される集積回路の光学および電気光学構成部品を含み、この作製プロセスに対しては、シリコンが現在最も一般的な基本構成ブロックである。そのようなシリコン・ナノフォトニック構成部品は、集積回路の速度、機能性、および電力効率の進歩を約束し、一方で高度に進化したＣＭＯＳ製造技術の恩恵を同時に活用している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ナノフォトニック構造の電気光学および熱光学変調器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様によると、（ｉ）光を伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた導波路と、（ｉｉ）制御されたやり方で導波路の少なくとも第１の部分を加熱するまたは冷却するあるいはその両方を行うように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の温度調整ハードウェア・セットと、（ｉｉｉ）制御されたやり方で導波路の少なくとも第１の部分の電界を制御するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の電界調整ハードウェア・セットと、（ｉｖ）（ａ）第１の温度調整ハードウェア・セットから導波路の第１の部分に加熱作用または冷却作用あるいはその両方を熱的に伝達するように、かつ（ｂ）第１の電界調整ハードウェア・セットから導波路の第１の部分に電界調整を伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた熱／電界伝達媒体材料と、を含むデバイスが存在する。第１の温度調整ハードウェア・セットと第１の電界調整ハードウェア・セットは、電気的に結合されている。
【０００６】
本発明のさらなる態様によると、導波路に沿って進む光を変調するためのデバイスが存在し、本デバイスは、（ｉ）光を伝達するように構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた導波路と、（ｉｉ）光を導波路の少なくとも第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の熱光学変調器と、（ｉｉｉ）光を導波路の少なくとも第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の電気光学変調器と、（ｉｖ）（ａ）第１の熱光学変調器から導波路の第１の部分に加熱作用または冷却作用あるいはその両方を熱的に伝達するように、かつ（ｂ）第１の電気光学変調器から導波路の第１の部分に電界調整を電気的に伝達するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた伝達媒体材料と、を含む。第１の熱光学変調器は、伝達媒体材料に電流を流すことによって熱を発生させる。第１の熱光学変調器と第１の電気光学変調器は、電気的に結合されている。
【０００７】
本発明のさらなる態様によると、導波路に沿って進む光を変調するためのデバイスが存在し、本デバイスは、（ｉ）光を伝達するように構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた導波路と、（ｉｉ）光を導波路の少なくとも第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の熱光学変調器と、（ｉｉｉ）光を導波路の少なくとも第１の部分に沿って変調するように、構造化され、接続され、または設置され、あるいはそれらの組合せがなされた第１の電気光学変調器と、を含む。熱光学変調器および電気光学変調器は、単一の、区別のつかない構造（non-differentiated structure）に統合されている。
【０００８】
本発明の実施形態について、ここで単なる例として添付図面を参照して記載する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による第１の実施形態の半導体構造の第１の横断面図である。
【図２】第１の実施形態の半導体構造の一部の第２の横断面図である。
【図３】第１の実施形態の半導体構造の一部の正射投影平面図である。
【図４】第１の実施形態の半導体構造の一部の正射投影軸方向図である。
【図５】第１の実施形態の半導体構造の一部の第３の横断面図である。
【図６】本発明による第２の実施形態の半導体構造の正射投影平面図である。
【図７】第２の実施形態の半導体構造の正射投影軸方向図である。
【図８】第２の実施形態の半導体構造の横断面図である。
【図９】本発明による第３の実施形態の半導体構造の正射投影平面図である。
【図１０】第３の実施形態の半導体構造の横断面図である。
【図１１】本発明による第４の実施形態の半導体構造の正射投影平面図である。
【図１２】第４の実施形態の半導体構造の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一部の実施形態は、熱光学変調および電気光学変調を導波路の同一の区間に沿って施すことによって、導波路に沿って伝播する光を変調する。両方の変調形式は、独立した変調動作により同一の物理的に一体化された構造によって生成される。それぞれの変調形式の信号は、伝達媒体の共有部分を通って導波路に伝えられる。
【００１１】
本発明の一部の実施形態は、シリコン・ナノフォトニック技術、例えば、モノリシックＣＭＯＳナノフォトニクスのためのサブ１００ｎｍ技術が、以下の特徴、特性、または利点、あるいはそれらの組合せのうちの１つまたは複数を提供できることを認識する。すなわち、（ｉ）コスト効率の良い、単一ダイの波長分割多重（ＷＤＭ）送受信器、（ｉｉ）スケーラブルな、多チャネルの、または波長多重の、あるいはそれらの組合せの構成部品の高密度集積化、ならびに／あるいは（ｉｉｉ）センチメートル以下からキロメートル以上の範囲をカバーする高速通信、例えば、サーバ、データセンタおよび高度コンピューティング・システムへの、それらからの、またはそれらの内部での、あるいはそれらの組合せにおける、チップ間通信およびラック間通信を可能にする、大規模な配置に適した構成部品である。
【００１２】
さらに、本発明の一部の実施形態は、（ｉ）１つの動作クラスのナノフォトニック構造が、光波が媒体を通過するときに熱の印加を介して媒体の屈折率を変えることによって光波の位相を変える熱光学位相シフタまたは熱光学ヒータであること、および（ｉｉ）第２の動作クラスのナノフォトニック構造が、光波が媒体を通過するときに電界の印加または操作を介して媒体の光学的性質を変化させることによって光波の位相を変える電気光学位相シフタであること、を認識する。熱光学位相シフタは、光波の変化を引き起こすのが比較的遅いが、著しい光損失なしに大きな調整範囲にわたって変えることができる。したがって、これらの熱光学位相シフタは、電気光学集積回路の光学部品を較正する、構成する、さもなければ調整するために、ＣＭＯＳ互換のフォトニック構造でしばしば使用される。例えば、熱光学ヒータは、動作波長を調整することによって、または変調のために送信器伝達関数のどの部分が使用されるかを調整することによって電気光学送信器を制御し、製造ばらつき、または動作中の外部温度ドリフトを補償するために使用される。一方、ＲＦ位相シフタなどの電気光学（ＥＯ）位相シフタは、（通常比較的狭い範囲にわたってではあるが）光波の比較的高速の変化を引き起こし、そのため光信号を変調するために使用される傾向がある。
【００１３】
上で使用されたように、「範囲」は、位相に対応する。電気光学位相シフタおよび熱光学位相シフタは、両方とも光の位相を制御する。位相変化が共振波長、結合比、または他のパラメータに影響するかどうかは、電気光学位相シフタまたは熱光学位相シフタが組み込まれている構造のタイプに依存する。マッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）などの干渉計またはリング共振器内部に含まれている場合、レーザ波長が固定されていると仮定すると、光の位相を変化させることによって、出力光強度を変化させること（したがって変調すること）ができる。リング共振器構造では、位相を変化させることは、電気光学的にまたは熱光学的に行われるかどうかにかかわらず、リングの共振波長の変化に対応する。上に述べたように、リングの熱光学位相シフタを使用して、製造誤差または波長の温度ばらつきを補償することができる。ＭＺＩ変調器は、一般に波長依存性がなく、熱光学位相シフタは、結果として２つのアーム間の位相アンバランスとなる製造誤差、またはそのような干渉計の入出力における５０／５０カプラーの製造誤差を補償するために使用されることがある。
【００１４】
逆バイアスダイオードに基づく集中素子ＥＯ変調器の周波数範囲は、ダイオードのｐｎ接合の抵抗器・キャパシタ（ＲＣ）時定数によって、一般に直流（ＤＣ）から数１０ＧＨｚまでの範囲に限定されているが、一部のポリマーを主体とする進行波ＭＺＩ変調器は、例えば、１００ＧＨｚの帯域幅を示した。ＥＯ変調それ自体が位相シフトであるが、その位相変調は、変調器（リング、ＭＺＩ）の設定に応じて、出力光の振幅変調に変換され得る。位相シフトが生じる場合、対応する光の周波数シフトもある。したがって、一般に、変調器は、振幅変調、位相変調、または周波数変調（もしくは偏波変調さえも）、あるいはそれらの組合せを生成することができる。
【００１５】
本発明の一部の実施形態は、（ｉ）１つの機能クラスのナノフォトニック・デバイスが光送信器変調器であること、（ｉｉ）必ずしも限定されることなく、（ａ）リング変調器（リング共振器変調器）などの集中共振ＥＯ変調器、（ｂ）集中ＥＯマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）、および（ｃ）進行波ＭＺＩを含む様々な動作クラスの光送信器変調器が存在すること、ならびに（ｉｉｉ）それぞれの動作クラスの変調器が全体的に、独特の一群の（constellation of）費用対効果を明らかにすること、を認識する。
【００１６】
例えば、集中共振ＥＯ変調器（例えば、リング変調器）は、（ｉ）要求される駆動電圧が低い、（ｉｉ）物理的な設置面積が小さい、および（ｉｉｉ）中〜広帯域幅が可能である（２５Ｇｂ／ｓ以上の動作が示された）傾向があるが、（ｉｖ）温度感受性が高く、それにより効果的な動作にヒータを必要とする傾向もある。一方、集中ＥＯ  ＭＺＩは、（ｉ）温度感受性が低い（すなわち、集中ＥＯ  ＭＺＩは、温度安定性がある傾向がある）、および（ｉｉ）物理的な設置面積が小さい傾向があるが、（ｉｉｉ）要求される駆動電圧が高い、および（ｉｖ）帯域幅が限られる傾向もある。集中共振ＥＯ変調器および集中ＥＯ  ＭＺＩの両方とは対照的に、進行波ＭＺＩは、（ｉ）要求される駆動電圧が低い、（ｉｉ）温度感受性が低い、および（ｉｉｉ）帯域幅が広い（２５Ｇｂ／ｓ以上の動作が示された）傾向があるが、（ｉｖ）物理的な設置面積が大きい傾向もある。
【００１７】
本発明の一部の実施形態は、（ｉ）広い帯域幅、高い変調効率、および低い消費電力が光変調器の望ましい特性であること、（ｉｉ）リング変調器が上記のようなそれらの有益な特性のためにしばしば望ましいこと、ならびに（ｉｉｉ）無線周波数（ＲＦ）位相シフタを含む集中素子共振変調器（リング変調器）に関しては、帯域幅、変調効率、および消費電力が、以下のように決定されることを認識する。（ａ）帯域幅は、（１）ＲＣ時定数、および（２）光学寿命によって決定される。（１）Ｃが小さくなるほどＲＣで制限される帯域幅が広くなる。ＲＦ位相シフタが短くなるほど、結果としてＣが小さくなる。リング共振器と組み合わされたときに、ＲＦ位相シフタは、所与の変調深さに対して比較的短くすることができる。これは、光がリング共振器の周りを何度も進み、共振器の同一のＲＦ位相シフタ領域を何度も通過し、結果として実際のＲＦ位相シフタ長よりもはるかに長い実効的なＲＦ位相シフタ長となるためである（以下の変調効率も参照）。（２）加えて、共振器のアクティブなＲＦ位相シフタ領域で光がその光学寿命中に費やす時間が多くなるほど、光学寿命で制限される帯域幅が広くなる。したがって、共振器円周は、（熱光学ヒータまたは単なる受動導波路とは対照的に）アクティブなＲＦ位相シフタから構成されている割合がより大きいことが望ましく、その理由は、共振器内部でのＲＦ位相シフタの充填率（fill fraction）がより高くなることが、光は、光がリングの周りを複数回ループする間に、より多くの時間をかけてアクティブなＲＦ位相シフタにさらされ、したがって光学寿命で制限される帯域幅がより広くなることを意味するからである。（ｂ）変調効率は、実効的なＲＦ位相シフタ長によって決定され、これは、（１）周回乗数（round-trip multiplier）、および（２）充填率によって決定される。（１）周回乗数は、リング変調器の共振構造に起因する。光は、減衰する前に、リングの周りを何度も進み、各周回時に同一のＲＦ位相シフタ領域を通って進むため、実効的なＲＦ位相シフタ長は、Ｎ×Ｌとして表わすことができ、ここで、Ｎは光がリングの周りを周回する回数（周回乗数）であり、Ｌは、物理的な位相シフタ長である。この共振構造は、結果としてリング変調器の変調効率に対する共振増強となる。（２）充填率が高くなるほど、所与のサイズのリングに対してＬを増加させることによって長い実効的なＲＦ位相シフタ長が得られる。光損失は、変調器の非アクティブ領域ではそれほど生じず（すなわち、以前に説明したように、光は、その時間をリングのアクティブなＲＦ位相シフタ領域で費やす割合が大きい）、したがって、光の減衰前にある一定のループ数を仮定すると、充填率が高くなるほど、結果として実効的なＲＦ位相シフタ長も長くなる。（ｃ）式Ｐ＝１／４ＣＶ２によって記述される消費電力は、（１）物理的なＲＦ位相シフタ長、および（２）変調効率によって決定される。（１）上述したように、物理的なＲＦ位相シフタ長が短くなるほど、結果としてキャパシタンス（Ｃ）が小さくなり、したがって電力（Ｐ）が低くなるが、（２）変調効率が高くなるほど、結果として要求電圧（Ｖ）が小さくなり、したがって電力が低くなる。
【００１８】
上記に基づいて、本発明の一部の実施形態は、高い（ＲＦ）位相シフタ充填率が、結果として所与のサイズのリングに対して最良の帯域幅、変調効率、および消費電力をもたらすため、ＲＦ位相シフタがリング円周の可能な限り最大の部分をカバーすることによって、リング変調器が恩恵を受けることを認識する。しかしながら、本発明の一部の実施形態は、（ｉ）高速変調のための電気光学位相シフタに加えて、リング変調器が、調整のために１つまたは複数の熱光学位相シフタを必要とする傾向があること、（ｉｉ）性能目的のために、そのような熱光学位相シフタをリング変調器の導波路に熱的に近接して配置することが望ましいこと、（ｉｉｉ）（ｉ）および（ｉｉ）の結果として、理想的なリング変調器では、熱光学位相シフタおよびＲＦ位相シフタの両方がリング導波路構造に直接一体化されていること、しかし、（ｉｖ）リング変調器に別々の熱光学位相シフタおよびＲＦ位相シフタを有することによって、両方の位相シフタを収容するためにリング円周がより大きくなる傾向があり、そのため、リング円周が高速のＲＦ位相シフタによってカバーされる部分を低下させること、も認識する。この充填率の低下は、（例えば、同一の出力信号特性を生成するためにより大きな駆動電圧を必要とするため）上で説明したように変調器性能にとって有害である。
【００１９】
したがって、本発明の一部の実施形態は、デュアル・ユースの、統合されたＲＦおよび熱光学位相シフタを含むように動機づけられている。リング変調器に関して、熱光学位相シフタおよび高速ＲＦ位相シフタを１つの構造に統合することによって、以下の特徴、特性、または利点、あるいはそれらの組合せのうちの１つまたは複数を提供することができる。（ｉ）別個の熱光学位相シフタが必要ではないため、ＲＦ位相シフタは、リング円周のより大きな部分をカバーすることができ、（ｉｉ）ＲＦ位相シフタがリング円周のより大きな部分をカバーすることによって、リング変調器をより効率的で、より小さくすることを同時に行うことができ、または（ｉｉｉ）リング円周のより大きな部分をカバーすることによって、所与の出力変調の深さに対して全体的なリング変調器サイズおよび必要とされる駆動電圧を低減させ、それによって、性能を改善することができ、あるいはこれらを組み合わせて行うことができる。
【００２０】
図１には、半導体構造１００の断面図（縮尺通りには描かれていない）が示され、断面の文脈で本発明の実施形態を例示する。半導体構造１００は、トップレベルの配線１０１および１０３、導電層経路１０２、ならびに導電性のバイア１０４を含む電気的な相互接続１０１〜１０４と、ｎドープされたウィング１１０ａ、ｐドープされたウィング１１０ｂ、および導波路１０８を含むｐｎ接合１１０と、を含む。破線１１２は、ｐｎ接合のｎドープされたウィングとｐドープされたウィングの境界を示す。ｐｎ接合１１０は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）に形成され、埋込み酸化物（ＢＯＸ）などの絶縁体（図示せず）の薄い層がシリコンｐｎ接合の下に位置し、シリコンｐｎ接合をシリコン・ハンドルウェーハ（図示せず）から分離する。
【００２１】
図２は、ｐｎ接合１１０の拡大図を示す。本実施形態では、ウィングは、対称であり、ドーピングの度合いは、各ウィングのエッジから中心の導波路へと減少している。当業者は、変調器設計の考慮すべき点に応じて、例えば、寸法、対称性、ドーピングレベル、および境界配置（水平に、垂直に、対角線上に、互いにかみ合ってなど）に対して数多くの可能性のある変形形態を認識するであろう。
【００２２】
半導体構造１００は、リング変調器で使用されるデュアル・ユースのＲＦおよび熱光学位相シフタの負荷ＲＦ電極である。リング形状は、電気的な相互接続１０３を通過する垂直軸の周りに、断面に垂直にｐｎ接合１１０を回転させることによって視覚化され得る。電気的な相互接続１０１と１０３との間の電圧を変えることによって、ｐｎ接合１１０の導波路１０８内での自由キャリア／光のオーバラップが変化し、したがって、光波が二次元の断面図に垂直な方向に導波路を通って伝播するとともに、光波の位相が変調される。
【００２３】
図３、図４、および図５には、ｐｎ接合１１０の平面図、側面図、および断面図がそれぞれ示され、図５の断面図が図３の切断線Ａ−Ａに対応する。これらの３つのより詳細な図は、以下のような、さらなる要素、すなわち、ヒータ・コンタクト・バイア・グループ２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、および２０４ｄを含むヒータ・コンタクト・バイア２０４と、ＲＦコンタクト・バイア・グループ２０６ａおよび２０６ｂを含むＲＦコンタクト・バイア２０６と、各バイアの下に配置されたオーミック・コンタクト２０２ａ（Ｎ＋）および２０２ｂ（Ｐ＋）と、を含む。図３は、便宜上、上面図を直線状として示しているが、本実施形態は、リング変調器で使用されるため、実際には図の面内で円弧状になっていることを理解されたい。
【００２４】
ヒータ・バイア・グループ２０４ａおよび２０４ｂは、オーミック・コンタクト２０２ａおよび２０２ｂを介してｐｎ接合１１０のｎドープされたウィング１１０ａに電気的に接続されている。したがって、ヒータ・バイア・グループ２０４ａと２０４ｂとの間にバイアス電圧（Ｖｈｅａｔ）を確立することによって、これらの２つのグループ間で電流が流れ、接合１１０のｎドープされたウィング１１０ａを直接加熱する。ｐドープされたウィング１１０ｂは、バイア・グループ２０４ｃと２０４ｄとの間にバイアス電圧（Ｖｈｅａｔ）を確立することによって、同様に加熱される。一緒になって、ｐｎ接合１１０のこの直接加熱は、結果として、導波路１０８を通って進む光の熱光学位相シフトをもたらす。ヒータを導波路の両側に置くことによって、変調器の長さに沿ってｐｎ接合両端間の定電圧降下が維持され、電力効率および空間効率がよくなり、要求される温度調整範囲の達成が容易になる。片側にのみヒータを有することは可能であるが、変調効率は、低下する。Ｖｈｅａｔは、本実施形態では定数であり、それにより、この電圧がヒータ・バイア・グループ２０４ａと２０４ｂとの間に（およびヒータ・バイア・グループ２０４ｃと２０４ｄとの間に）印加されたとき、直流がこれらのバイア・グループ間に流れる。
【００２５】
別のバイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）およびＲＦ電圧（ＶＲＦ）が、Ｎ＋ＲＦオーミック・コンタクト・バイア・グループ２０６ａとＰ＋ＲＦオーミック・コンタクト・バイア・グループ２０６ｂの両端間に印加され、これらのバイア・グループもオーミック・コンタクト２０２ａおよび２０２ｂを介してｐｎ接合１１０に電気的に接続されている。Ｖｂｉａｓは、ｐｎ接合１１０に対する動作点を設定し、接合が確実に順バイアスに入らないようにするために使用され、一方ＶＲＦは、導波路１０８を通って進む光の高速変調信号を生成する。ＶＲＦを変えることによって、ｐｎ接合を逆バイアス・モードで動作させる従来のやり方で、電流が導波路の横方向両端間で一時的に一方の方向にまたは逆の方向に流れる。導波路区間の横方向両端間のヒータ電圧をゼロに維持することによって（例えば、バイア・グループ２０４ａおよび２０４ｃの両方にＶｈｅａｔを印加することによって）、ｐｎ接合１１０の任意の横方向区間両端間の電圧差が、位相シフタの全長を通して同じまま（Ｖｂｉａｓ＋ＶＲＦ）であるため、Ｖｈｅａｔの印加によるヒータの動作は、高速変調器の動作を妨害しない（全電圧という点では、２つのヒータ区間に印加される電圧は、ＲＦ位相シフタ両端間に適切なＶｂｉａｓを提供するために異なる。すなわち、２０４ａと２０４ｃとの間、および２０４ｂと２０４ｄとの間のベース電圧差は、Ｖｂｉａｓであるが、２０４ａと２０４ｂとの間、および２０４ｃと２０４ｄとの間の差は、Ｖｈｅａｔである。これを達成する１つのやり方は、２０４ａにＶｈｅａｔ＋Ｖｂｉａｓを、２０４ｂにＶｂｉａｓを、２０４ｃにＶｈｅａｔを、２０４ｄにゼロ電圧を印加することである）。より一般には、熱位相シフタは、例えば、導波路と平行に延びる抵抗器内に、または異なる金属層上に構築されることによって、高速の電気光学位相シフタから電気的に分離され得るが、この設計の熱位相シフタは、導電性の相互接続層１０１〜１０４ならびにｐｎ接合１１０によって形成された抵抗器であり、したがって、熱位相シフタは、ＲＦ位相シフタと電気的に一体化され、デュアル・ユースのＲＦおよび熱位相シフタとなっている。
【００２６】
図６、図７、および図８には、ｐｎ接合３１０の上面図、側面図、および断面図がそれぞれ示され、図８の断面図が図６の切断線Ｂ−Ｂに対応する。ｐｎ接合３１０は、ｎドープされたウィング３１０ａおよびｐドープされたウィング３１０ｂを含み、前の図の実施形態に対してわずかな変化がある。本実施形態では、ヒータ・コンタクト・バイア２０４は、ＲＦコンタクト・バイア２０６の直ぐ横に配置されているが、他の点では依然として接合３１０に直接一体化されたままであり、前の実施形態に対して上記されたのと同じやり方で機能する。あるいは、ヒータ・コンタクト・バイアは、ＲＦコンタクト・バイアのちょうど中心に配置されてもよい。前述の各組の図のそれぞれの図に表わされた実施形態において、熱光学変調および電気光学変調は、熱光学変調器と電気光学変調器の機能を統合した単一の、区別のつかない構造によって行われるが、それでもなおそれらの変調器を独立して制御することができる。
【００２７】
図９および図１０には、構造５００の上面図および断面図がそれぞれ示され、図１０の断面図が図９の切断線Ｃ−Ｃに対応する。構造５００は、熱および電界伝達媒体材料５０２と、導波路５０４と、ヒータ・コンタクト領域５０６ａおよび５０６ｂと、電界調整コンタクト領域５０８ａおよび５０８ｂと、伝達オーバラップ領域（共通の伝送部分）５１２と、を含み、すべて、中心軸ならびに半径方向Ｒ１およびＲ２に対して示されている。熱および電界の調整は、伝達オーバラップ領域５１２によって識別されるように、熱および電界伝達媒体材料５０２によって導波路５０４の同一の部分に伝達される。材料５０２は、導電性であり、それにより、熱調整コンタクト領域と電界調整コンタクト領域５０６ａと５０８ａおよび５０６ｂと５０８ｂが電気的に結合されているため、ならびに熱および電界の調整が材料５０２の共有部分５１２で行われるため、これは、デュアル・ユースの熱および電界調整器である。
【００２８】
図１１および図１２には、構造６００の上面図および断面図がそれぞれ示され、図１２の断面図が図１１の切断線Ｄ−Ｄに対応する。構造６００は、熱および電界伝達媒体材料６０２と、導波路６０４と、ヒータ・コンタクト領域６０６ａおよび６０６ｂと、電界調整コンタクト領域６０８ａおよび６０８ｂと、伝達オーバラップ領域（共通の伝送部分）６１２と、を含み、すべて、中心軸ならびに半径方向Ｒ１およびＲ２に対して示されている。図１１および図１２の実施形態では、熱および電界の調整が、伝達オーバラップ領域６１２によって識別されるように、熱および電界伝達媒体材料６０２によって導波路６０４の同一の部分に直接伝達される。ここでの差異は、ヒータ６０６ａおよび６０６ｂ、ならびに電界調整領域６０８ａおよび６０８ｂが、中央および横に配置されるのではなく、互いに上下に配置されているが、図９および図１０では、それらがそれらの共有の伝達チャネルに対して部分的に同一の広がりを持った状態で、導波路の共通部分に影響を与えるということである。図９および図１０の材料５０２と同様に、材料６０２は導電性であり、それにより、熱コンタクト領域と電界調整コンタクト領域６０６ａと６０８ａおよび６０６ｂと６０８ｂが電気的に結合されている。電気的にこのように一体化されており、熱および電界の調整が材料６０２の共有部分６１２で行われるため、これは、デュアル・ユースの熱および電界調整器である。
【００２９】
本発明の様々な実施形態についての記載が例示の目的のために提示されたが、網羅的であること、または開示された実施形態に限定されることは意図されていない。多くの変更形態および変形形態が本発明の範囲および思想から逸脱せずに当業者には明らかであろう。例えば、（ｉ）導波路および変調デバイスは、ゲルマニウムもしくはグラフェン、または他の周期表グループからの元素もしくは化合物などの他の材料を含んでも、そのような材料を主成分としてもよく、または、ニオブ酸リチウム、または可能性として歪みシリコンもしくは他のなんらかの材料などの、導波路が実質的に線形電気光学効果を備えた材料を有する、線形電気光学変調器を含んでもよく、あるいはその両方でもよく、（ｉｉ）ドーピング濃度勾配は、連続的であっても、急峻であってもよく、（ｉｉｉ）他の対称もしくは非対称の接合寸法、または変調構成部品、あるいはその両方が使用されてもよく、（ｉｖ）ｐ−ｉ−ｎ接合またはＭＯＳダイオードを含む、同一の、もしくは異なる物理的な原理で動作する他の接合タイプまたは導波路タイプあるいはその両方が使用されてもよく、（ｖ）周波数変調または振幅変調などの異なるタイプの変調形式が使用されてもよく、（ｖｉ）搬送波および変調信号の周波数は、電磁スペクトルの周波数範囲全体わたって変わってもよく、（ｖｉｉ）ヒータ・コンタクト・バイアは、必ずしもデュアル・ユースの位相シフタ構造の端部に、またはそのような端部にのみある必要はなく、例えば、電気光学コンタクト・バイアと交互に配置されていてもよく、（ｖｉｉｉ）導波路もしくは接合またはその両方あるいはそれらの一部は、直線状であっても、（例えば、図３の上面図がリング変調器で使用するなどのために円弧を描くように、または図４の側面図が円弧を描くように、あるいはその両方であるように）湾曲していてもよく、または導波路によって規定された円筒軸に巻き付いていてもよく、あるいはその両方であってもよく、（ｉｘ）導波路は、リブ、ストリップ、スラブ、または他のタイプであってもよく、伝搬方向に沿って一定の断面積を維持しても、維持しなくてもよく、（ｘ）各接合ウィングは、導波路軸に垂直なある角度で半径方向に巻き付いてもよく、または、（ｘｉ）デュアル・ユースの位相シフタは、リング変調器／リング共振器ノッチフィルタでのみ使用される必要はなく、（必ずしも限定されないが、ＭＺＩ、マルチリング変調器およびリング支援ＭＺＩ変調器を含む）他の変調器タイプにおいて使用されてもよく、あるいはこれらの組合せでもよい。本明細書で使用される術語は、本実施形態の原理、実際的な用途、または市場で見出される技術に関する技術的な改善について最も良く説明するように、あるいは他の当業者が本明細書に開示された実施形態を理解することができるように選ばれた。
【００３０】
以下の段落は、本明細書を理解する、または解釈する、あるいはその両方を行う目的で、ある特定の単語または用語の一部の定義について述べる。
【００３１】
本発明：用語「本発明」によって記載される主題が、出願された特許請求の範囲によって、または特許審査の後に最終的に発行し得る特許請求の範囲によってカバーされているということを絶対的に示していると解釈されるべきではなく、用語「本発明」は、読者が、本明細書において恐らくは新規であると考えられる本開示の全体的な感触を得るのを手助けするために使用されており、関連する情報が明らかにされ、特許請求の範囲が補正される可能性があるため、用語「本発明」の使用によって示されるような、この解釈は、一時的で、暫定的であり、特許審査の過程で変更されることがある。
【００３２】
実施形態：上記の「本発明」の定義を参照されたい。同様の注意が用語「実施形態」に適用される。
【００３３】
または・・・あるいはその両方（組合せ）：包含的論理和であり、例えば、Ａ、Ｂ、「または」Ｃ「あるいはその組合せ」は、ＡまたはＢまたはＣのうちの少なくとも１つが真であり、適用可能であることを意味する。
【００３４】
電気的に接続されている：直接電気的に接続されているか、または介在する要素が存在するように間接的に電気的に接続されているかのどちらかを意味し、間接的な電気的接続では、介在する要素は、構成部品、例えば、キャパシタ、インダクタ、または変圧器、あるいはそれらの組合せを含んでもよい。
【００３５】
機械的に接続されている：直接的な機械的接続、および介在構成部品を介して行われる間接的な機械的接続の両方を含み、剛性機械的接続、および機械的に接続された構成部品間の相対運動を可能にする機械的接続を含み、限定されないが、溶接接続、半田接続、締め具（例えば、釘、ボルト、ねじ、ナット、面ファスナ、ノット（ｋｎｏｔ）、リベット、着脱容易接続、ラッチ、または磁気接続、あるいはそれらの組合せ）による接続、圧力嵌め接続、摩擦嵌め接続、重力によって引き起こされる係合によって固定される接続、枢動もしくは回転可能な接続、または摺動可能な機械的接続、あるいはそれらの組合せを含む。
【００３６】
光：電磁スペクトルに沿ったどこかの電磁放射である。
【００３７】
無線周波数（ＲＦ）：３ｋＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲の周波数である。
【００３８】
物理的に一体化された、一体型の単一材料：部材の異なる領域が、異なるドーパント、ドーパントの異なる組合せでドープされていてもよく、または異なる度合いでドープされていてもよく、あるいはその両方であってもよいという意味で非均質の材料を含む。
【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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【国際調査報告】
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