(57)【要約】【課題】グラフェンを用いた光デバイスにおいて、効率よくグラフェンと伝搬光とを相互作用させることができるようにする。【解決手段】基板１０１の上に絶縁層１０２を介して配置された第１導波路１０３および第２導波路１０４と、第１導波路１０３と第２導波路１０４との間の配置された光制御部１０５とを備える。第１導波路１０３と第２導波路１０４とは、各々の入出射端１３４と入出射端１４４とが向かい合って配置されている。光制御部１０５は、基板１０１の上に形成された誘電体層１０６と、誘電体層１０６の上に形成されたグラフェンからなる炭素層１０７とを備える。炭素層１０７は、第１導波路１０３の入出射端１３４と第２導波路１０４の入出射端１４４とに挾まれた領域で、誘電体層１０６の上に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の入出射端が向かい合って基板の上に配置された第１導波路および第２導波路と、
前記第１導波路と前記第２導波路との間の配置された光制御部と
を備え、
前記光制御部は、
前記基板の上に形成された誘電体層と、
前記第１導波路の入出射端と前記第２導波路の入出射端とに挾まれた領域で前記誘電体層の上に形成されたグラフェンからなる炭素層と、
前記誘電体層の下面に接して前記基板の上に形成された第１電極層と、
前記第１電極層とは電気的に分離した状態で前記炭素層の上面に接して前記基板の上に形成された第２電極層と
を備えることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記第１電極層および前記第２電極層は、前記第１導波路の入出射端と前記第２導波路の入出射端とに挾まれた領域以外に形成されていることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の光デバイスにおいて、
前記第１導波路および前記第２導波路は、シリコンからなるコアより構成された光導波路であることを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
請求項１または２記載の光デバイスにおいて、
前記第１導波路および前記第２導波路は、表面プラズモン導波路であることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調や光スイッチなどの光制御を可能とするグラフェンを用いた光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光と電気とを変換することができる素子に用いられる光半導体材料には、数多くの元素が知られている。このような光半導体材料は、一般的にＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＩＶ族半導体材料に分類することが可能である。これらの中でも、光通信分野においては、光応用技術（シリコンフォトニクス技術）に適用可能なシリコン・ゲルマニウムなどに代表されるＩＶ族半導体材料が、注目されている。ＩＶ族半導体材料を用いた光応用技術は、大量生産が可能かつ小型・集積化など優れた利点を有することから、チップ間光インターコネクションに代表される極短距離光通信から、中・長距離光通信まで幅広い応用が検討されている。
【０００３】
また、近年では、更なる先の技術を見越し、炭素材料、特にナノカーボンと呼ばれるカーボンナノチューブやグラフェンを用いた光通信の応用技術開発が盛んに行われている（非特許文献１参照）。例えば、グラフェンは、高キャリア移動度、光波長無依存性、高光非線形性などに利点を持ち、従来の材料と一線を画す光デバイスを実現可能である（非特許文献２参照）。
【０００４】
グラフェンは単層あるいは数層の炭素原子から構成されるため、グラフェンのみで伝搬モードを形成する場合は損失が大きく、不都合が多い。このため、一般には、ベースとなる各種材料の光回路上にグラフェンを装荷して用いられている。例えば、シリコンや窒化シリコン、石英、インジウム燐、ガリウムヒ素などの誘電体導波路上に、アクティブ領域のみグラフェンおよび関連素子を形成し、これ以外の領域は誘電体導波路が光の伝搬を担う構造（ハイブリッド構造）である。
【０００５】
例えば、シリコンなどをはじめとする半導体材料を用いた微小光回路は、導波路コア材料とクラッド材料との屈折率差（Δｎ＝約２．５）が非常に大きいことから、クラッド周囲へのエバネッセント波（漏れ出し電界）が大きくなる。このため、グラフェンと高い相互作用が得られることから、上述した微小光回路にグラフェンを組み合わせた変調器や受光器などに応用する報告例がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. Liu et al., "A graphene-based broadband optical modulator", Nature, vol.474, pp.64-67, 2011.
【非特許文献２】F. Bonaccorso et al., "Graphene photonics and optoelectronics", NATURE PHOTONICS, vol.4, pp.611-622, 2010.
【非特許文献３】S. A. Mikhailov and K. Ziegler, "New Electromagnetic Mode in Graphene", Physical Review Letters, vol.99, no.1, 016803, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、シリコンなどを含む、高屈折率差を有する光導波路系とグラフェンとが集積された光デバイス（光変調器や受光器など）は、多くの特筆すべき利点を有するが、光電場と２次元材料であるグラフェンとの相互作用は依然として不足しているという問題があった。グラフェンと伝搬モード光との電界間の相互作用を高めるためには、これらの重なり面積分によって見積もることが可能である。ここで、一般には、相互作用をさせる２つの部分の断面形状により得られる相互作用効率が異なり、各々の断面形状が完全一致する場合に１００％となる。
【０００８】
例として、電磁界シミュレータによるモード解析を基に、上述した光デバイスについて見積もった結果、グラフェンが覆われているシリコン導波断面（グラフェン厚さ：０．３４ｎｍ，シリコン導波路の断面形状：縦２００ｎｍ×横４００ｎｍ）において、伝搬モード中の全電界のうち、グラフェンと相互作用している割合はおおよそ０．０６−０．０８％であった。このように、従来の光導波路系とグラフェンとが集積された光デバイスでは、効率よくグラフェンと伝搬光とを相互作用させることができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、グラフェンを用いた光デバイスにおいて、効率よくグラフェンと伝搬光とを相互作用させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光デバイスは、各々の入出射端が向かい合って基板の上に配置された第１導波路および第２導波路と、第１導波路と第２導波路との間の配置された光制御部とを備え、光制御部は、基板の上に形成された誘電体層と、第１導波路の入出射端と第２導波路の入出射端とに挾まれた領域で誘電体層の上に形成されたグラフェンからなる炭素層と、誘電体層の下面に接して基板の上に形成された第１電極層と、第１電極層とは電気的に分離した状態で炭素層の上面に接して基板の上に形成された第２電極層とを備える。
【００１１】
上記光デバイスにおいて、第１電極層および第２電極層は、第１導波路の入出射端と第２導波路の入出射端とに挾まれた領域以外に形成されている。
【００１２】
上記光デバイスにおいて、第１導波路および第２導波路は、シリコンからなるコアより構成された光導波路であればよい。また、第１導波路および第２導波路は、表面プラズモン導波路であっても良い。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、グラフェンを用いた光デバイスにおいて、効率よくグラフェンと伝搬光とを相互作用させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における光デバイスの構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における光デバイスの一部構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における光デバイスの構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における他の光デバイスの構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、光ファイバとの接続のためにスポットサイズ変換部を設けた場合の光ファイバとのＴＥ伝搬モードの結合効率について示す特性図である。
【図６】図６は、光ファイバとの接続のためにスポットサイズ変換部を設けた場合の光ファイバとのＴＭ伝搬モードの結合効率について示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１６】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１，２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光デバイスの構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１における光デバイスの一部構成を示す断面図である。
【００１７】
この光デバイスは、基板１０１の上に絶縁層１０２を介して配置された第１導波路１０３および第２導波路１０４と、第１導波路１０３と第２導波路１０４との間の配置された光制御部１０５とを備える。
【００１８】
実施の形態１において、第１導波路１０３は、シリコンからなるコア１３１と、コア１３１の上に形成された上部クラッド１３２とを備える。第２導波路１０４は、シリコンからなるコア１４１と、コア１４１の上に形成された上部クラッド１４２とを備える。また、第１導波路１０３と第２導波路１０４とは、各々の入出射端１３４と入出射端１４４とが向かい合って配置されている。
【００１９】
また、コア１３１は、入出射端１３４に向かって細くなるスポットサイズ変換部１３３を備える。また、コア１４１は、入出射端１４４に向かって細くなるスポットサイズ変換部１４３を備える。各スポットサイズ変換部１３３，１４３は、入出射端１３４，１４４から離れるに従い、途中からシングル伝搬モード条件のコア１３１，コア１４１（例えば幅４００ｎｍ）にかけて断熱的に（徐々に）平面視で広がっている。
【００２０】
光制御部１０５は、基板１０１の上に形成された誘電体層１０６と、誘電体層１０６の上に形成されたグラフェンからなる炭素層１０７とを備える。炭素層１０７は、第１導波路１０３の入出射端１３４と第２導波路１０４の入出射端１４４とに挾まれた領域で誘電体層１０６の上に形成されている。なお、光制御部１０５が配置されている領域には、上部クラッド１３２，上部クラッド１４２は形成されておらず、開放状態とされている。本発明では、炭素層１０７が配置されている領域がアクティブ領域となる。
【００２１】
また、誘電体層１０６の下面に接して基板１０１（絶縁層１０２）の上に形成された第１電極層１０８と、第１電極層１０８とは電気的に分離した状態で炭素層１０７の上面に接して基板１０１の上に形成された第２電極層１０９とを備える。実施の形態１では、これらを絶縁材料から構成されている絶縁層１０２の上に配置することで、互いに電気的に分離している。また、第１電極層１０８および第２電極層１０９は、第１導波路１０３の入出射端と第２導波路１０４の入出射端とに挾まれた領域以外に形成されている。なお、第１電極層１０８と第２電極層１０９との間には、電圧が印加可能とされている。
【００２２】
例えば、基板１０１は、シリコンから構成し、絶縁層１０２は酸化シリコンから構成することができる。また、誘電体層１０６は、Ａｌ2Ｏ3から構成することができる。ここで、誘電体層１０６の厚さは、構成する材料の誘電率に依存し、最適な厚さに設定することが重要となる。誘電体層１０６の薄層化は、効率的なキャリア蓄積ができる。一方で、成長方法によって誘電破壊閾値が大きく異なる。このため、誘電体層１０６をＡｌ2Ｏ3から構成する場合、原子層成長法によって形成し、厚さは１０〜３０ｎｍとすることが好ましい。
【００２３】
また、入出射端１３４，入出射端１４４の幅に合わせ、この幅方向の誘電体層１０６，炭素層１０７の長さを決定すれば良い。例えば、入出射端１３４，入出射端１４４の幅が１００ｎｍであれば、この幅方向の誘電体層１０６，炭素層１０７の長さは、１００ｎｍを超えていれば良い。また、信号光（伝搬光）の伝搬方向の炭素層１０７は、例えば３０μｍ程度とすれば良い。グラフェンにおける透過損失差（ＴＥ偏波損失−ＴＭ偏波損失）＝１ｄＢ／μｍであり、これを大きく上回る光変調効率が炭素層１０７による光制御部１０５で期待できる。従って、上述した３０μｍは、３０ｄＢで消光するために十分な長さである。
【００２４】
グラフェンは、金属−半導体遷移をゲート電極への電界印加によってアクティブ制御することが可能である（非特許文献３参照）。グラフェンからなる炭素層１０７に対して垂直に電場が印加されて金属的な振る舞いをする状態では、第１導波路１０３の入出射端１３４より出射して結合した光は、炭素層１０７の表面において表面プラズモン伝搬モードを形成する。このため、第２導波路１０４の入出射端１４４に比較的軽微な挿入損失で結合して出力される。
【００２５】
一方、炭素層１０７に対して電場が印加されずに半導体的な振る舞いをする場合、バンド間吸収により第１導波路１０３の入出射端１３４より出射して結合した光は、炭素層１０７で完全に吸収されるため、第２導波路１０４の入出射端１４４には伝搬しない。
【００２６】
従って、第１電極層１０８と第２電極層１０９との間に電圧を印加して炭素層１０７に電界を印加することで、任意の時間に第１導波路１０３から第２導波路１０４への光の出力を切り替えることが可能となる。実施の形態１によれば、ドーピングされていないグラフェンからなる炭素層１０７において、定常状態では光吸収され、電圧（電界）印加時では透明となる。なお、炭素層１０７に対する意図的な化学ドーピング、電界ドーピングなどにより動作点を調整することが可能である。
【００２７】
また、実施の形態１では、第１導波路１０３，第２導波路１０４に、スポットサイズ変換部１３３，１４３を設けるようにしたが、必要な構成ではない。
【００２８】
ところで、上述した上記光デバイスの作製においては、グラフェンからなる炭素層へダメージを与えないことが重要となる。例えば、グラフェンの上に酸化シリコン膜などを堆積する場合、グラフェンに対する膜応力や堆積時の活性化ガス、プラズマ雰囲気によってグラフェンにダメージを与えることが知られている。このようにダメージが与えられると、グラフェン材料本来の性能を発揮することができず、効率的な光入出力結合を得ることができなくなる。
【００２９】
これに対し、実施の形態１では、シリコンからなるコア１３１，１４１より構成された第１導波路１０３，第２導波路１０４を用いており、炭素層１０７が配置される絶縁層１０２の上に、上部クラッド１３２，下部クラッド１４２を形成する。従って、炭素層１０７へダメージを与えることなく、上部クラッド１３２，下部クラッド１４２を形成することが重要となる。
【００３０】
このためには、よく知られたリフトオフ法により、光制御部１０５をリフトオフマスクで覆った状態で、選択的に酸化シリコンを堆積することにより上部クラッド１３２，下部クラッド１４２を形成する。このようにすることで、上部クラッド１３２，下部クラッド１４２の形成において、光制御部１０５（炭素層１０７）がリフトオフマスクで保護されるようになり、ダメージが加わることがなくなる。
【００３１】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における光デバイスの構成を示す斜視図である。この光デバイスは、基板１０１の上に絶縁層１０２を介して配置された第１導波路３０３および第２導波路３０４と、第１導波路３０３と第２導波路３０４との間の配置された光制御部１０５とを備える。
【００３２】
第１導波路３０３は、ＣｕやＡｌなどの金属からなる導波路パタン３３１を備え、導波路パタン３３１の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波する表面プラズモン導波路である。同様に、第２導波路３０４は、ＣｕやＡｌなどの金属からなる導波路パタン３４１を備え、導波路パタン３４１の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波する表面プラズモン導波路である。また、第１導波路３０３と第２導波路３０４とは、各々の入出射端３３２と入出射端３４２とが向かい合って配置されている。ここで、表面プラズモン導波路における光の伝送は、金属の表面において自由電子が集団的に振動して擬似的な粒子として振る舞うプラズモンを介した光伝搬モードによって行われる。
【００３３】
実施の形態２では、上述したように、表面プラズモン導波路を用いているところが特徴であり、光制御部１０５は、前述した実施の形態１と同様であり、詳細な説明は省略する。このように構成した光デバイスにおいても、前述した実施の形態１と同様に、第１電極層１０８と第２電極層１０９との間に電圧を印加して炭素層１０７に電界を印加することで、任意の時間に第１導波路３０３から第２導波路３０４への光の出力を切り替えることが可能となる。
【００３４】
なお、全ての光回路を表面プラズモン伝搬によって構成することも可能であるが、損失がシリコンコアによる光導波路と比較して圧倒的に大きく、かつ、外部との入出力部では光ファイバと結合することができない。従って、実施の形態１の光導波路構造において、外部との入出力部に、スポットサイズ変換構造を用いることが非常に有効である。
【００３５】
例えば、図４に示すように、光ファイバと接続する入出力端１３６，１４６の側に、スポットサイズ変換部１３５，１４５を設ければ良い。スポットサイズ変換部１３５は、入出力端１３６に向かって暫時細くなる部分を備え、スポットサイズ変換部１４５は、入出力端１４６に向かって暫時細くなる部分を備える。また、両者とも、入出力端１３６，入出力端１４６にかけて、同一の幅（太さ）としている領域を備えている。
【００３６】
このように、光ファイバと接続する入出力端１３６，１４６の側にスポットサイズ変換部１３５，１４５を設けることで、図５，図６に示すように、ＴＥ，ＴＭ両伝搬モードでそれぞれ，１．４，２．４ｄＢ／ｆａｃｅｔと両偏波共に３００ｎｍ以上（３ｄＢカットオフ）に渡る結合効率が得られるようになる。上部クラッド１３２，上部クラッド１４２の厚さを１．２μｍとしている。また、入出力端１３６，入出力端１４６にかけて、同一の幅としている領域の長さを５００μｍとし、幅が徐々に変化する領域の長さを５００μｍとしている。また、図５，図６において、（ａ）は、入出力端１３６，１４６のコア幅が１５０ｎｍ、（ｂ）は、入出力端１３６，１４６のコア幅が２００ｎｍ、（ｃ）は、入出力端１３６，１４６のコア幅が２５０ｎｍの場合を示している。
【００３７】
ところで、クラッドとコアとの間の屈折率とした第２コアを設けることで、モードミスマッチ損失と断熱的伝搬損失を更に抑えることも可能である。しかしながらこの場合、クラッドをより厚くすることになり、グラフェンからなる炭素層へのダメージを考慮した場合、可能な限り避けた方が望ましい。
【００３８】
以上に説明したように、本発明では、光制御部を構成するグラフェンからなる炭素層における金属的な振る舞いをする状態の表面プラズモン伝搬モードにより、第１導波路から第２導波路へ光を伝搬するようにしたので、グラフェンを用いた光デバイスにおいて、効率よくグラフェンと伝搬光とを相互作用させることができる。
【００３９】
表面プラズモン伝搬モードは、炭素層中の自由電子における疎密波によって発生し、炭素層の表面近傍に局在する。従って、第１導波路から結合した後の光は、炭素層表面の非常に小さい領域に閉じ込められる。この領域の断面の厚さは、波長に対して〜１／１０程度である。このように、非常に小さい領域の閉じ込められるため、炭素層の厚さが０．３４ｎｍ程度であっても、炭素層（グラフェン）との間で、シリコン導波路の場合（非特許文献２参照）より効率よく相互作用が発生することになる。
【００４０】
また、本発明によれば、光制御部の伝搬方向の長さを３０μｍ程度と格段に小さくすることが得きるため、ＣＲ時定数による帯域制限を受けないという利点がある。グラフェンは非常に大きな移動度を有することから、数１００ＧＨｚオーダの光スイッチング（光変調）が可能となる。
【００４１】
本発明では、シリコンをはじめとする誘電体導波路における伝搬モードや表面プラズモン導波路の伝搬モードに、グラフェンの表面プラズモン伝搬モードを組み合わせたことにより、従来の課題であったアクティブ領域における光電界とグラフェンの相互作用増大を達成できた。
【００４２】
グラフェンを用いた光集積素子では、相互作用を高めるためにサンドイッチ構造、積層構造などが想定されるが、これらの素子作製ではグラフェンを配置してから再度、材料の成長を必要とするため、グラフェンに欠陥を及ぼす可能性があり、また、結晶再成長層の膜質は相対的に悪い。これに対し、発明では、再成長を用いず、かつ、一般的に用いられるフォトリソグラフィー技術によって光デバイスが作製可能であるため、様々なグラフェンが集積された構造が想定される。
【００４３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００４４】
１０１…基板、１０２…絶縁層、１０３…第１導波路、１０４…第２導波路、１０５…光制御部、１０６…誘電体層、１０７…炭素層、１０８…第１電極層、１０９…第２電極層、１３１…コア、１３２…上部クラッド、１３３…スポットサイズ変換部、１３４…入出射端、１４１…コア、１４２…上部クラッド、１４３…スポットサイズ変換部、１４４…入出射端。
【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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