(57)【要約】  変調ビームが実質的にゼロの残留振幅変調（ＲＡＭ）を示すように放射ビームを変調するためのシステムおよび方法が、示されている。導波路（３０６）、当該導波路と連結されている第１領域、および当該導波路と連結されている第２領域を備えている電気光学変調装置（３００）が、示されている。上記導波路は、放射ビームを誘導するために設計されている。上記第１領域に印加される第１電位（３１４ａ、３１４ｂ）は、上記放射ビームに第１変調を生じさせ、上記第２領域に印加される第２電位（３１６ａ、３１６ｂ）は、放射ビームに第２変調を生じさせる。上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調は、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射ビームを誘導するように構成されている導波路；当該導波路と繋げられている第１領域；および当該導波路と繋げられている第２領域を備えており、
上記第１領域に印加される第１電位は、上記放射ビームに対する第１変調を生じさせ、上記第２領域に印加される第２電位は、上記放射ビームに対する第２変調を生じさせ、
上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調は、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらす、電気光学変調装置。
【請求項２】
シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）技術によって実現されている、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項３】
上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調が、上記放射ビームの位相変化を生じさせる、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項４】
上記位相変化が、上記放射ビームの周波数変化を伴っている、請求項３に記載の電気光学変調装置。
【請求項５】
上記導波路が半導体材料を含んでいる、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項６】
上記第１電位および第２電位の少なくとも１つが、時間によって変化する上記半導体材料における鋸歯状キャリア密度プロファイルを生成する、請求項５に記載の電気光学変調装置。
【請求項７】
上記第１領域が、第１ｎドープ領域および第１ｐドープ領域を含んでおり、上記第１電位が上記第１ｎドープ領域および上記第１ｐドープ領域の間に印加される、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項８】
上記第２領域が、第２ｎドープ領域および第２ｐドープ領域を含んでおり、上記第２電位が、上記第２ｎドープ領域および上記第２ｐドープ領域の間に印加される、請求項７に記載の電気光学変調装置。
【請求項９】
上記第１ｎドープ領域および上記第２ｎドープ領域が同じドーパント濃度を有しており、上記第１ｐドープ領域および上記第２ｐドープ領域が同じドーパント濃度を有している、請求項８に記載の電気光学変調装置。
【請求項１０】
上記導波路が、実質的にドープされていないシリコンを含んでおり、上記第１ｎドープ領域および第１ｐドープ領域の間に挟まれている、請求項７に記載の電気光学変調装置。
【請求項１１】
上記導波路がリブ導波路である、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項１２】
上記第２領域が上記第１領域と直列にされている、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項１３】
放射ビームを誘導するように構成されている導波路；および当該導波路と繋げられている複数の領域を備えており、上記複数の領域のうちの各領域に対して個々の電位が印加され、それぞれ印加された電位は、それぞれの変調が放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらすように、放射ビームにそれぞれの変調を生じさせる、電気光学変調装置。
【請求項１４】
放射ビームを供給するために構成されている光源；
少なくとも、第１導波路および第２導波路の間における、上記放射ビームを分割するために構成されている光学素子：
上記第１導波路と繋がれている電気光学変調装置を備えており、
上記放射ビームの第１部分は、上記第１導波路を通って伝搬し、上記放射ビームの第２部分は、上記第２導波路を通って伝搬し、
上記電気光学変調装置は、第１領域、第２領域を備えており、
上記第１領域に印加される第１電位が、上記放射ビームの上記第１部分に対する第１変調を生じさせ、上記第２領域に印加される第２電位が、上記放射ビームの上記第１部分に対する第２変調を生じさせ、
上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調は、上記放射ビームの上記第１部分の、実質的にゼロの残留振幅変調をもたらす、光干渉断層システム。
【請求項１５】
放射ビームを変調させる方法であって、
導波路を通して上記放射ビームを導くこと；
上記導波路と繋がれている第１領域に、第１電位を印加すること；および
上記導波路と繋がれており、かつ上記第１領域と直列にされている第２領域に、第２電位を印加することを包含しており、
上記第１電位を印加することおよび上記第２電位を印加することは、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調を生じさせる、方法。
【請求項１６】
振幅および周波数を有している放射ビームを導くために構成されている導波路；
上記導波路と繋がれている第１領域；および
上記導波路と繋がれている第２領域を備えており、
上記第１領域に印加される第１電位は、上記放射ビームの残留振幅変調を生じさせ、
上記第２領域に印加される第２電位は、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調を実現させ、上記第１電位および上記第２電位の少なくとも１つは上記放射ビームの周波数における変調を生じさせる、電気光学変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光干渉断層システムにおける使用のための、電気光学位相変調装置の設計および使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光干渉断層法（ＯＣＴ）は、広帯域光源および干渉検出システムによって高い軸方向分解能を有している深さ分析情報をもたらす医療用画像化技術である。光干渉断層法は、眼科および循環器科から産婦人科および生物学的組織の高解像度なインビトロ研究までの範囲に及ぶ多くの用途を有している。
【０００３】
ＯＣＴシステムおよび光通信ネットワークの両方に見られる共通の要素は、光線の位相および／または位相をシフトさせるために設計されている位相変調装置である。基本的な位相変調（ＰＭ）の仕組みにおいて、変調信号の情報は、瞬時の位相変化の形態における光信号（瞬時の周波数変調に転換する）に変換される。ＰＭは、種々の他の分野における用途（信号処理、センシングおよびバイオフォトニクスが挙げられる）を有しているすべての光回路において利用されている。
【０００４】
種々の技術が、光のＰＭの実行に適していると立証されている。これらのなかでも、フォトニック集積回路（ＰＩＣｓ）によって行われる技術は、マイクロエレクトロニクスに見られる技術と同様の技術を用いた単一基板上への完全な製造が可能であるため、有用である。結果として、小さな配置面積、高い安定性、高い信頼性および削減された製造コストを特色とする装置が、実現され得る。ＰＩＣｓにおけるＰＭは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のポケルス効果を利用することによって、これまで行われている。しかし、シリコンまたはシリコン重合体混合物の上にあるリン化インジウム（ＩｎＰ）、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）、液晶（ＬＣ）、重合体および材料（例えばＩＩＩ〜Ｖ族の材料）の混成物におけるキャリア再結合に基づく他の技術が、過去の数年に現れている。
【０００５】
ＳＯＩ構造には、屈折率変調を制御する２つの異なる物理的な機序が存在している。第
１の機序は、熱光学（ＴＯ）効果である。シリコンにおける屈折率は、格子定数の温度に対する依存に起因る、温度に対する依存を有している。この効果は、材料の光学特性の変化に置き換わり、このようにしてその屈折率を変更させる。特に、ＳＯＩにおけるＴＯ係数は、
【０００６】
【数１】
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【０００７】
と規定され、ｎは屈折率であり、Ｔは温度である。ＳＯＩ構造を伝わる光信号の振幅変動は、屈折率の虚数部分に対する低い影響を有しているので、温度を変更するときに、無視され得る。これは、余分な吸収が変調の過程から生じないことを意味する。しかし、ＴＯの動態は、数十から数百マイクロ秒の規模に典型的に限定され、数十から数百キロヘルツのオーダーにおける最大の動作速度を生じる。そのような動作速度は、ＯＣＴに基づく一部の画像化技術にとって十分に速いとは言えない。
【０００８】
ＳＯＩ構造における屈折率変調を制御する第２機序は、プラズマ分散（ＰＤ）効果として知られている。ＰＤ効果は、ＳＯＩ導波路構造を構成する真性シリコンへの自由キャリアの注入または欠乏に基づく。自由キャリア濃度は、物質の屈折率の虚数部および実数部の両方に強い影響を有している。屈折率の実数部においてより大きな変化がｓ及ぼされ得るため、ＰＤ効果に対する屈折率変化の効率は、ＴＯ効果と比べて高い。しかし、実数部における前述の変動は、同様に虚数部の変化を伴い、キャリア濃度変調による余分な光吸収を生じさせる。従って、余分な光吸収に起因して、シリコンにおけるＰＤ効果が、変更された信号に対する残留振幅変調（ＲＡＭ）を生じさせる。変調された出力信号のフィルタリングからなる解決法が、ＰＤに基づくＳＯＩの光変調装置におけるＲＡＭを低減させることを目的として、米国特許第７，１６７，２９３号に提案されている。しかし、ＲＡＭを完全に緩和するためには、フィルタの完全な位相幾何学対称および微調整が求められる。結果として、ＲＡＭの完全な緩和は困難になり、その影響は、一部の用途のための重要な情報を運ぶ小さな信号変動をかき消すには依然として十分に高い。
【発明の概要】
【０００９】
光信号のＲＡＭを抑制しつつ、光信号の位相を変調するためにＰＤ効果を用いるシステムが、示されている。光干渉断層法の範囲内にあるシステムの使用およびそのようなシステムを用いることによって得られる利点がまた、述べられている。
【００１０】
一実施形態において、導波路、当該導波路と連結されている第１領域および当該導波路と連結されている第２領域を備えている電気光学変調装置が、示されている。上記導波路は、放射ビームを導くために設計されている。第１領域に印加される第１電位は、放射ビームに第２変調を生じさせる一方で、第２領域に印加される第２電位が放射ビームに第２変調を生じさせる。第２変調と重ね合わせられた第１変調は、放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらす。
【００１１】
別の実施形態において、導波路および当該導波路と連結されている複数の領域を備えている電気光学変調装置が、示されている。上記導波路は、放射ビームを導くために設計されている。電位は複数の領域のそれぞれの領域に印加され、印加された電位のそれぞれは、放射ビームに対する変調をそれぞれ生じさせる。それぞれの変調の重ね合わせは、放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらす。
【００１２】
別の実施形態において、光干渉断層システムが示されている。当該システムは、光源、光学素子および電気光学変調装置を備えている。上記光源は、放射ビームを供給する。上記光学素子は、少なくとも第１導波路および第２導波路の間において上記放射ビームを分割するために設計されている。放射ビームの第１部分は、第１導波路を伝搬し、放射ビームの第２部分は、第２導波路を伝搬する。上記電気光学変調装置は、第１導波路と連結されており、第１領域および第２領域を備えている。第１領域に印加される第１電位は、放射ビームの第１部分に第１変調を生じさせ、第２領域に印加される第２電位は、放射ビームの第２部分に第２変調を生じさせる。第２変調と重ね合わせられた第１変調は、放射ビームの第１部分の実質的にゼロの残留振幅変調をもたらす。
【００１３】
例示的な方法が説明される。一実施形態において、当該方法は、導波路を通る放射ビームを導くことを包含している。当該方法は、上記導波路と連結されている第１領域に第１電位を印加すること、および上記導波路に連結されており、第１領域と直列にされた第２領域に第２電位を印加することを包含している。第１電位および第２電位を印加することは、放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調を生じる。
【００１４】
一実施形態において、導波路、第１領域および第２領域を備えている電気光学変調装置が、示されている。上記導波路は、ある振幅および周波数を有している放射ビームを導くために設計されている。上記第１領域および第２領域の両方は、上記導波路と連結されている。第１領域に印加される第１電位は、放射ビームの残留振幅変調を生じさせる。第２領域に印加される第２電位は、放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調を達成する。第１電位および第２電位の少なくとも１つは、放射ビームの周波数における変調を生じさせる。
【００１５】
本明細書に加えられており、明細書の一部を形成している添付の図面は、本発明の複数の実施形態を例示しており、その記述とともに、本発明の本質を説明し、かつ当業者に本発明を作製可能および利用可能にするためにさらに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態にかかる電気光学変調装置を示す。
【図２】Ａ〜Ｂは、電気光学変調装置の理想および実施際の作用を示す。
【図３】一実施形態にかかる電気光学変調装置の設計を示す。
【図４】Ａ〜Ｂは、いくつかの実施形態にかかる距離に対する位相および吸収についてのシミュレーション結果を示す。
【図５】一実施形態にかかる例示的な変調信号についての位相および吸収の結果を示す。
【図６】Ａ〜Ｃは、いくつかの実施形態にかかる、変化するドーパント濃度に基づくシミュレーション結果を示す。
【図７】Ａ〜Ｂは、いくつかの実施形態にかかる、ドーパント濃度に対する位相および吸収についてのシミュレーション結果を示す。
【図８】Ａ〜Ｂは、さらなる実施形態にかかる、ドーパント濃度に対する位相および吸収についてのシミュレーション結果を示す。
【図９】Ａ−９Ｃは、いくつかの実施形態にかかる時間経過と電気光学変調装置のシミュレーション結果を示す。
【図１０】一実施形態にかかる、ＯＣＴシステムのブロック図を示す。
【図１１】一実施形態にかかる方法を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の複数の実施形態は、添付の図面を参照して説明される。
【００１８】
特定の構成及び配置を説明するが、これは例示を目的とするのみのものである。当業者は、他の構成及び配置が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用できることを認識する。また、本発明が様々な他の用途でも使用できることは、当業者にとって明らかである。
【００１９】
ここで、明細書において言及する「一実施形態」、「実施形態」、「例示的な実施形態」等は、記載された実施形態が特定の特徴、構造、または特性を備え得ることを示唆するが、全ての実施形態が特定の特徴、構造、または特性を備える必要はないことに留意されたい。また、そのような語句は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性がある実施形態に関連して説明されている場合、明示的に記載されているか否かによらず、他の実施形態に関連して、そのような特徴、構造、または特性を達成することは、当業者の知識の範囲内である。
【００２０】
従来の位相および周波数変調を行う装置は、幅広い用途にわたる多数の光学システムによく見られる。本明細書に記載される実施形態により、放射ビームの位相および／または周波数を変調するシステムおよび方法であって、いかなる残留振幅変調（ＲＡＭ）もゼロに近づける、システムおよび方法を提供する。光の特性を変調する能力は、光の長距離伝搬および高性能のイメージング技術を可能にするが、いくつかの例示的用途を挙げるのみにする。
【００２１】
１つのイメージング技術は、サンプルにおける異なる深度のイメージを形成するために様々な方法で光を統合する、干渉分光法、位相後退、および光学変調を利用した光コヒーレンス・トモグラフィーである。
【００２２】
以下、「電磁放射」、「光」、「放射ビーム」という用語はすべて、様々に説明する要素およびシステムを通って伝搬する同様の電磁信号を記述するために使用される。
【００２３】
図１は、実施形態にかかる電気光学変調装置１０２の一例を示す。電気光学変調装置１０２は、入力信号１０４、例えば、電磁放射ビームを受ける。電磁放射ビームは、電気光学変調装置１０２を通って伝搬するために、導波路構造内に収められていてもよい。電気光学変調装置１０２は、変調信号１０６も受ける。変調信号１０６は、電気的信号であり、入力信号１０４の変調を制御するために使用される。他の型の変調装置は、他の型の変調信号を使用してもよく、例えば、熱光学変調装置は、変調信号１０６として熱を使用するが、音響工学変調装置は、変調信号１０６として音響信号または圧電信号を使用する。変調された放射ビームは、出力信号１０８として、電気光学変調装置１０２から出力される。変調信号１０６で伝達される情報は、入力信号１０４の位相に移転される。従って、電気光学変調装置１０２の出力において、入力信号１０４の位相は、変調信号１０６に基づいて変調される。
【００２４】
ＰＤ効果を使用し、かつＳＯＩ基板に実装されている典型的な電気光学変調装置では、キャリア注入を介して入力信号の位相を変調することはまた、入力信号の振幅変調（ＲＡＭ）も生じさせる。図２Ａおよび２Ｂは、ＲＡＭの効果を示す。
【００２５】
図２Ａは、経時的に正弦波キャリア密度プロファイルを作成するための、電気光学位相変調装置（ＥＯＰＭ）に対する変調信号２０２を用いて示す。「理想的な」筋書きでは、そのような変調信号は、ωｃ、ωｃ＋ωｍおよびωｃ−ωｍ（ここでωｃはキャリア信号の周波数、ωｍは変調信号の周波数）の角周波数における３つの光波を伴う両側波帯信号を生じさせる。時間領域において、振幅が平坦である間、信号の位相は、変調正弦波の波形に従う。しかし、実際は、ＥＯＰＭでのキャリア濃度の変化は、ＲＡＭを出力信号で生じさせる。ＲＡＭは、シリコンの吸収係数のキャリア濃度への依存が原因で生じる。「実際の」筋書きは、出力信号の周波数および時間領域の両方において、ＲＡＭに起因する不要な反応を示す。変調２０４は、ＲＡＭによって、時間が経つと信号の振幅に生じる。信号の振幅へのそのような変調は、特定の用途、例えばＯＣＴを行う時に、信号エラーを生じさせる可能性がある。
【００２６】
図２Ｂは、経時的に鋸歯状キャリア密度プロファイルを作成するための、ＥＯＰＭに対する異なる変調信号２０６の使用を示す。「理想的な」筋書きでは、そのような変調信号は、ωｃ＋ωｍにシフトした単一の周波数を持つ出力信号を生み出す。時間領域において、この信号の位相は、当該信号の振幅が平坦のままであると同時に、２πの倍数である位相振幅を有する変調鋸歯状に従う。図２Ａと同様に、「実際の」筋書きは、ＲＡＭがどのように出力信号に作用するかを示す。調波周波数は、変調２０８が時間領域における信号の振幅で生じると同時に、周波数領域で生み出される。
【００２７】
実施形態では、電気光学位相変調装置の設計は、出力光信号に典型的に生じるＲＡＭをゼロに近くすると示されている。図３は、実施形態にかかる、ＳＯＩウエハー上の電気光学位相変調装置３００の構造を示す。電気光学位相変調装置がＳＯＩ層構造に作り付けられることは必要とされていないが、ここでは、実施形態は、一例としてＳＯＩ構造を使用することが示される。
【００２８】
電気光学変調装置３００は、バルク半導体層３０２、埋め込み絶縁層３０４、ならびにドープ部３０８、ドープ部３１０および導波部３０６に分けられる上部半導体層を備える。層構造は、一例では、典型的なＳＯＩ構造を提供する。上部半導体層は、導波部３０６内でＩＲ光をガイドする場合は、一般的にはシリコンである。しかし、材料のいかなる三元および四元バリアントも含む、例えばIII−V材料およびII−VI材料の、どのような組み合わせの他の半導体材料も、同様に使用してもよい。
【００２９】
光は、実施形態にかかる導波部３０６を通してガイドされる。一例では、導波部３０６は、導波路内におけるモードのより良い閉じ込めを提供するために、隆起３１２を備える。他の導波設計も同様に可能であり、本発明は、示されているようなリブ状の導波路に限定されない。例えば、光は、半導体基板上にパターン化された、いくつかまたはすべての面にクラッド材を備えているストライプ状の導波路内に閉じ込められてもよい。
【００３０】
実施形態では、ドープ部３０８、ドープ部３１０および導波領域３０６は、ｐ−ｉ−ｎダイオードを形成する。ドープ部３１０がｎ＋ドーパント濃度を含んでもよい場合に、ドープ部３０８はｐ＋ドーパント濃度を含んでもよい。一例では、各ドープ部は、電子または正孔どちらか一方の約１×１０１７のドーピング濃度を含んでもよい。導波部３０６は、実質的に非ドープのまたは真性のままである。別の例では、導波部３０６は、例えばドープ部３０８またはドープ部３１０のどちらか一方よりも、少なくとも１００倍軽くドープされる。各ドープ部は、上部半導体層にｐ−ｉ−ｎ構造を形成するために、導波部３０６のいずれか一方の側面に配置される。ここで、ドープ部３０８および導波部３０６の間に示される境界、ならびにドープ部３１０および導波部３０６の間に示される境界は、制限を意味するわけではない。例えば、導波部３０６の真性領域は、隆起３１２の幅と同様の幅であってもよい。さらに別の例では、境界は、示されるよりもさらに伸びており、より幅広の導波部３０６を作り出している。ドープ領域３０８およびドープ領域３１０は、ここに説明されているように、当業者によって理解されているように、様々なマスキングおよびイオン・インプランテーションによって生み出されてもよい。
【００３１】
実施形態において、電気光学位相変調装置３００は、導波部３０６を通して伝搬する光の特性に作用するための、少なくとも２つの変調領域を備える。電極３１４ａおよび３１４ｂは、第１変調領域に配置され、電極３１６ａおよび３１６ｂは、第２変調領域に配置される。図３に示すように、第１および第２変調領域は、境界３１８によって分けられている。第１変調領域の一対の電極３１４ａおよび３１４ｂの間に電位を印加すると、導波領域３０６へのキャリア注入により、導波領域３０６内の光に第１変調を生じさせる。同様に、第２変調領域の一対の電極３１６ａおよび３１６ｂの間に電位を印加すると、導波領域３０６へのキャリア注入により、導波領域３０６内の光に第２変調を生じさせる。図３の省略符号は、他の変調領域も一緒にカスケードされていてもよく、本発明は２つのカスケードされている変調領域を備えることのみに限定されないことを示すことを、目的とする。電極は、例えば、金、銅、プラチナ、アルミニウム、またはそれらの合金等、適した高い伝導性のあるどのような材料であってもよい。さらに、そのような電極は、より良い接着および低い抵抗率を促すために、様々な導体材料および合金の層構造を含んでもよいと理解されるべきである。
【００３２】
２つの変調領域の間の境界３１８は、単に想像上の境界であってもよい。例えば、同じドープ部３１０およびドープ部３０８が両方の変調領域の間に伸びて、２つの変調領域の間に明確な区別を与えなくてもよい。この場合、変調領域は、一対の電極３１４ａおよび３１４ｂの間に存在するＥ領域プロファイルならびに一対の電極３１６ａおよび３１６ｂの間に存在するＥ領域プロファイルに基づいて規定されてもよい。別の実施例では、ドープ部３１０内のドーピング濃度は、境界３１８によって区別される第１および第２領域の間で変化する。同様に、ドープ部３０８内のドーピング濃度は、境界３１８によって区別される第１および第２領域の間で変化してもよい。
【００３３】
別の実施形態において、境界３１８は、２つの変調領域を電気的に分離するために、シリコントレンチ分離部（ＳＴＩ）を備える。ＳＴＩは、上部半導体層を通してエッチングすること、および、エッチングされた領域を例えば二酸化ケイ素のような絶縁体で埋めることを含んでもよい。境界３１８はまた、２つの変調領域を分離するために、少なくとも埋め込み絶縁層３０４に至るまでの、エッチングされたトレンチを備えてもよい。境界３１８の他の例では、周囲のドープ部３０８または３１０とは反対のキャリアの濃度を持つドープ領域を含んでいる。例えば、ドープ部３０８がｐ＋ドープされ、ドープ部３１０がｎ＋ドープされた場合、境界３１８は、ドープ部３０８側のｎ＋ドープされた領域およびドープ部３１０側のｐ＋ドープされた領域を含む。反対側にドーピングされた境界３１８によって生み出されるそのような電位壁は、変調領域同士を互いに分離可能とする。
【００３４】
電気光学位相変調装置３００の例示的な動作は、出力時に平坦に近い振幅応答が達成される（例えば、ＲＡＭを緩和する）ように導光の位相および／または周波数を変化させるために、各変調領域を通しての、導波部３０６におけるキャリア濃度を正確に調整することを含んでいる。キャリア濃度は、各領域に印加される電位を変化させることによって各変調領域において調整され得る。すなわち、一実施形態では、印加された電位は、個別に印加される電位によって引き起こされる任意の振幅の変化をゼロにために作用するように、調整される。導波部３０６への電子または正孔の注入は、材料の屈折率における変化を生じさせる。シリコンにおけるキャリアの注入または欠乏に起因する屈折率（Δｎ）および吸収（Δα）変化のための式は、SorefおよびBennetによって提示されており、その開示が本明細書に組み込まれるかれらの論文“Electrooptical effects in silicon”, Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, 1987に説明されている。例えば、１．３μｍの波長における屈折率の実数部は、以下の方程式１に従って変化する。
【００３５】
【数２】
2016522450.tif 000004
【００３６】
屈折率の虚数部の変化は、吸収損失を生じ、以下の方程式２にしたがって表される。
【００３７】
【数３】
2016522450.tif 000005
【００３８】
ｄＢに変換されるΔαは、Δα＝１０ｌｏｇ（ｅｘｐ（−ΔαＬ））であり、ここで、Ｌは変調領域の長さである。計算のシミュレートされた結果は、図４ＡおよびＢに示されている。図４Ａは、注入された種々のキャリア濃度についての、変化する変調装置長に対する位相シフトを示しており、図４Ｂは、注入された種々のキャリア濃度についての、変化する変調装置長に対する吸収を示している。
【００３９】
一実施形態において、種々の変調領域の出力における全位相シフトの式が、以下の方程式３によって示されており、Ｍは直列にされている変調領域の数である。
【００４０】
【数４】
2016522450.tif 000006
【００４１】
方程式３において、λは、中心の発光波長であり、Δｎｉ、ＬｉおよびＮｉ（ｔ）は、
ｉ番目の時間水準をともなっている、屈折率変化、長さおよびキャリア注入レベルである。対数単位における屈折率の変調に起因する全損失（ΔαｄＢ）は、以下の方程式４に示されている通りである。
【００４２】
【数５】
2016522450.tif 000007
【００４３】
方程式４においては、Δαｉは、１センチメートル当たりの損失係数である。一実施形態によれば、波長λが固定されたときに、それぞれの部分におけるキャリア濃度Ｎｉ（ｔ）をもたらす長さＬおよび変調信号は、位相シフトおよび損失の両方についての設計要求を満たすために正確に設計されなければならない。
【００４４】
一実施形態において、少なくとも２つの連続する変調領域は、  ラジアンの位相差を有していることを除いて、同じ三角波によって操作される。結果として、出力は、
図５に示されるように、一定の振幅の減衰および０〜  ラジアンの光の全体的な位相シフトを生じる。図５において、領域１は、第１変調領域に生じている変調を表し、領域２は、第２変調領域に生じている変調を表す。影響を受けた光は、各変調領域を伝搬した後に、時間０〜Ｔの期間にわたって、以下の方程式５および６によって示される位相シフトおよび減衰を受ける。
【００４５】
【数６】
2016522450.tif 000008
【００４６】
上述方程式において、Ｎｍａｘ１は、第１変調装置に注入されるキャリアの最大数であり、Ｎｍａｘ２は、第２変調装置に注入されるキャリアの最大量である。変数
【００４７】
【数７】
2016522450.tif 000009
【００４８】
を導出することによって、位相シフトは、以下の方程式７に表される通りに与えられる。
【００４９】
【数８】
2016522450.tif 000010
【００５０】
これらの式から、第１変調領域の長さは、ｋに相当する、複数の長さの比率を取得することによって算出され得る。これらのモデルは、注入電流の非存在（導波領域におけるキャリア量をゼロに等しくする）を前提としている。
【００５１】
方程式５〜７において上述されているモデルは、各変調領域にとっての長さを決定するために、注入されたドーピング濃度の範囲およびｋの値をシミュレートされ得る。図６Ａ〜６Ｃは、第１変調領域における注入されるキャリア濃度（１０１６から１０１８の範囲）について、ｋについて０．０１の値を用いたシミュレーションを表している。２つの変調領域のそれぞれとっての異なる長さ、および変化するキャリア注入濃度についての、それらの対応する位相シフトが、図６Ａおよび６Ｂに示される。図６Ｃは、第１変調領域における変化する注入キャリア濃度に対する、吸収についてのシミュレーション結果を示す。
【００５２】
さらなるシミュレーション結果は、２つの変調領域のれぞれにおける位相シフトおよび吸収損失、ならびに全体的な位相シフトおよび吸収損失を表している、図７Ａおよび７Ｂにそれぞれ与えられている。シミュレーション結果は、１０１４から１０１７に及ぶキャリア濃度に対して表されている。図７Ａおよび７Ｂに示されるシミュレーションに関して、ｋ＝０．０１であり、２つの変調領域の長さは４．５５ｍｍおよび４５μｍである（ｋ＝０．０１のため、１００×の隔たり）。変調深さは、キャリアの濃度の下限値が０であった場合に単一である０．９９６Πラジアンである。吸収は、両方の変調領域に基づいて加算された効果によって、注入キャリア濃度の変化に対してさえ一定を実質的に維持しており、注入されたキャリア濃度の変化に対する位相シフトの変化を可能にする。
【００５３】
図８Ａおよび８Ｂは、２つの変調領域の長さが２８．７４ｍｍおよび２８７μｍ（ｋ＝０．０１のため、１００×の隔たり）であるときの、さらなるシミュレーション結果を示す。変調深さは、０．９７５Πラジアンおよびｋ＝０．０１である。この場合も、吸収は一定を実質的に維持しており、位相は注入されたキャリア濃度の変化においてシフトする。
【００５４】
電気光学位相変調装置３００の詳述されている実施形態の時変シミュレーションは、図９Ａ〜９Ｃに示される。キャリア濃度は、下記の式８および図９Ａに示されるように、周期ａ、および０からＮｍａｘｉに及ぶ振幅を有している鋸歯状の波形において、時間の経過にともなって変化する。ここで、鋸歯状波形は、両方の変調領域でシミュレーションされており、それぞれ同じ周期ａを有しているが、第１変調領域は、第２変調領域より実質的に低い注入されたキャリア濃度を有する。
【００５５】
【数９】
2016522450.tif 000011
【００５６】
以下の方程式９および１０を用いると、各変調部について取り得る一連の長さ、およびそれらの関連する最大のキャリア濃度（２つの変調領域がある場合のＮｍａｘ１およびＮｍａｘ２）が決定され得る。
【００５７】
【数１０】
2016522450.tif 000012
【００５８】
図９Ａ〜９Ｃに示されるシミュレートされた例において、上記長さは、それぞれＮｍａｘ１＝６．７４２９・１０１７ｃｍ−３およびＮｍａｘ２＝６．７４２９・１０１９ｃｍ−３を有している第１領域および第２領域について、１ｍｍおよび１０μｍである。また、他の長さおよびキャリア濃度は、方程式９および１０の条件が満たされている限りにおける鋸歯プロファイルを生成するとき、可能である。さらに、任意の数の変調領域（Ｍ）は、関係
【００５９】
【数１１】
2016522450.tif 000013
【００６０】
を用いて直列にされ得る。
【００６１】
図９Ｂおよび９Ｃは、時間の経過にともなう各変調領域における変化するキャリア濃度が、時間の経過にともなって実質的に平坦な損失特性（例えば、ゼロのＲＡＭ）、およびおよび時間の経過にともなうよる位相変化についてのほぼ鋸歯状の波形をどのように生じるのかを示している。特に、屈折率変調によって引き起こされる全損失は、この例において２．９２ｄＢに達する。全位相シフトにおける鋸歯状の波形は、時間経過にともなう、生成されたキャリア濃度における鋸歯状波形に実質的に従う。位相シフトにおいて観察された鋸歯状波形は、キャリア濃度レベルに対するΔαの非線形依存によって、非線形である。任意の不定な波形は、関係
【００６２】
【数１２】
2016522450.tif 000014
【００６３】
が満たされる限り、実質的にゼロのＲＡＭを実現するための変調信号としての機能を果たすために選択され得る。
【００６４】
電気光学変調装置３００の種々の実施形態は、光学システム（例えばＯＣＴシステム）内に使用され得る。一実施形態によれば、図１０は、遅延ユニット装置１０１２を利用しており、かつサンプル１０１０を画像化するために使用される、例示的なＯＣＴシステム１００１の実施例を示している。遅延ユニット１０１２は、種々の光変調素子（例えば、電気光学位相変調装置３００）を備え得る。これらの変調素子は、所望されない光の光学的効果（例えば複屈折）を相殺するために、位相変調および／または周波数変調を実施し得る。「光」という用語の使用は、電磁スペクトルの任意の範囲を指す。一実施形態において、「光」という用語は、約１．３μｍの波長における赤外線を指す。
【００６５】
ＯＣＴシステム１００１は、光源１００２、分割素子１００４、サンプルアーム１００６、基準アーム１００８、検出器１０１４をさらに備えている。示されてい実施形態において、遅延ユニット１０１２は、基準アーム１００８内に配置されている。しかし、遅延ユニット１０１２は、そうではなくサンプルアーム１００６に配置され得ることが理解される。代替的に、遅延ユニット１０１２の種々の要素は、サンプルアーム１００６および基準アーム１００８の両方に存在し得る。例えば、可変の遅延を光に導入する遅延ユニット１０１２の種々の要素は、サンプルアーム１００６に配置され得、ここに説明されている電気光学位相変調装置３００の実施形態を用いて光の異なる偏光形態を変調する要素は、基準アーム１００８に配置され得る。一例において、サンプルアーム１００６および基準アーム１００８は、光学的な導波路（例えば、パターン形成された導波路または光ファイバ）である。一実施形態において、ＯＣＴシステム１００１のすべての構成要素は、平面光波回路（ＰＬＣ）に集積されている。別の実施形態において、遅延ユニット１０１２内にある少なくともすべての構成要素は、ＰＬＣの同じ基板上に集積されている。例えばファイバ光学系、自由空間光学系、フォトニック結晶系などのような他の実施が、同様に考慮され得る。
【００６６】
ＯＣＴシステム１００１は、平明さのために示されていない任意の数の他の光学素子を含み得ることが理解される。例えば、ＯＣＴシステム１００１は、ミラー、レンズ、回折格子、光信号分配器、マイクロメカニカル素子などを、サンプルアーム１００６および基準アーム１００８の経路に沿って含み得る。
【００６７】
分割素子１００４は、サンプルアーム１００６および基準アーム１００８に、光源１００２から受けた光を導くために使用される。分割素子１００４は、例えば、双方向結合器、光学スプリッタ、または単一の光線を２以上の光線に変換する、任意の他の光学変調素子であり得る。
【００６８】
サンプルアーム１００６を進行する光は、最終的にサンプル１０１０に衝突する。サンプル１０１０は、画像化される任意の好適なサンプル（例えば組織）であり得る。ＯＣＴ手順の間に、光は、サンプル１０１０内のある深度において走査し、散乱線は、サンプルアーム１００６に戻されて回収される。別の実施形態において、散乱線は、伝送導波路と異なる導波路に戻されて回収される。走査深さは、遅延ユニット１０１２内の光与えられた遅延を介して選択され得る。
【００６９】
サンプルアーム１００６および基準アーム１００８内の光は、検出器１０１４に受けとられる前に再結合される。示されている実施形態において、光は、分割素子１００４によって再結合される。別の実施形態において、光は、分割素子１００４以外の光結合素子において再結合される。
【００７０】
一実施形態によれば、例示的な方法１１００は、放射ビームを変調することについて詳述されている。方法１１００の複数のステップは、電気光学位相変調装置の種々の要素（例えば、図３に示されている電気光学位相変調装置３００）によって実施される。方法１１００の順序は限定されることを意図されていないこと、および複数のステップは、実質的に同じ結果を生じるための順序において実施され得ることが理解される。
【００７１】
ブロック１１０２において、放射ビームは、導波路を通って導かれる。導波路は、図３に示されるようなリブ導波路または任意の他の種類の導波路であり得る。
【００７２】
ブロック１１０４において、第１電位は、導波路と連結されている第１領域に印加される。第１電位は、第１領域内にパターン形成されている第１の組の電極を通して印加される。第１電位は、放射ビームが十分に入っている導波路部へのキャリア注入によって、第１変調を放射ビームに生じさせる。一例において、第１電位が印加されて、第１領域内におけるキャリア密度の鋸歯状プロファイルを、時間の経過にともなって生成する。さらなるあらゆる変調を除いて、放射ビームは、第１領域を越えた後に、残留振幅変調（ＲＡＭ）を示し得る。
【００７３】
ブロック１１０６において、第２電位は、導波路と連結されており、第１領域と直列にされている第２領域に印加される。第２電位は、第２領域内にパターン形成されている第２の組の電極を通して印加される。第２電位は、放射ビームが十分に入っている導波路部へのキャリア注入によって、第２変調を放射ビームに生じさせる。一例において、第２電位は、第１領域に生成されるキャリア密度の鋸歯状プロファイルと、実質的に同じ周期を有しているが、異なる振幅を有しているキャリア密度の鋸歯状プロファイル生成する。一実施形態において、第１電位および第２電位の両方の印加は、放射ビームの、実質的にゼロの残留振幅変調を引き起こす。
【００７４】
発明の概要および要約書ではなく、発明を実施するための形態は、特許請求の範囲を解釈するために用いられるべきと意図されていることが、容易に理解される。発明の概要および要約書は、本発明者（ら）によって考慮されているような、すべてではない１つ以上の例示的な実施形態を説明し得、したがって本発明および添付の特許請求の範囲を何ら限定することを目的としていない。
【００７５】
本発明の複数の実施形態は、特定の機能およびそれらの関連の実現を示す機能構築ブロックの補助によって説明されている。これらの機能構築ブロックの境界線は、説明の便宜上、ここでは任意に決められている。代替的な境界線は、特定の機能およびそれらの関連が適切に実施され限りにおいて決められ得る。
【００７６】
特定の実施形態の上述した説明は、本発明の一般的な性質（他の点について、当業者の範囲内にある知識を適用することによって、種々の用途（例えば特定の実施形態）のために、本発明の一般的な概念から逸脱することなく過度の実験なしに変更および／または適応させ得る）を十分に明らかにしている。したがって、そのような適応および変更は、本明細書に提示される教示および指示に基づいて、開示されている実施形態の均等物の意味および範囲内にあると意図されている。本明細書における表現または用語は、本明細書の当該表現または用語が上記教示および指示を考慮した当業者によって解釈されるように、説明を目的としており、限定を目的としていないことが理解される。
【００７７】
本発明の広がりおよび範囲は、上述した実施形態のいずれによっても限定されず、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物にしたがって決定される。
【図１】
2016522450.tif 000015
【図２】
2016522450.tif 000016
【図３】
2016522450.tif 000017
【図４】
2016522450.tif 000018
【図５】
2016522450.tif 000019
【図６】
2016522450.tif 000020
【図７】
2016522450.tif 000021
【図８】
2016522450.tif 000022
【図９】
2016522450.tif 000023
【図１０】
2016522450.tif 000024
【図１１】
2016522450.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月10日(2015.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射ビームを誘導するように構成されている、基板上にある導波路であり、上記放射ビームが、上記導波路の長さに沿った第１方向に進行する、導波路；上記第１方向と平行な長さを有している、上記基板上にある第１領域；および上記第１方向と平行な長さを有している、上記基板上にある第２領域を備えており、
上記第１領域における電極の対に印加される第１電位は、上記放射ビームに対する第１変調を生じさせ、上記第２領域における電極の対に印加される第２電位は、上記放射ビームに対する第２変調を生じさせ、
上記第１電位、上記第１領域の上記長さ、上記第２電位、および上記第２領域の上記長さは、上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調が、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらすようになっている、電気光学変調装置。
【請求項２】
上記基板は、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）技術を利用している、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項３】
上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調が、上記放射ビームの位相変化を生じさせる、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項４】
上記位相変化が、上記放射ビームの周波数変化を伴っている、請求項３に記載の電気光学変調装置。
【請求項５】
上記導波路が半導体材料を含んでいる、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項６】
上記第１電位および第２電位の少なくとも１つが、時間によって変化する上記半導体材料における鋸歯状キャリア密度プロファイルを生成する、請求項５に記載の電気光学変調装置。
【請求項７】
上記第１領域が、第１ｎドープ領域および第１ｐドープ領域を含んでおり、上記第１電位が上記第１ｎドープ領域および上記第１ｐドープ領域の間に印加される、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項８】
上記第２領域が、第２ｎドープ領域および第２ｐドープ領域を含んでおり、上記第２電位が、上記第２ｎドープ領域および上記第２ｐドープ領域の間に印加される、請求項７に記載の電気光学変調装置。
【請求項９】
上記第１ｎドープ領域および上記第２ｎドープ領域が同じドーパント濃度を有しており、上記第１ｐドープ領域および上記第２ｐドープ領域が同じドーパント濃度を有している、請求項８に記載の電気光学変調装置。
【請求項１０】
上記導波路が、実質的にドープされていないシリコンを含んでおり、上記第１ｎドープ領域および第１ｐドープ領域の間に挟まれている、請求項７に記載の電気光学変調装置。
【請求項１１】
上記導波路がリブ導波路である、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項１２】
上記第２領域が上記第１領域と直列にされている、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項１３】
上記第１領域における電極の対に印加される上記第１電位は、上記放射ビームの上記残留振幅変調を生じさせる、請求項１に記載の電気光学変調装置。
【請求項１４】
放射ビームを供給するように構成されている光源；
少なくとも、第１導波路および第２導波路の間における、上記放射ビームを分割するために構成されている光学素子：
電気光学変調装置を備えており、
上記放射ビームの第１部分は、上記第１導波路を通って伝播し、上記放射ビームの第２部分は、上記第２導波路を通って伝播し、上記第１導波路は基板上にあり、上記放射ビームの上記第１部分は、上記第１導波路の長さに沿った第１方向に進行し、
上記電気光学変調装置は、上記第１方向と平行な長さを有している、上記基板上にある第１領域、上記第１方向と平行な長さを有している、上記基板上にある第２領域を備えており、
上記第１領域における電極の対に印加される第１電位が、上記放射ビームの上記第１部分に対する第１変調を生じさせ、上記第２領域における電極の対に印加される第２電位が、上記放射ビームの上記第１部分に対する第２変調を生じさせ、
上記第１電位、上記第１領域の上記長さ、上記第２電位、および上記第２領域の上記長さは、上記第２変調と重ね合わせられた上記第１変調が、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調をもたらすようになっている、光干渉断層システム。
【請求項１５】
放射ビームを変調させる方法であって、
導波路、第１領域および第２領域を有している基板を準備すること；
上記第１領域に、第１電位を印加すること；および
上記第２領域に、第２電位を印加することを包含しており、
上記導波路は、当該導波路の長さに沿った第１方向に上記放射ビームを導くように構成されている上記第１領域は、上記第１方向と平行な長さを有しており、上記第２領域は、上記第１領域と直列にされており、かつ上記第１方向と平行な長さを有しており、
上記第１領域の上記長さ、上記第２領域の上記長さ、上記第１電位の値、および上記第２電位の値は、上記第１電位を印加することおよび上記第２電位を印加することが、上記放射ビームの実質的にゼロの残留振幅変調を生じさせるように選択される、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
電気光学位相変調装置３００の例示的な動作は、出力時に平坦に近い振幅応答が達成される（例えば、ＲＡＭを緩和する）ように導光の位相および／または周波数を変化させるために、各変調領域を通しての、導波部３０６におけるキャリア濃度を正確に調整することを含んでいる。キャリア濃度は、各領域に印加される電位を変化させることによって各変調領域において調整され得る。すなわち、一実施形態では、印加された電位は、個別に印加される電位によって引き起こされる任意の振幅の変化をゼロにために作用するように、調整される。導波部３０６への電子または正孔の注入は、材料の屈折率における変化を生じさせる。シリコンにおけるキャリアの注入または欠乏に起因する屈折率（Δｎ）および吸収（Δα）変化のための式は、SorefおよびBennettによって提示されており、その開示が本明細書に組み込まれるかれらの論文“Electrooptical effects in silicon”, Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, 1987, pp.123-129に説明されている。例えば、１．３μｍの波長における屈折率の実数部は、以下の方程式１に従って変化する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
ｄＢに変換されるΔαは、Δα＝１０ｌｏｇ（ｅｘｐ（ΔαＬ））であり、ここで、Ｌは変調領域の長さである。計算のシミュレートされた結果は、図４ＡおよびＢに示されている。図４Ａは、注入された種々のキャリア濃度についての、変化する変調装置長に対する位相シフトを示しており、図４Ｂは、注入された種々のキャリア濃度についての、変化する変調装置長に対する吸収を示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2016522450.tif 000026
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2016522450.tif 000027
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2016522450.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成28年2月16日(2016.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2016522450.tif 000029
【国際調査報告】
2016522450.tif 000030
2016522450.tif 000031
2016522450.tif 000032