JP2009237095A - Optical bistable element and method for stabilizing memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光双安定素子及びメモリ安定化方法に係り、特に、光通信や光信号処理回路で用いられる、集積可能な光メモリの状態記憶時間の長時間安定な光双安定素子及びメモリ安定化方法に関する。 The present invention relates to an optical bistable element and a memory stabilization method, and more particularly to an optical bistable element and a memory stabilization that are stable for a long period of time in the state storage time of an integratable optical memory used in optical communication and an optical signal processing circuit. Regarding the method.
屈折率の異なる２つ以上の材料を光の波長オーダの長さで周期的に配列したものをフォトニック結晶という。特にその周期構造を２次元的に構成したものを２次元フォトニック結晶とよぶ。２次元フォトニック結晶の一つに、シリコンなどの屈折率の高い半導体材料の薄膜に周期的に空気穴をあけるなどしたスラブ構造をとるものがある。この構造では、薄膜の上下面は空気やSiO2などの低屈折率材料からなるクラッド層で挟み込んでいる。また空気穴は三角格子や正方格子状に配置されていることが多い。 A photonic crystal in which two or more materials having different refractive indexes are periodically arranged in the length of the wavelength order of light. In particular, the two-dimensional structure of the periodic structure is called a two-dimensional photonic crystal. One of the two-dimensional photonic crystals has a slab structure in which air holes are periodically formed in a thin film of a semiconductor material having a high refractive index such as silicon. In this structure, the upper and lower surfaces of the thin film are sandwiched between clad layers made of a low refractive index material such as air or SiO 2 . The air holes are often arranged in a triangular lattice or a square lattice.
フォトニック結晶を用いると特定の波長の光の伝播を禁止するフォトニックバンドギャップを発現できる。２次元フォトニック結晶構造では、上下面は空気と半導体材料の屈折率差によって光を閉じ込め、平面内はフォトニックバンドギャップで光を閉じ込めることができる。それを利用すると微小光共振器を実現できる。具体的には、２次元フォトニック結晶の周期性を局所的に破壊することによって、そこに光を局在化させ光を閉じ込める。 When a photonic crystal is used, a photonic band gap that prohibits propagation of light of a specific wavelength can be expressed. In the two-dimensional photonic crystal structure, the upper and lower surfaces can confine light by the refractive index difference between air and the semiconductor material, and the light can be confined by the photonic band gap in the plane. By utilizing this, a micro optical resonator can be realized. Specifically, by destroying the periodicity of the two-dimensional photonic crystal locally, the light is localized and confined in the light.
特にシリコン２次元フォトニック結晶を用いて作成された微小光共振器では、高度なシリコンの作成プロセスを用いることもできるため、非常に高性能なものを実現できるようになっている。例えば、光の閉じ込めの度合いを示すＱ値が１２０万の共振器が示されている（例えば、非特許文献１参照）。さらに、この共振器のモード体積は極めて小さい（λ／ｎ）3。ここでλは光の波長、ｎはシリコンの屈折率である。 In particular, in a micro optical resonator manufactured using a silicon two-dimensional photonic crystal, an advanced silicon manufacturing process can be used, so that a very high performance can be realized. For example, a resonator having a Q value indicating a degree of light confinement of 1.2 million is shown (for example, see Non-Patent Document 1). Furthermore, the mode volume of this resonator is very small (λ / n) 3 . Here, λ is the wavelength of light, and n is the refractive index of silicon.
フォトニック結晶微小光共振器は光を強く閉じ込められるため、小さな光入力エネルギーで高い光子密度が得られる。その結果、通常では高強度光電界下でしか生じない光学非線形性を容易に発現できる。代表的な光学非線形性には光カー効果、二光子吸収効果などがあるが、シリコンでは１５５０ nm帯の光通信波長帯の光でも実キャリアを生成できる光学非線形性として二光子吸収が重要である。 Since the photonic crystal micro optical resonator strongly confines light, a high photon density can be obtained with small optical input energy. As a result, optical nonlinearity that normally occurs only under a high-intensity optical electric field can be easily expressed. Typical optical nonlinearities include the optical Kerr effect and the two-photon absorption effect. In silicon, two-photon absorption is important as an optical nonlinearity that can generate real carriers even with light in the optical communication wavelength band of 1550 nm. .
フォトニック結晶微小光共振器とフォトニック結晶導波路を組み合わせると、共鳴トンネルフィルタが実現される。図１２に示す共鳴トンネルフィルタでは、フォトニック結晶導波路１０１を通じてフォトニック結晶微小光共振器１０２に光を入射させることができる。光は共振器と共鳴する共鳴波長成分のみが反対側のフォトニック結晶導波路１０１に伝播することができる。図１３に示すように二つの共鳴モードをもつフォトニック結晶共振器の共鳴スペクトルの例を示す。 A resonant tunneling filter is realized by combining a photonic crystal micro-optical resonator and a photonic crystal waveguide. In the resonant tunneling filter shown in FIG. 12, light can be incident on the photonic crystal micro-optical resonator 102 through the photonic crystal waveguide 101. Only the resonant wavelength component that resonates with the resonator can propagate to the photonic crystal waveguide 101 on the opposite side. FIG. 13 shows an example of a resonance spectrum of a photonic crystal resonator having two resonance modes.
光の吸収率や、光が感じる屈折率が変化する光学非線形を発現する媒質を含む光共振器を用いると光双安定現象が観測されることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。 屈折率が変化する光学非線形性を用いた光共振器で得られる光双安定現象は分散性光双安定現象と呼ばれる。 It is known that an optical bistable phenomenon is observed when using an optical resonator including a medium that exhibits optical nonlinearity in which the light absorption rate and the refractive index that light senses change (see, for example, Non-Patent Document 2). ). An optical bistable phenomenon obtained by an optical resonator using an optical nonlinearity in which the refractive index changes is called a dispersive optical bistable phenomenon.
光学非線形は光のパワー密度やエネルギー密度に応じて屈折率などが変化する現象である。通常、光学非線形性は極めて小さいためその現象も通常の光強度ではわずかしか観測されない。しかし、光共振器では多くのエネルギーを閉じ込めることができるので、わずかな光パワー入力で効率的に光学非線形性を発現することができる。共振器内の光子密度を高くするためには、光の閉じ込めを表すＱ値が高く、共振器のモードＶが小さい必要がある。すなわち、Ｑ／Ｖが高いデバイスが有利である。その点、フォトニック結晶微小光共振器はＱ／Ｖが極めて高い共振器として知られている。 Optical nonlinearity is a phenomenon in which the refractive index changes according to the power density and energy density of light. Usually, the optical nonlinearity is extremely small, and the phenomenon is observed only slightly at normal light intensity. However, since a large amount of energy can be confined in the optical resonator, optical nonlinearity can be efficiently expressed with a small optical power input. In order to increase the photon density in the resonator, it is necessary that the Q value representing light confinement is high and the mode V of the resonator is small. That is, a device having a high Q / V is advantageous. In that respect, the photonic crystal micro-optical resonator is known as a resonator having an extremely high Q / V.
図１３に示すスペクトルの共鳴波長の一つをMode S、他方をMode Bと呼ぶ。Mode Bからわずかに短波長にずらした波長の連続光をBias光とよび、微小なパワーのBias光を入力側フォトニック結晶導波路に入射する。Bias光はフォトニック結晶共振器との共鳴波長からわずかにずれているために、光はほとんど共振器内に入らない。その結果、出力側フォトニック結晶導波路で得られる光パワーは小さく、フォトニック結晶微小光共振器の透過率は低い。この状態を模式的に示したのが図１４のａである。 One of the resonance wavelengths of the spectrum shown in FIG. 13 is called Mode S, and the other is called Mode B. Continuous light with a wavelength slightly shifted from Mode B to a short wavelength is called Bias light, and Bias light with minute power is incident on the input-side photonic crystal waveguide. Since the Bias light is slightly shifted from the resonance wavelength with the photonic crystal resonator, almost no light enters the resonator. As a result, the optical power obtained by the output-side photonic crystal waveguide is small, and the transmittance of the photonic crystal micro-optical resonator is low. FIG. 14 a schematically shows this state.
Bias光の強度を上げていくと、共振器に閉じ込められる光エネルギーも増加する。シリコンでは光子密度が高くなると二光子吸収によってキャリアが発生し、シリコンの屈折率がキャリアプラズマ分散効果によって低下する。その結果共鳴波長が短波長側にシフトする。すると、図１３に示すMode Bが短波長側にシフトする。すなわち、Bias光の強度を上げていくと、共振器の共鳴波長が入射Bias光の波長に近づいてくる。共鳴波長がBias光の波長に近づくので、光がさらに効率的に共振器に入るようになり、二光子吸収キャリアもさらに多く発生する。ある一定以上Bias光が強くなると共振器の共鳴波長が急激にBias光の波長に引き込まれて、共振器の透過率が高くなる。図１４のｂに透過率が高くなった状態を模式的に示す。一旦透過率が高くなると、共振器への入射光の結合が強くなるので入射Bias光を元のaの状態まで弱めても、高い透過率が維持される。その状態を図１４のｃに示す。したがって、入射パワー対出力光パワーは図１４に示すヒステリシス特性が得られ、これは前述の非特許文献２に示されているように光双安定現象の動作の典型例である。 Increasing the intensity of Bias light increases the light energy confined in the resonator. In silicon, when the photon density increases, carriers are generated by two-photon absorption, and the refractive index of silicon decreases due to the carrier plasma dispersion effect. As a result, the resonance wavelength is shifted to the short wavelength side. Then, Mode B shown in FIG. 13 is shifted to the short wavelength side. That is, when the intensity of Bias light is increased, the resonance wavelength of the resonator approaches the wavelength of incident Bias light. Since the resonance wavelength approaches the wavelength of Bias light, light enters the resonator more efficiently, and more two-photon absorption carriers are generated. When Bias light becomes stronger than a certain level, the resonance wavelength of the resonator is suddenly drawn into the wavelength of Bias light, and the transmittance of the resonator increases. FIG. 14b schematically shows a state where the transmittance is increased. Once the transmittance is increased, the coupling of the incident light to the resonator becomes stronger, so that a high transmittance is maintained even if the incident Bias light is weakened to the original state a. The state is shown in FIG. Therefore, the incident power versus the output optical power has the hysteresis characteristic shown in FIG. 14, which is a typical example of the operation of the optical bistable phenomenon as shown in the above-mentioned Non-Patent Document 2.
次に、本発明に関連する従来技術について説明する。 Next, conventional techniques related to the present invention will be described.
第１の従来技術について説明する。 The first prior art will be described.
光双安定デバイスを用いると光トランジスタや光双安定素子などを実現できることが知られている。低パワーで動作可能な光双安定デバイスとして、シリコンフォトニック結晶微小光共振器を用いた、シリコンの光学非線形性による光双安定デバイスが実現されている。シリコンは1550nm帯の光に対しては透明であるが、非線形感受率の存在によってわずかな二光子吸収キャリアが生成する。キャリアが緩和すると熱が発生し、シリコンの屈折率が上昇することが知られている。入射連続光の波長をフォトニック結晶共振器の共鳴波長よりもわずかに長波長に設定しておくことによって、熱光学効果による光双安定が発現できることが開示されている（例えば、非特許文献３参照）。入力・出力光パワーの関係を図１５に示すが、光双安定が数１０μＷの低入力パワー光で得られている。 It is known that when an optical bistable device is used, an optical transistor or an optical bistable element can be realized. As an optical bistable device that can operate at low power, an optical bistable device based on optical nonlinearity of silicon using a silicon photonic crystal micro-optical resonator has been realized. Silicon is transparent to light in the 1550 nm band, but few two-photon absorption carriers are generated due to the presence of nonlinear susceptibility. It is known that when carriers are relaxed, heat is generated and the refractive index of silicon increases. It is disclosed that optical bistability due to the thermo-optic effect can be manifested by setting the wavelength of incident continuous light slightly longer than the resonant wavelength of the photonic crystal resonator (for example, Non-Patent Document 3). reference). FIG. 15 shows the relationship between input and output optical power, and optical bistability is obtained with low input power light of several tens of μW.
第２の従来の技術について説明する。 The second conventional technique will be described.
熱光学効果を用いた光双安定デバイスでは、熱の発生及び熱の緩和の速度がデバイスの動作速度を制限する。シリコンフォトニック結晶微小光共振器ではその応答速度は数100nsである。より高速に動作させるために、キャリアプラズマ分散を用いた光双安定デバイスが報告されている（例えば、非特許文献４参照）。Bias光はMode Bより短波長に設定し、入力パワーをあげていく。キャリアが生成すると屈折率が低下するために、Mode Bの共鳴波長が短波長側にシフトする。その結果光双安定が実現できる。キャリアプラズマ効果による光双安定デバイスでは、動作速度はキャリアの実効的な緩和時間によって決まり、ある実験ではその値は約100 psである（例えば、非特許文献５）。 In an optical bistable device using the thermo-optic effect, the rate of heat generation and thermal relaxation limits the operating speed of the device. In the silicon photonic crystal micro-optical resonator, the response speed is several hundred ns. In order to operate at higher speed, an optical bistable device using carrier plasma dispersion has been reported (for example, see Non-Patent Document 4). Bias light is set to a shorter wavelength than Mode B and the input power is increased. Since the refractive index decreases when carriers are generated, the resonance wavelength of Mode B shifts to the short wavelength side. As a result, optical bistability can be realized. In the optical bistable device based on the carrier plasma effect, the operation speed is determined by the effective relaxation time of the carrier, and in an experiment, the value is about 100 ps (for example, Non-Patent Document 5).
キャリアプラズマ効果を用いたシリコンフォトニック結晶微小光共振器による光双安定を用いた光メモリ動作が実現されている。図１３に示すBias光を図１４のａに示す光強度に設定して入射した。Bias光を入射したのみでは共振器は透過率が低いOFFの状態となっている。そこで、図１３に示すSetの波長の短い光パルスを入射させた。Setパルスは共振器のもう一つの共鳴モードMode Sと共鳴するため、効率的に二光子吸収キャリアが発生する。その結果、シリコンフォトニック結晶微小光共振器のMode Bの共鳴波長とBias光との関係は図１４のｃに示す高い透過率の状態になる。一旦共振器が高透過率の状態になれば、Bias光自身によって光双安定が維持され図１４のｃの高い透過率の状態(ON)を維持する。図１４のｃのON状態から図１４のａのOFF状態へと移行するためには、一旦Bias光を切ればよい。以上のキャリアプラズマ分散効果を用いた光双安定素子の一連の動作を図１６に示す。同図では、
（１）Set／ResetなしでBiasのみ入射した場合；
（２）（１）の条件に加えてSetをさらに入射した場合；
（３）Set／Reset有の場合；
をそれぞれ示している。図１６に示す動作では、Setパルス及びReset負パルスのいずれかが最後に入射したかの情報を、共振器の透過率の高低として保持しているので、シリコンフォトニック結晶微小光共振器による双安定デバイスが光メモリとして動作していることがわかる。
(1) When only Bias is incident without Set / Reset;
(2) In addition to the conditions of (1), when a set is further incident;
(3) When Set / Reset exists;
Respectively. In the operation shown in FIG. 16, information on which of the Set pulse and the Reset negative pulse is incident last is held as the level of transmittance of the resonator. It can be seen that the stable device is operating as an optical memory.
シリコンフォトニック結晶共振器を用いた光双安定デバイスは集積可能で動作パワーが小さいため、全光論理回路の基本素子として有望である。前述の非特許文献４で示されているキャリアプラズマ効果による動作は高速な光双安定素子動作を可能とする。図１７は、非特許文献４に示すレート方程式を用いて計算したシリコンフォトニック結晶微小光共振器双安定デバイスの透過波形を示す。Bias光にはステップ入力を加え、そのパワーは双安定閾値より僅かに高い状態とした。図１７のａは、双安定閾値よりも僅かに大きい光強度のステップ状の入射Bias光、ｂは、共振器からの透過波形、ｃは、共振器の共鳴波長シフト、ｄは、共振器の共鳴波長シフトの熱光学効果による成分、ｅは、共振器の共鳴波長シフトのキャリアプラズマ分散効果による成分、ｆは、入射Bias光の波長を示す。このデバイスのメモリ保持時間は双安定状態の透過率が高いＯＮ状態を維持できる時間によって決まる。キャリアプラズマ分散効果による屈折率変化のみが存在する系であればBias光を切らない限りON状態を保持可能であるが、実際には図１７（ａ）に示すようにキャリアプラズマ分散効果による光双安定のON状態は数nsしか保持できない。これは熱光学効果が存在するためである。 Optical bistable devices using silicon photonic crystal resonators are promising as basic elements of all-optical logic circuits because they can be integrated and have low operating power. The operation by the carrier plasma effect shown in the above-mentioned Non-Patent Document 4 enables a high-speed optical bistable element operation. FIG. 17 shows a transmission waveform of the silicon photonic crystal micro-optical resonator bistable device calculated using the rate equation shown in Non-Patent Document 4. A step input was added to the Bias light, and its power was set slightly higher than the bistable threshold. In FIG. 17, a is a stepped incident Bias light having a light intensity slightly larger than the bistable threshold, b is a transmission waveform from the resonator, c is a resonance wavelength shift of the resonator, and d is a resonance wavelength of the resonator. The component due to the thermo-optic effect of the resonance wavelength shift, e is the component due to the carrier plasma dispersion effect of the resonance wavelength shift of the resonator, and f is the wavelength of the incident Bias light. The memory retention time of this device is determined by the time during which the ON state where the transmittance in the bistable state is high can be maintained. In a system in which only the refractive index change due to the carrier plasma dispersion effect exists, the ON state can be maintained unless the Bias light is cut off. In practice, however, as shown in FIG. A stable ON state can only be maintained for a few ns. This is because a thermo-optic effect exists.
熱はキャリアがシリコン中にて非発光再結合で消滅すると発生する。光双安定のＯＮ状態を維持するためにはBias光の供給を続ける必要があるが、そのために光共振器で熱が蓄積し、熱光学効果によって共振器の共鳴波長が長波長側にシフトする。熱光学効果による共鳴波長のシフト方向はキャリアプラズマ効果とは逆方向なため、キャリアプラズマ効果による双安定現象を打ち消す方向に作用する。図１７（ｂ）に示すように、熱の蓄積が進む数ns後にキャリアプラズマ効果による共鳴波長シフト量ｅと、熱による共鳴波長シフト量ｄがほぼ同じ量になり、共振器の共鳴波長シフトｃは急激に長波長側にシフトし、キャリアプラズマ効果による光双安定ＯＮ状態が破壊される。 Heat is generated when carriers disappear in silicon due to non-radiative recombination. In order to maintain the optical bistable ON state, it is necessary to continue supplying Bias light. For this reason, heat accumulates in the optical resonator, and the resonance wavelength of the resonator shifts to the longer wavelength side due to the thermo-optic effect. . Since the shift direction of the resonance wavelength due to the thermo-optic effect is opposite to the carrier plasma effect, it acts in the direction to cancel the bistable phenomenon due to the carrier plasma effect. As shown in FIG. 17B, the resonance wavelength shift amount e due to the carrier plasma effect and the resonance wavelength shift amount d due to heat become substantially the same after several ns of heat accumulation, and the resonance wavelength shift c of the resonator. Shifts rapidly to the longer wavelength side, destroying the optical bistable ON state due to the carrier plasma effect.
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、高速動作が可能なキャリアプラズマ分散効果を用いた光双安定動作に基づいた光メモリを、フォトニック結晶共振器にPIN構造を作成して、生成したキャリアが非発光再結合して熱に変わる前に高速に共振器の外に引き出すことで、熱の発生を抑え、メモリ保持時間を延ばすことが可能な光双安定素子及びメモリ安定化方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points. An optical memory based on an optical bistable operation using a carrier plasma dispersion effect capable of high-speed operation is created by creating a PIN structure in a photonic crystal resonator. An optical bistable element and a memory stabilization method capable of suppressing the generation of heat and extending the memory retention time by drawing out of the resonator at high speed before the generated carriers recombine non-radiatively and change into heat. The purpose is to provide.
図１は、本発明の原理構成図である。 FIG. 1 is a principle configuration diagram of the present invention.
本発明（請求項１）は、フォトニック結晶１中に作成された光導波路５０，６０及び光共振器１０からなる光双安定素子であって、
フォトニック結晶１中に、
光学非線形を発現する媒質を含む光共振器１０と、
光共振器部位を挟んで対向する２つの領域に、キャリアを引き抜くためのＰ形半導体領域、Ｎ形半導体領域の２つの電極と、
電極に電界を印加する電界印加手段と、を有する。
The present invention (Claim 1) is an optical bistable element comprising optical waveguides 50 and 60 and an optical resonator 10 formed in a photonic crystal 1,
In the photonic crystal 1,
An optical resonator 10 including a medium that exhibits optical nonlinearity;
Two electrodes of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region for extracting carriers in two regions facing each other across the optical resonator part;
Electric field applying means for applying an electric field to the electrode.
また、本発明（請求項２）は、フォトニック結晶１を、高屈折率材料からなるスラブに低屈折率材料を周期的に配置した２次元フォトニック結晶とする。 In the present invention (claim 2), the photonic crystal 1 is a two-dimensional photonic crystal in which a low refractive index material is periodically arranged on a slab made of a high refractive index material.
また、本発明（請求項３）は、フォトニック結晶中に作成された共振器１０を、
空気穴４０を格子定数の範囲内でシフトする構造、または、特定の領域に空気穴を形成しない点欠陥型構造、または、該空気穴を１列形成しない線欠陥の幅を部分的に変調した構造、または、線欠陥に接する空気穴の格子定数を部分的に変調した構造、または、線欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した構造とする。
Further, the present invention (Claim 3) includes a resonator 10 formed in a photonic crystal.
A structure in which the air holes 40 are shifted within a lattice constant range, a point defect type structure in which no air holes are formed in a specific region, or a line defect width in which the air holes are not formed in one row is partially modulated. The structure or a structure in which the lattice constant of the air hole in contact with the line defect is partially modulated, or the hole diameter of the air hole in contact with the line defect is partially modulated.
本発明（請求項４）は、フォトニック結晶中に作成された光導波路及び光共振器からなる光双安定素子を用いたメモリ安定化方法において、
共振器部位を挟んで対向する２つの領域に、キャリアを引き抜くためのＰ領域、Ｎ領域の２つの電極を設け、電界を印加する構造を有する光双安定素子を用い、
熱光学効果によるメモリ不安定化を防止するために、電極に電界を印加することにより、キャリアを引き抜く。
The present invention (Claim 4) is a memory stabilization method using an optical bistable element including an optical waveguide and an optical resonator formed in a photonic crystal.
An optical bistable element having a structure in which two electrodes of a P region and an N region for extracting carriers are provided in two regions facing each other across the resonator part, and an electric field is applied,
In order to prevent memory destabilization due to the thermo-optic effect, carriers are extracted by applying an electric field to the electrodes.
本発明は、上記のように、シリコンフォトニック結晶共振器内で二光子吸収によって生成したキャリアを高速に引き抜くために、共振器の両脇にP領域とN領域を形成し、逆バイアス電圧を加える構造となっている。これにより、フォトニック結晶は強く光を閉じ込めることが可能なため、共振器の近くにＰＮ領域を配置可能である。本発明によれば、P領域とN領域を共振器の近くに配置することが可能なため、デバイスサイズを極めて小さくすることができる。 As described above, the present invention forms a P region and an N region on both sides of the resonator to extract carriers generated by two-photon absorption in the silicon photonic crystal resonator at high speed, and applies a reverse bias voltage. It is a structure to add. Thereby, since the photonic crystal can confine light strongly, the PN region can be arranged near the resonator. According to the present invention, since the P region and the N region can be disposed near the resonator, the device size can be extremely reduced.
また、本発明の構成によれば、キャリアが発生するフォトニック結晶共振器部分と、キャリアを引き抜くために用いるPN領域を直線状に配置可能なため、キャリアを高速に共振器の外に引き出し、 PN領域に達したキャリアは電極を介してフォトニック結晶デバイスの外に引き抜かれる。 In addition, according to the configuration of the present invention, since the photonic crystal resonator portion where carriers are generated and the PN region used for extracting the carriers can be arranged in a straight line, the carriers are drawn out of the resonator at high speed, The carriers that have reached the PN region are drawn out of the photonic crystal device through the electrodes.
前述の理由により、ＰＮ構造がないシリコンフォトニック結晶微小光共振器で双安定メモリ動作を行う場合と比較して熱の発生を約３割に低減させることができる。 For the above-described reason, the generation of heat can be reduced to about 30% compared to the case where the bistable memory operation is performed by the silicon photonic crystal micro-optical resonator having no PN structure.
また、ＰＮ領域の間隔は狭いため、キャリアの掃引に必要な印加電界は小さくても良い。 Further, since the interval between the PN regions is narrow, the applied electric field necessary for the carrier sweep may be small.
以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
［第１の実施の形態］
図２は、本発明の第１の実施の形態における光双安定素子の構成を示し、図３は、本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶共振器の構成例を示す。
[First Embodiment]
FIG. 2 shows a configuration of the optical bistable element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows a configuration example of the photonic crystal resonator according to the first embodiment of the present invention.
共振器部分１０は空気穴を一つだけ空けない点欠陥共振器で六重極共振器とも呼ぶ。図３では、当該点欠陥六重共振器を上面図で示している。共振器１０の最近接穴４０は少し共振器１０の外側にずらしてある。共振器１０中央から最近接穴４０中央の距離をｃｋとしたときにｃｋ＝１．２３とした。ここでａは格子定数（フォトニック結晶の低屈折材料（空気穴）の間隔距離）４２０nmである。スラブ厚は２００nmで上下面は空気である。スラブはシリコンである。この共振器１０にて最高Ｑ値３．２×１０5が実現できる。ここで、当該フォトニック結晶は、高屈折率材料からなるスラブに、屈折材料を周期的に配置した２次元フォトニック結晶とする。スラブに用いられる高屈折材料として、Si、Ge、GaAs、AlAs、SiC、InP、InAs、GaP、GaN、A1N、ZnSe、ZnOの半導体、または、これらの半導体のうちの、いずれか複数の混晶半導体を含む材料を用いる。また共振器２０の電界分布を図４に示す。 The resonator portion 10 is a point defect resonator that does not have only one air hole, and is also called a hexapole resonator. In FIG. 3, the point defect six-fold resonator is shown in a top view. The closest hole 40 of the resonator 10 is slightly shifted to the outside of the resonator 10. When the distance from the center of the resonator 10 to the center of the closest hole 40 is c k , c k = 1.23. Here, a is a lattice constant (interval distance between low refractive materials (air holes) of the photonic crystal) of 420 nm. The slab thickness is 200 nm and the upper and lower surfaces are air. The slab is silicon. With this resonator 10, a maximum Q value of 3.2 × 10 5 can be realized. Here, the photonic crystal is a two-dimensional photonic crystal in which a refractive material is periodically arranged on a slab made of a high refractive index material. High refractive materials used for slabs include Si, Ge, GaAs, AlAs, SiC, InP, InAs, GaP, GaN, A1N, ZnSe, ZnO semiconductors, or mixed crystals of any of these semiconductors A material containing a semiconductor is used. The electric field distribution of the resonator 20 is shown in FIG.
基板シリコンの熱平衡キャリア密度は１．０２×１０10 cm-3である。本共振器から左右ぞれぞれ±２μｍ離れた位置にP型及びN型のシリコン領域を作製し、Insulator領域（Ｉ領域）を挟んで直線状または直線から０〜５μｍずれた位置に配置され、共振器２０を上下から挟む、または左右から挟むPIN構造を形成する。なお、フォトニック結晶導波路についても同様である。P及びN領域のドナー及びアクセプタ濃度は５×１０19 cm3とする。 The thermal equilibrium carrier density of the substrate silicon is 1.02 × 10 10 cm −3 . P-type and N-type silicon regions are fabricated at positions that are ± 2 μm apart from the left and right sides of the resonator, and are arranged in a straight line or at a position shifted from 0 to 5 μm from the straight line across the insulator region (I region). A PIN structure is formed in which the resonator 20 is sandwiched from above and below or from both sides. The same applies to the photonic crystal waveguide. The donor and acceptor concentrations in the P and N regions are 5 × 10 19 cm 3 .
図５は、本発明の第１の実施の形態におけるＰＮ構造付Air-bridgeフォトニック結晶構造の作製プロセスを示す。 FIG. 5 shows a manufacturing process of an air-bridge photonic crystal structure with a PN structure in the first embodiment of the present invention.
始めにSOI基板をＥＢレジストとドライエッチング（１）でフォトニック結晶のパターンを作製する（２）。Ｐ及びＮ領域周辺のみ選択的にSiO2を堆積し（３）、さらに選択的にSiO2をエッチングしてＰ型シリコンおよびＮ型シリコンを形成するために順番にイオン注入する（４）。その後電極を堆積とアニーリングにより形成し、フォトニック結晶領域以外をレジストで保護してウェットエッチングによってair-bridge構造を形成する（６）。 First, a pattern of a photonic crystal is formed on an SOI substrate by EB resist and dry etching (1) (2). SiO 2 is selectively deposited only around the P and N regions (3), and ion implantation is sequentially performed in order to selectively etch SiO 2 to form P-type silicon and N-type silicon (4). Thereafter, an electrode is formed by deposition and annealing, and the air-bridge structure is formed by wet etching while protecting the areas other than the photonic crystal region with a resist (6).
図６は、本発明の第１の実施の形態における外部電界を印加しない場合の六重フォトニック結晶微小共振器のキャリア分布の時間変換を示す。 FIG. 6 shows time conversion of the carrier distribution of the six-fold photonic crystal microresonator when no external electric field is applied in the first embodiment of the present invention.
図６（ａ）に本共振器をスイッチング動作させるときの初期二光子吸収キャリア分布を示す。同図に示す濃度の二光子吸収キャリアを用いると1550 nm帯の光で本共振器の共鳴波長を-0.15 nmシフトすることが可能であり、双安定を実現するために十分な量である。 FIG. 6A shows an initial two-photon absorption carrier distribution when the resonator is switched. Using the two-photon absorption carrier with the concentration shown in the figure, the resonance wavelength of this resonator can be shifted by -0.15 nm with light in the 1550 nm band, which is sufficient to realize bistability.
始めにPIN構造に電圧を加えない、共振器への外部電界が印加されていない場合のキャリア拡散の様子を図６（ｂ）、及び図６（ｃ）に示す。８ps及び２４ps後にもキャリアが共振器付近にとどまっていることがわかる。 First, FIG. 6B and FIG. 6C show the state of carrier diffusion when no voltage is applied to the PIN structure and no external electric field is applied to the resonator. It can be seen that the carriers remain in the vicinity of the resonator even after 8 ps and 24 ps.
図７は、本発明の第１の実施の形態におけるキャリアを引き抜かない場合のキャリアから熱に変換するエネルギー量について示す。同図では、時刻０psで-0.15nm共鳴波長をシフトさせるために必要な量のキャリアを発生させたときの、六重共振器内に蓄積されるキャリアのエネルギーと、キャリアの非発光再結合によって熱に変換されるエネルギーの関係を示し、ａは、キャリアの非発光再結合（高速キャリア緩和成分を除く）によって生成される熱エネルギーであり、ｂは、キャリアのエネルギーを表している。 FIG. 7 shows the amount of energy converted from the carrier to heat when the carrier is not pulled out in the first embodiment of the present invention. In the figure, when the amount of carriers necessary to shift the -0.15 nm resonance wavelength at time 0 ps is generated, the energy of the carriers accumulated in the hexagonal resonator and the non-radiative recombination of the carriers The relationship of the energy converted into heat is shown, a is thermal energy produced | generated by the non-radiative recombination of a carrier (except a high-speed carrier relaxation component), and b represents the energy of a carrier.
キャリアの持つエネルギーのうち３１％は高速な緩和によって熱に変換されるので、図７のグラフよりキャリアのもつ４３％のエネルギーが１００ps後に熱に変わることがわかる。４００ps後には５１％のエネルギーが熱に変換される。最終的には１００％のエネルギーが熱に変換される。 Since 31% of the energy of the carrier is converted to heat by high-speed relaxation, it can be seen from the graph of FIG. 7 that 43% of the energy of the carrier changes to heat after 100 ps. After 400 ps, 51% of the energy is converted to heat. Eventually 100% of the energy is converted to heat.
図８は、本発明の第１の実施の形態におけるＰとＮ領域にそれぞれ接触させた電極間に０．５Ｖの逆電圧を印加した場合のキャリアの移動の様子を示す。同図では、４μｍ間隔距離のあるＰＮ間に逆電圧０．５Ｖを印加した場合の、六重共振器で生成した二光子吸収キャリアの空間分布の時間変化を表しており、１６ps後（同図（ｃ））には大半のキャリアがn領域に達して電極を通じてフォトニック結晶デバイス外に引き抜くことが可能であることがわかる。 FIG. 8 shows the state of carrier movement when a reverse voltage of 0.5 V is applied between the electrodes in contact with the P and N regions, respectively, in the first embodiment of the present invention. The figure shows the time change of the spatial distribution of the two-photon absorption carrier generated by the six-fold resonator when a reverse voltage of 0.5 V is applied between PNs with a distance of 4 μm. (C)) shows that most of the carriers reach the n region and can be extracted out of the photonic crystal device through the electrodes.
図８より、２０ps以内にキャリアを共振器外に引き抜くことが可能であり、図６より２０ps後には熱の発生は３３％に抑えられるので、PIN構造を作成しない場合と比較して熱の発生を３３％に抑えることが可能であることがわかる。 From FIG. 8, it is possible to withdraw carriers out of the resonator within 20 ps, and heat generation is suppressed to 33% after 20 ps from FIG. 6, so heat generation is compared to the case where no PIN structure is created. It can be seen that it can be reduced to 33%.
熱の発生が抑制される結果、前述の図１７のｄで示す熱効果による長波長シフトも約３割に低減される。その結果、図１７のｃで示す共振器のシフトの長波長への傾きが緩やかになり、メモリ保持時間を延ばすことが可能になる。 As a result of suppressing the generation of heat, the long wavelength shift due to the thermal effect shown by d in FIG. 17 is also reduced to about 30%. As a result, the inclination of the resonator shift to the long wavelength shown by c in FIG. 17 becomes gentle, and the memory retention time can be extended.
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態における光双安定素子であるＤ４共振器の共振器モードを示し、図１０は、本発明の第２の実施の形態における導波路に結合したＤ４共振器のPIN付構造の模式図を示す。Ｄ４共振器７０は、光双安定素子であることが報告されている。Ｄ４共振器７０は、フォトニック結晶中の４つの空気穴を一列あけない領域を作り共振器を形成する。共振器の両端の穴はわずかに外側にシフトさせ穴径も小さくしている。本共振器７０におけるＱ値は２．３×１０4である。
[Second Embodiment]
FIG. 9 shows a resonator mode of a D4 resonator that is an optical bistable element according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows D4 coupled to the waveguide according to the second embodiment of the present invention. The schematic diagram of the structure with PIN of the resonator is shown. The D4 resonator 70 is reported to be an optical bistable element. The D4 resonator 70 forms a resonator by creating a region where four air holes in the photonic crystal are not formed in a row. The holes at both ends of the resonator are slightly shifted outward to reduce the hole diameter. The Q value in the resonator 70 is 2.3 × 10 4 .
図１１は、本発明の第２の実施の形態におけるＤ４共振器の場合のキャリアのエネルギーから熱エネルギーへの変換を示す。同図は、時刻０psで‐０．１５nm共鳴波長をシフトさせるために必要な量のキャリアを発生させた時の、Ｄ４共振器内に蓄積されるキャリアのエネルギーと、キャリアの非発光再結合によって熱に変換されるエネルギーの関係を示している。同図ａは、キャリアの非発光再結合（高速キャリア緩和成分を除く）によって生成される熱エネルギーであり、同図ｂは、キャリアのエネルギーを示す。同図から約２０ps後にはキャリアのエネルギーの約３３％が熱に変換されていることがわかる。 FIG. 11 shows the conversion from carrier energy to thermal energy in the case of the D4 resonator according to the second embodiment of the present invention. The figure shows the energy of carriers accumulated in the D4 resonator and the non-radiative recombination of carriers when the amount of carriers necessary to shift the -0.15 nm resonance wavelength is generated at time 0 ps. The relationship of energy converted into heat is shown. FIG. 5A shows thermal energy generated by non-radiative recombination of carriers (excluding a fast carrier relaxation component), and FIG. 4B shows carrier energy. From the figure, it can be seen that about 20% of the carrier energy is converted to heat after about 20 ps.
第１の実施の形態と同様に共振器の両側にPIN構造を作製することによって、キャリアを高速に共振器の外に引き抜くことが可能である。 Similar to the first embodiment, by producing a PIN structure on both sides of the resonator, carriers can be pulled out of the resonator at high speed.
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be made within the scope of the claims.
本発明は、光通信や光信号処理回路に用いられる集積可能な光メモリに適用可能である。 The present invention is applicable to an integratable optical memory used for optical communication or an optical signal processing circuit.
１ フォトニック結晶、シリコン
１０ 共振器、六重極共振器
２０ Ｐ領域（p-Si領域）
３０ Ｎ領域（n-Si領域）
４０ 空気穴、最近接穴
５０ 入力導波路
６０ 出力導波路
７０ 共振器
１０１ フォトニック導波路
１０２ フォトニック結晶微小共振器
1 Photonic crystal, silicon 10 resonator, hexapole resonator 20 P region (p-Si region)
30 N region (n-Si region)
40 air hole, nearest hole 50 input waveguide 60 output waveguide 70 resonator 101 photonic waveguide 102 photonic crystal microresonator
Claims (4)
前記フォトニック結晶中に、
光学非線形を発現する媒質を含む光共振器と、
前記光共振器部位を挟んで対向する２つの領域に、キャリアを引き抜くためのＰ形半導体領域、Ｎ形半導体領域の２つの電極と、
前記電極に電界を印加する電界印加手段と、
を有することを特徴とする光双安定素子。 An optical bistable element comprising an optical waveguide and an optical resonator formed in a photonic crystal,
In the photonic crystal,
An optical resonator including a medium that exhibits optical nonlinearity;
Two electrodes of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region for extracting carriers in two regions facing each other across the optical resonator part;
An electric field applying means for applying an electric field to the electrode;
An optical bistable element comprising:
高屈折率材料からなるスラブに低屈折率材料を周期的に配置した２次元フォトニック結晶である
請求項１記載の光双安定素子。 The photonic crystal is
2. The optical bistable element according to claim 1, which is a two-dimensional photonic crystal in which a low refractive index material is periodically arranged on a slab made of a high refractive index material.
空気穴を格子定数の範囲内でシフトする構造、または、特定の領域に空気穴を形成しない点欠陥型構造、または、該空気穴を１列形成しない線欠陥の幅を部分的に変調した構造、または、線欠陥に接する空気穴の格子定数を部分的に変調した構造、または、線欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した構造とする
請求項１記載の光双安定素子。 The resonator created in the photonic crystal is:
A structure in which air holes are shifted within a lattice constant range, a point defect type structure in which air holes are not formed in a specific region, or a structure in which the width of line defects in which the air holes are not formed in one row is partially modulated The optical bistable element according to claim 1, wherein the optical bistable element has a structure in which a lattice constant of an air hole in contact with a line defect is partially modulated, or a structure in which a hole diameter of an air hole in contact with the line defect is partially modulated.
前記共振器部位を挟んで対向する２つの領域に、キャリアを引き抜くためのＰ領域、Ｎ領域の２つの電極を設け、電界を印加する構造を有する光双安定素子を用い、
熱光学効果によるメモリ不安定化を防止するために、前記電極に電界を印加することにより、キャリアを引き抜くことを特徴とするメモリ安定化方法。 In a memory stabilization method using an optical bistable element composed of an optical waveguide and an optical resonator formed in a photonic crystal,
An optical bistable element having a structure in which two electrodes of a P region and an N region for extracting carriers are provided in two regions facing each other across the resonator part, and an electric field is applied,
A memory stabilization method, wherein a carrier is extracted by applying an electric field to the electrode in order to prevent memory instability due to a thermo-optic effect.
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