JP2016038399A - 光変調方法、光変調器の作製方法、光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】変調効率と省エネルギー性とを両立させることが可能な光変調方法を提供する。【解決手段】ｎ層１１と、ｐ型ドーパントをインプラントした擬似ｐ層１２とを形成し、順方向バイアス電圧を印加することによりｎ層１１及び擬似ｐ層１２に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の擬似ｐ層１２にインプラントしたｐ型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させ、擬似ｐ層１２中のドーパント分布を固定させて当該擬似ｐ層１２をｐ型半導体２１として構成し、ｐ型半導体２１に光を伝搬させるとともに、当該光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、光の偏光方向又は伝搬方向を変調する。【選択図】図７

Description

本発明は、伝搬する光の偏光方向又は伝搬方向を変調する光変調方法、光変調器の作製方法、光変調器に関するものである。

近年の光エレクトロニクスの発展に伴い、周波数多重通信のためのレーザ光制御や、広範囲に分布する吸収線の周波数測定の要請、更には光通信や光記録等の光情報処理の分野からの要請に応えるべく、導波路で共振させた光を変調させる導波路型光変調器が多用されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。この導波路型光変調器を構成する光導波路では、例えばファラデー効果やカー効果等を始めとした磁気光学効果を利用して光の偏光方向を制御することが可能であり、光導波路を構成する材料を選定することで数十ｎｓオーダーもの応答速度を実現することが可能となる。

一方で、このような磁気光学効果を発現させるための磁性材料を選定する必要があり、またそのような磁性材料における磁化の特性上、十分な変調量を得るためには数Ｔ規模の外部磁場を発生させる装置が必要となる。

このため、既存の磁気光学効果を利用した光変調は、変調効率と省エネルギー性とを両立させることができないという問題点があった。

特開２００５−１４８３８９号公報

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、変調効率と省エネルギー性とを両立させることが可能な光変調方法、光変調器の作製方法、光変調器を提供することにある。

請求項１記載の光変調方法は、ｎ型酸化物半導体基板で構成したｎ層と、上記ｎ型酸化物半導体基板にｐ型ドーパントをインプラントした擬似ｐ層とを形成し、順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｎ層及び上記擬似ｐ層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記擬似ｐ層にインプラントしたｐ型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似ｐ層中のドーパント分布を固定させて当該擬似ｐ層をｐ型酸化物半導体として構成し、更に上記ｐ型酸化物半導体に光を伝搬させるとともに、当該光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、上記光の偏光方向又は伝搬方向を変調することを特徴とする。

請求項２記載の光変調方法は、請求項１記載の発明において、上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記ｐ型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光を上記擬似ｐ層に対して照射し、上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させることを特徴とする。

請求項３記載の光変調方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記伝搬させる光により、上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調することを特徴とする。

請求項４記載の光変調器の作製方法は、ｎ型酸化物半導体基板で構成したｎ層と、上記ｎ型酸化物半導体基板にｐ型ドーパントをインプラントした擬似ｐ層とを形成し、順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｎ層及び上記擬似ｐ層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記擬似ｐ層にインプラントしたｐ型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似ｐ層中のドーパント分布を固定させて当該擬似ｐ層をｐ型酸化物半導体として構成し、更に上記ｐ型酸化物半導体に伝搬させる光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加するための変調電界印加部を設けることを特徴とする。

請求項５記載の光変調器は、請求項４に記載の酸化物半導体による光変調器の作製方法により作製され、上記ｐ型酸化物半導体に伝搬させる変調対象の光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加する変調電界印加手段とを備え、上記変調電界印加手段は、変調電界を印加することにより、上記変調対象の光の偏光方向又は伝搬方向を変調することを特徴とする。

請求項６記載の光変調器は、請求項５記載の発明において、上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記ｐ型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光が上記擬似ｐ層に対して照射された場合において、上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させることを特徴とする。

請求項７記載の光変調器は、請求項５又は６記載の発明において、上記伝搬させる光により、上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、誘導光と略同一波長で構成した変調対象の伝搬光を擬似ｐ層に伝搬させることにより、近接場光を発生させることが可能となる。即ち、擬似ｐ層中を伝搬する光のエネルギーが、局在場としてのドレスト光子（近接場光）に一時的に変換される。ドレスト光子に変換されることにより、通常の伝搬光と比較して、ｎ層に到達する速度は遅くなる。このようにドレスト光子に変換されている間において、変調電界に起因する磁場の作用を受けることとなる。変調電界を印加することにより、ｐ型のＺｎＯに起因する磁気による磁気光学効果を受けることとなるが、伝搬光と比較して擬似ｐ層内に留まっている時間が長くなるため、当該磁気光学効果を受け続ける時間も長くなる。その結果、ドレスト光子は、磁気光学効果により、分極が大きく偏ることとなる。これに応じて、当該ドレスト光子から再び変換された伝搬光について偏光方向を変化させることが可能となる。特に本発明によれば、ドレスト光子は、磁気光学効果をより長く受け続けるため、分極が大きく変化し、その分において偏光方向を大きく変調させることが可能となる。擬似ｐ層が数μｍの僅かな厚みで構成されている場合においても、当該厚みに支配されることなく、そのドレスト光子を高効率に変調することが可能となる。

本発明を適用した光変調器の作製装置の構成図である。 ｎ層と、擬似ｐ層のエネルギーバンド図である。 ドーパントの分布変化が生じた後の例を示す図である。 非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで示した図である。 （ａ）は、電子密度の差異に基づく反転分布が擬似ｐ層内におけるｎ層近傍に形成された例を、また（ｂ）は、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて放出させることによる発光させる例を示す図である。 微細領域Ａとほぼ同一分布の微細領域Ｂが形成される例を示す図である。 本発明を適用した光変調器の構成図である。 （ａ）は、擬似ｐ層において局在場としてのドレスト光子（近接場光）に一時的に変換する例を示す図であり、（ｂ）は、伝搬光をドレスト光子に変換することなくそのまま伝搬させる例を示す図である。

以下、本発明を適用した光変調器及びその作製方法。光変調方法ついて図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した光変調器の作製装置１０の構成図である。この作製装置１０は、ｐｎ接合体１と、このｐｎ接合体１に対して電圧を印加するための電源４１とを備えている。

ｐｎ接合体１は、ＺｎＯからなり、ｎ層１１と、擬似ｐ層１２とを有している。ｎ層１１は、ｎ型ＺｎＯ基板で構成したｎ型半導体である。このｎ層１１は、ｎ型ＺｎＯ基板に対してアルミニウムなどのIII族元素やハロゲン元素をドープすることで得られるものである。

擬似ｐ層１２は、ｎ型ＺｎＯ基板に窒素をｐ型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものである。この擬似ｐ層１２は、例えば７００ＫｅＶ、表面から５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は１０¹⁹程度とされていてもよい。ちなみにドーパントとしての窒素は、安定性に欠けるため、擬似ｐ層１２は、いわゆるｐ型半導体としての振る舞いを安定的に起こさない場合が多い。つまり、この擬似ｐ層１２中におけるドーパントとしての窒素は、その多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていない。但し、あくまでｐ型ドーパントとして窒素を添加していることから擬似的なｐ層としての擬似ｐ層１２として定義する。

本発明を適用した光変調器の作製方法では、かかるｐｎ接合体１における擬似ｐ層１２のＺｎＯ中のドーパントのとしての窒素のドーパント分布を変化させる。ここでいうドーパント分布の変化は、例えば、当初インプラントされた窒素の位置を変化させるもの、或いはそのインプラントされた窒素を拡散させるもの等、アニーリングにより生じるあらゆる現象を含む概念である。

擬似ｐ層１２中において、窒素からなるドーパント１４がインプラントされている。しかし、このドーパントの分布は不安定なものであり、いわゆるｐ型半導体としての機能を発揮することができないものとなっている。

実際にはｐｎ接合体１に対して順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期の光変調器を作製することが可能となる。

図２は、ｎ層１１と、擬似ｐ層１２のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、擬似ｐ層１２中の正孔がｎ層１１側へと移動し、ｎ層１１中の電子が擬似ｐ層１２側へと移動していく。その結果、互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。そして、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じるｎ層１１と擬似ｐ層１２との界面を中心にしたものであるが、少なくとも擬似ｐ層１２中におけるｎ層１１近傍においても、大きな電位差が生じる。この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。

このジュール熱が発生する結果、擬似ｐ層１２内の特にｎ層１１近傍において流動性が増加し、そのドーパント１４の分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかるドーパント１４の分布変化が継続して生じることになる。

図３は、このドーパント１４の分布変化が生じた後の例である。ジュール熱が発生することにより、擬似ｐ層１２内の特にｎ層１１近傍において流動性が増加する結果、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、微細領域Ａにおいてある特有のドーパント分布が形成される。この微細領域Ａにおける特有のドーパント分布は、入射された伝搬光としての誘導光に基づいて近接場光が発生する上でより適した分布である。この特有のドーパント分布を形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴う擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。

このような、微細領域Ａにおける特有のドーパント分布が形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該特有のドーパント分布において近接場光が発生する。ここでいう近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、特有のドーパント分布が生じた箇所で発生するが、それ以外の箇所においても当然に発生する場合がある。

この非断熱過程とは、図４に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図４(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。ＺｎＯの原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という。

一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図４(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程（非断熱過程）が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。

また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯における電子密度ｎ₁が、下位準位にある正孔密度ｎ₂と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図５（ａ）に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍に形成される。次に、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じたドーパントの変化によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場（ドレストフォトン−フォノン準位）を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。

このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントの分布変化が継続して生じることになる。

またジュール熱によるドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図５（ｂ）に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることによる発光させる。また、かかる近接場光に基づいて伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させる。

その結果、このｐｎ接合体１から係る電子の放出による発光を実現することが可能となる。当該特有のドーパント分布においては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である誘導光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果、伝導体中の電子を減少させることが可能となる。即ち、ｐ型ドーパントの励起波長よりも長波長の誘導光を擬似ｐ層に対して照射することで、上述した誘導放出を生じさせる。
このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度ｎ₁が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する特有のドーパント分布が形成された領域については、ｎ層１１へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下する。そして、当該特有のドーパント分布が形成された領域についてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍の流動性が低下する。その結果、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍については、ドーパントの分布の変化が抑制されることになる。かかるドーパント分布はそのまま変化することなく固定されることになる。

また、図５（ｂ）に示すように発光が生じた場合、その発光に基づいて、特有のドーパント分布による近接場光が発生しやすくなる。その発生した近接場光により、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、特有のドーパント分布の固定化並びに発光が促進されることとなる。

また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。

微細領域Ａは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細領域Ａ以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、この擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍の流動性が増加する結果、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムなドーパント分布の変化の結果、図６に示すように、微細領域Ａとほぼ同一分布の微細領域Ｂが形成される場合もある。この微細領域Ｂにおける特有のドーパント分布は、微細領域Ａと同様に、近接場光が発生する上でより適した分布である。この特有のドーパント分布を形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴う擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。

このような、微細領域Ｂにおける特有のドーパント分布が形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該特有のドーパント分布において近接場光が発生する。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより、この微細領域Ｂにおいても同様な非断熱過程が生じる。

微細領域Ｂについても、非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、拡散電流が低下する。そして、当該特有のドーパント分布が形成された微細領域Ｂについてはジュール熱が低下することになり、流動性が低下する。その結果、微細領域Ｂについても、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍については、ドーパントの分布の変化が抑制されることになる。かかるドーパント分布はそのまま変化することなく固定されることになる。

かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細領域Ａ、Ｂと同一のドーパント分布が数多く作り出されることとなる。ドーパント分布の変化が抑制され、流動性の向上による加工が停止することとなる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。

このように本発明では、インプラントされている窒素の多くがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に固定されていないため、ｐ層として安定的に機能しない擬似ｐ層１２において順方向バイアス電圧を印加することで、ジュール熱が発生することによる擬似ｐ層１２の流動性を増加させる。そして、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントの分布がランダムに変化し、ある特有のドーパント分布が形成された場合に近接場光が発生する。そして、当該近接場光が発生した領域においては、誘導放出により発光が生じる。このような近接場光の発生による発光が生じる領域においては、流動性が低下して加工が停止し、ドーパントの分布が固定されることとなる。

そして、このドーパントが固定された状態においては、順方向バイアス電圧を印加した際において発光が生じるものであることから、いわゆるｐｎ接合としての機能を発揮することとなる。つまり擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍のドーパントがアクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動し、固定されたことを意味する。

擬似ｐ層１２は、当初からＺｎＯで構成されているが、その擬似ｐ層１２内におけるドーパントとしての窒素が、アクセプターとして機能すべき結晶内の位置に移動した場合、ＺｎＯは、ｐ型半導体として機能することとなる。このため、擬似ｐ層１２内における近接場光が好適に発生する微細領域Ａ、Ｂは、いわゆるｐ型のＺｎＯに変化したものといえる。

特に本発明では、擬似ｐ層１２内におけるｎ層１１近傍をジュール熱に基づいて一度流動させた後に、ｐ型半導体としての機能が発揮しえる状態へドーパントを移動させて固化させている。これにより、拡散されて固定後のドーパントは、ＺｎＯ中においてｐ型半導体としての機能を発揮しえる状態で安定的に固定されるものである。このため、擬似ｐ層１２を、本来的なｐ型半導体２１としての機能を発揮するｐ層に変化させることが可能となる。

次に、このようにして得られたｐ型半導体２１を用いて光の変調を行う。かかる場合には、図７に示すような光変調器４０を構成するものとし、変調対象の光をｐ型半導体２１に伝搬させる。かかる場合には、入力光を擬似ｐ層１２側から照射し、ｐ型半導体２１中を通過させてｎ層１１へと伝搬させる。反射型の光変調器を構成する場合には、例えばｎ層１１の端面に反射膜としての金属性薄膜２５を形成させるようにしてもよい。これにより、ｐ型半導体２１中を通過させてｎ層１１へと伝搬した光は、この金属性薄膜２５を反射し、ｎ層１１からｐ型半導体２１を伝搬して外部へと出射されることなる。これに対して、透過型の光変調器を構成する場合には、金属性薄膜２５の構成を省略することにより、変調対象の光を一方向に向けて通過させることで変調を行う。

反射型、透過型の何れの光変調器においても、光の伝搬方向は、ｐｎ接合面２８に対して垂直方向となる。

また、このような光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加する。この変調電界の印加については、例えば図７に示すように、変調電界印加部２２を介して行う。この変調電界印加部２２は、擬似ｐ層１２の表面に設けられた２つの電極からなる。この変調電界印加部２２を通じて変調電界を印加する。これにより、変調電界は、擬似ｐ層１２中を流れることになる。特にｐｎ接合面２８に対してほぼ平行方向に変調電界に基づく電流が流れるように、２つに亘る変調電界印加部２２を配置することで、変調電界と、光の伝搬方向とが互いに略垂直方向になるように調整することが可能となる。

このようにして、光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、上記光の偏光方向又は伝搬方向を変調することが可能となる。

特に誘導光と略同一波長で構成した変調対象の伝搬光を擬似ｐ層１２に伝搬させることにより、近接場光を発生させることが可能となる。擬似ｐ層１２を構成する微細領域Ａ、Ｂは、それぞれ誘導光の波長に対して近接場光を発生可能なドーパント分布となっている。このため、微細領域Ａ、Ｂからなる擬似ｐ層１２に、誘導光と略同一波長からなる伝搬光を照射することにより、当該微細領域Ａ，Ｂを介して近接場光を発生させることが可能となる。

即ち、擬似ｐ層１２中を伝搬する光のエネルギーが、図８（ａ）に示すように、擬似ｐ層１２において局在場としてのドレスト光子（近接場光）に一時的に変換される。この一時的に変換されたドレスト光子は、一時的にその場に留まる、いわゆる局在化する性質を持つ。このため、ドレスト光子に変換されることにより、通常の伝搬光と比較して、ｎ層１１に到達する速度は遅くなる。この一時的に変換されたドレスト光子は、図８（ａ）に示すように、その後再び伝搬光へと変換されてｎ層１１へと伝搬していくこととなる。

このようにドレスト光子に変換されている間において、上述した変調電界に起因する磁場の作用を受けることとなる。変調電界を印加することにより、ｐ型のＺｎＯに起因する磁気による磁気光学効果を受けることとなる。この磁気光学効果では、例えば磁界により屈折率や偏光面等が変化する。ドレスト光子は、この磁気光学効果を受け続けることとなるが、伝搬光と比較して擬似ｐ層１２内に留まっている時間が長くなるため、当該磁気光学効果を受け続ける時間も長くなる。その結果、ドレスト光子は、磁気光学効果により、分極が大きく偏ることとなる。これに応じて、当該ドレスト光子から再び変換された伝搬光について偏光方向を変化させることが可能となる。特に本発明によれば、ドレスト光子は、磁気光学効果をより長く受け続けるため、分極が大きく変化し、その分において偏光方向を大きく変調させることが可能となる。擬似ｐ層１２が数μｍの僅かな厚みで構成されている場合においても、当該厚みに支配されることなく、そのドレスト光子を高効率に変調することが可能となる。

ちなみに、ここでいう変調とは、上述した偏光方向の変調のみならず、伝搬方向の変調であってもよいし、その他いかなる変調も含まれる。また、変調対象の伝搬光は、誘導光と略同一波長である場合に限定されるものではない。変調対象の伝搬光の波長が、当該誘導光の波長と相違するものであっても、近接場光が発生する場合があり、かかる場合には上述と同様の作用効果が生じることとなる。

これに対して、図８（ｂ）に示すように、伝搬光がドレスト光子に変換されることなく、そのまま伝搬した場合には、磁気光学効果を受けるにしても、その期間が短くなることから、高効率な変調を実現することができない。

なお、本発明によれば、上述した変調メカニズム以外に、以下に説明するメカニズムによる変調を行うようにしてもよい。かかる場合において、伝搬光を一時的にドレスト光子に変換して遅延させ、その後再び伝搬光にこれを変換してｎ層１１へと伝搬させる点は、上述と同様である。このとき、変調電界によって、ＺｎＯ中の擬似ｐ層１２が持っている分極を偏らせる。即ち、このＺｎＯの材料に起因する分極の偏りをドレスト光子に帯びさせる。この材料起因の分極を受けてドレスト光子自体も分極が大きく変化し、該ドレスト光子から再び変換された伝搬光について偏光方向を変化させることが可能となる。

なお、上述した構成からなる本発明を適用した光変調器４０によれば外部磁場を使用する必要性も無くなることで、省エネルギー化、省資源化、小コスト化を図ることが可能となる。

また、本発明は、上述した構成からなる光変調器４０として具現化されるものであってもよいし、この光変調器４０の作製方法として具現化されるものであってもよい。更に本発明によれば、光変調器４０の作製から変調動作に至るまでの一連の光変調方法として具現化されるものであってもよいことは勿論である。

１ ｐｎ接合体
１０ 作製装置
１１ ｎ層
１２ 擬似ｐ層
１４ ドーパント
２１ ｐ型半導体
２２ 変調電界印加部
２５ 金属性薄膜
２８ ｐｎ接合面
４０ 光変調器
４１ 電源

Claims (7)

1. ｎ型酸化物半導体基板で構成したｎ層と、上記ｎ型酸化物半導体基板にｐ型ドーパントをインプラントした擬似ｐ層とを形成し、
   順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｎ層及び上記擬似ｐ層に拡散電流を発生させ、
   上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記擬似ｐ層にインプラントしたｐ型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
   上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似ｐ層中のドーパント分布を固定させて当該擬似ｐ層をｐ型酸化物半導体として構成し、
   更に上記ｐ型酸化物半導体に光を伝搬させるとともに、当該光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加することにより、上記光の偏光方向又は伝搬方向を変調すること
   を特徴とする光変調方法。
2. 上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記ｐ型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光を上記擬似ｐ層に対して照射し、
   上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させること
   を特徴とする請求項１記載の光変調方法。
3. 上記伝搬させる光により、上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調すること
   を特徴とする請求項１又は２記載の光変調方法。
4. ｎ型酸化物半導体基板で構成したｎ層と、上記ｎ型酸化物半導体基板にｐ型ドーパントをインプラントした擬似ｐ層とを形成し、
   順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｎ層及び上記擬似ｐ層に拡散電流を発生させ、
   上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記擬似ｐ層にインプラントしたｐ型ドーパントの分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
   上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させ、上記擬似ｐ層中のドーパント分布を固定させて当該擬似ｐ層をｐ型酸化物半導体として構成し、
   更に上記ｐ型酸化物半導体に伝搬させる光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加するための変調電界印加部を設けること
   を特徴とする光変調器の作製方法。
5. 請求項４に記載の酸化物半導体による光変調器の作製方法により作製され、
   上記ｐ型酸化物半導体に伝搬させる変調対象の光の伝搬方向と略垂直方向に変調電界を印加する変調電界印加手段とを備え、
   上記変調電界印加手段は、変調電界を印加することにより、上記変調対象の光の偏光方向又は伝搬方向を変調すること
   を特徴とする光変調器。
6. 上記順方向バイアス電圧の印加時において、上記ｐ型ドーパントのバンドギャップよりも長波長の誘導光が上記擬似ｐ層に対して照射された場合において、上記誘導光と略同一波長からなる光を伝搬させること
   を特徴とする請求項５記載の光変調器。
7. 上記伝搬させる光により、上記変化後のｐ型ドーパントの分布に基づいて近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記伝搬させる光を一時的にドレスト光子に変換することにより伝搬を遅延させつつ、当該ドレスト光子に対して上記変調電界に基づく磁気光学効果を与えることによりその分極を偏らせ、上記ドレスト光子から再び変換した伝搬させる光を変調すること
   を特徴とする請求項５又は６記載の光変調器。

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