JP4603362B2 - 電荷変調領域を有するリング共振器を有する光ビーム変調方法および装置 - Google Patents
電荷変調領域を有するリング共振器を有する光ビーム変調方法および装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、広義には光学装置に関し、詳細には、本発明は、光ビームの変調に関する。
インターネットデータトラフィック成長率が、光通信の必要性を促進する音声トラフィックを凌駕するにつれて、光に基づく高速で効率的な技術の必要性が増えつつある。高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システムおよびギガビット（ＧＢ）イーサネットシステムにおける同一のファイバを通して多重光チャネルを送信すると、ファイバ光学が提供する前例のない容量（信号帯域幅）を使用するのに簡単な方法が得られる。このシステムにおいて使用する共通の光学部品として、複数の波長分割多重（ＷＤＭ）送信機および受信機、複数の回折格子等の光フィルタ、複数の薄膜フィルタ、ファイバブラッグ格子、アレード導波路格子、複数の光ＡＤＤ／ＤＲＯＰマルチプレクサ、複数のレーザおよび複数の光スイッチが含まれる。複数の光スイッチを使用して、複数の光ビームを切り換えることができる。光スイッチの共通に基礎とする２つの型としては、複数の機械スイッチング装置および複数の電気光学スイッング装置がある。
一般的に、複数の機械スイッチング装置は、複数の光ファイバ間の光経路に載置された複数の光構成部品を含む。これらの複数の部品は、移動してスイッチング動作を起こす。
近年、複数のマイクロエレクトロニックメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）が複数の小型機械スイッチに使用されるようになってきた。ＭＥＭＳは、シリコンを基礎としており、いくらか従来のシリコン工程技術を使用して加工されるため、人気がある。しかしながら、ＭＥＭＳ技術は、一般的に物理部品または構成部品の実際の機械的な動きに依存しているため、一般的にＭＥＭＳは、例えば、ミリ秒単位の複数の応答時間を有するアプリケーション等の低速の光アプリケーションに制限される。
近年、複数のマイクロエレクトロニックメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）が複数の小型機械スイッチに使用されるようになってきた。ＭＥＭＳは、シリコンを基礎としており、いくらか従来のシリコン工程技術を使用して加工されるため、人気がある。しかしながら、ＭＥＭＳ技術は、一般的に物理部品または構成部品の実際の機械的な動きに依存しているため、一般的にＭＥＭＳは、例えば、ミリ秒単位の複数の応答時間を有するアプリケーション等の低速の光アプリケーションに制限される。
複数の電気光学スイッチング装置において、１つの装置の選択した複数の部品に複数の電圧を印加して装置内に複数の電界を形成する。複数の電界は、装置内の選択した複数の材料の光学特性を変化させ、その結果電気光学効果がスイッチング動作を起こすことになる。複数の電気光学装置は、典型的には、透光性と電圧依存光挙動とを組み合わせた複数の電気光学材料を利用する。複数の電気光学スイッチング装置に使用された単結晶電気光学材料の典型的な型の１つに、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮＢＯ３）がある。
ニオブ酸リチウムは、ポッケルス効果等の電気光学特性を発現する１つの透過材料である。ポッケルス効果とは、ニオブ酸リチウム等の１つの媒体の屈折率が１つの印加電界によって変化する光学現象のことである。変化したニオブ酸リチウムの屈折率を利用してスイッチングを発生させることができる。外部制御回路系により、印加電界を今日の電気光学スイッチについて得ることができる。
これらの型の複数の装置のスイッチング速度は、例えばナノ秒単位のように、非常に速いが、今日の電気光学スイッチング装置の不利な点のひとつとして、これらの複数の装置は一般的に、光ビームをスイッチするために比較的高電圧を必要とするということがある。その結果、今日の複数の電気光学スイッチを制御するのに使用する複数の外部回路は、通常特別に作製して複数の高電圧を生成し、消費電力量の多さに苦しむことになる。さらに、装置の寸法が微細化し続け、回路密度が増加し続けるにつれて、今日の複数の電気光学スイッチをもつこれら複数の外部高圧制御回路を集積化することが取り組むべき１つの課題となりつつある。
なお、本出願に対応する外国の特許出願においては下記の文献が発見または提出されている。
米国特許出願公開第２００２／００８１０５５号明細書
米国特許出願公開第２００３／００１６９０７号明細書
米国特許出願公開第２００３／００８１０５５号明細書
米国特許出願公開第２００４／００６２４７６号明細書
米国特許第５７５７８３２号明細書
米国特許第６００９１１５号明細書
米国特許第６３４１１８４号明細書
米国特許第６４３８９５４号明細書
米国特許第６４７３５４１号明細書
米国特許第６５０４９７１号明細書
米国特許第６５８４２３９号明細書
米国特許第６７５１３６８号明細書
米国特許第６８３１９３８号明細書
米国特許第６８９５１４８号明細書
国際公開第００／５０９３８号パンフレット
なお、本出願に対応する外国の特許出願においては下記の文献が発見または提出されている。
本発明は、例示によって説明し、添付図に制限されるものではない。
１つの光装置において１つの光ビームを変調する複数の方法および装置を開示する。以下の説明において、本発明の完全な理解に供するため、数多くの具体的な詳細を明らかにする。しかしながら、通常の当業者が本発明を実施するために、具体的な詳細を用いる必要はないことは明らかであろう。他の例において、本発明が阻害されるのを防止するため、周知の複数の材料および方法について詳細には説明していない。
本明細書を通して、「一実施形態」または「１つの実施形態」と言及することは、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造または特性が少なくとも本発明の一実施形態に含まれることを意味する。このように、本明細書を通して、「一実施形態において」または「１つの実施形態において」という句が様々な箇所で現れるが、これは必ずしもすべてが同じ実施形態であることを意味するものではない。さらに、１つ以上の実施形態において、特定の複数の特徴、構造または特性は、どのような適切な方法においても、組み合わせることができる。その上、当然のことながら、ここで提供する複数の図は、通常の当業者に対する説明目的のためのものであり、また複数の図面が等縮尺で作成される必要はない。
本発明の一実施形態において、半導体を基礎とする１つの光装置を、１つの単一集積回路チップ上の完全な集積化した１つの解決法という形で提供する。現在説明している光学装置の一実施形態は、１つのリング共振器に光接続され半導体を基礎とした複数の光導波路を含む。１つの光ビームは、１つの第１導波路を介して導かれる。１つのリング共振器の１つの共振条件に合致する１つの光ビームの１つの波長は、リング共振器内に光接続されている。その後、光ビームのその波長は、１つの第２導波路に光接続され、光学装置から出力する。一実施形態において、リング共振器は、１つの信号に応答して変調される１つの電荷領域を含む。例えば、一実施形態において、リング共振器は、電荷が変調されて１つの光路長またはリング共振器の共振条件を調整する１つのコンデンサ型の構造を含む。当然のことながら、本発明の教示するところにより、他の適切な型の複数の構造を実現し、例えば、逆バイアス型ＰＮ構造等のリング共振器の電荷領域を変調し、リング共振器の電荷領域を変調し、共振条件を変更することが可能である。例えば、他の実施形態によっては、複数の電流注入構造または他の適切な構造を含むことにより、リング共振器を変調して共振条件を変更することができる。本発明の教示するところにより、電荷変調領域をもつリング共振器の共振条件を調整することにより、第２導波路に結合して１つの光学装置から出力される光ビームは、信号に応答して変調される。
説明すると、図１は、本発明の教示するところによる１つの光学装置１０１の一実施形態を全体的に示す図である。一実施形態において、光学装置１０１は、半導体材料１０３に配置された１つの共振条件を有する１つのリング共振器導波路１０７を含む。１つの入力光導波路１０５は、半導体材料１０３内に配置され、リング共振器導波路１０７に光接続される。１つの光導波路１０９は、半導体材料１０３内に配置され、リング共振器導波路１０７に光接続される。一実施形態において、１つの電荷変調領域１２１は、１つの信号１１３に応答して、リング共振器導波路内１０７で変調され、これは信号１１５に応答して調整されるリング共振器導波路１０７の共振条件となる。
一実施形態による動作は以下の通りである。波長λＲを含む１つの光ビーム１１５は、光導路１０５の１つの入力ポート内に導かれるが、これは図１の左下に図示してある。光ビーム１１５は、リング共振器導波路１０７に達するまで光導波路１０５内を伝搬する。
リング共振器導波路１０７の共振条件が波長λＲに一致するときは、光ビーム１１５の波長λＲ部はリング共振器導波路１０７内に徐々に接続される。光ビーム１１５の波長λＲ部分は、リング共振器１０７内を伝播し、徐々に導波路１０９内に接続される。その後、光ビーム１１５の波長ＸＲ部分は、導波路１０９中および導波路１０９の帰還ポートから伝搬するが、これは図１の左上に図示してある。共振器導波路１０７が光ビーム１１５の特定の波長（例えば、λｘまたはλＺ）と共振しない場合、光ビーム１１５のそれらの波長は、リング共振器導波路１０７を通過した導波路１０５を通って、導波路１０９の出力ポートから進行するが、これは図１の右下に図示してある。
リング共振器導波路１０７の共振条件が波長λＲに一致するときは、光ビーム１１５の波長λＲ部はリング共振器導波路１０７内に徐々に接続される。光ビーム１１５の波長λＲ部分は、リング共振器１０７内を伝播し、徐々に導波路１０９内に接続される。その後、光ビーム１１５の波長ＸＲ部分は、導波路１０９中および導波路１０９の帰還ポートから伝搬するが、これは図１の左上に図示してある。共振器導波路１０７が光ビーム１１５の特定の波長（例えば、λｘまたはλＺ）と共振しない場合、光ビーム１１５のそれらの波長は、リング共振器導波路１０７を通過した導波路１０５を通って、導波路１０９の出力ポートから進行するが、これは図１の右下に図示してある。
本発明の一実施形態において、リング共振器導波路１０７の光経路長は、リング共振器導波路１０７の共振条件を変調することにより、調整される。一実施形態において、１つの信号１１３に応答して、リング共振器導波路１０７内の１つの電荷変調領域１２１において自由電荷キャリアを変調することにより、共振条件を変化させる。本発明の教示するところにより、リング共振器導波路１０７の共振条件を変化させることにより、導波路１０９の帰還ポートから出力される光ビーム１１５のλＲ波長を変調する。
一実施例において、電荷変調領域１２１がリング共振器導波路１０７は光経路長を強力に変化させる機能を有するように、リング共振器導波路１０７は設計されている。さらに、リング共振器導波路１０７の一実施形態は、実質的に高い１つの共振および高いＱ係数に特徴があり、実質的に効果的な１つの消光比を提供するのに役立つ。一実施形態において、リング共振器導波路１０７は、半導体材料１０３に配置され、導波路１０５と１０９との間に光接続されて、光ビーム１１５のλＲ波長を変調する複数のリング共振器導波路のひとつである。光ビーム１１５の同じλＲ波長について２個以上のリング共振器導波路を有することにより、本発明の教示するところに従って、改善された１つのＱ比および１つの消光比を実現することができる。本実施形態において、半導体材料１０３内の複数のリング共振器導波路はそれぞれ、各リング共振器導波路内の各電荷変調領域の自由電荷キャリアを変調することにより変調された１つの共振条件を有する。光結合が理想的でない場合、鮮明な画像と引き換えに出力電力が低くなるという関係がある。
図２は、図１中で点線で示したＡ−Ａ’１１１に沿った１つのリング共振器導波路２０７の一実施形態の断面図である。当然のことながら、リング共振器導波路２０７は、図１のリング共振器導波路１０７に対応することができる。図２に示すように、リング共振器導波路２０７の一実施形態は、半導体材料の２つの層２０３と２０４との間に配置された１つの絶縁体層２２３を含む１つのリブ導波路である。
図示した実施形態において、複数の導体２２９を介して１つの信号２１３が半導体材料層２０４に印加される。図２に示すように、一実施形態において、光ビーム２１５の光経路の外側のリブ導波路のスラブ領域２２７の「複数の上部コーナー」において、複数の導体２２９は半導体材料２０４に接続されている。半導体材料層２０４がｐ型ドーピングを含み、半導体材料層２０３がｎ型ドーピングを含み、また、リング共振器導波路２０７が蓄積モードで作動するものと仮定すると、図に示すように、変調電荷領域２２１の正負の電荷キャリアが絶縁体層２２３に近接した複数の領域内に掃引きされる。
当然のことながら、本発明の教示するところにより、半導体材料層２０３，２０４の極性および濃度は、修正または調整することができ、および／またはリング共振器導波路２０７は他の複数のモード（例えば、逆モードまたは消去モード）で作動する。さらに、当然のことながら、本発明の教示するところにより、複数の電圧値の複数の変化範囲は、絶縁体材料２２３に近接する複数の変調電荷領域２２１を実現するように、複数の半導体２２９に渡って信号２１３を利用することができる。
図２におけるリング共振器導波路２０７の断面は、リング共振器導波路２０７を介して方向付けられるにように、光ビーム２１５の強度分布を示す。一実施例において、光ビーム２１５は、１３１０または１５５０ナノメートル等を中心とする複数の波長を含む赤外線または近赤外線を含む。当然のことながら、本発明の教示するところにより、光ビーム２１５は、電磁スペクトルの他の複数の波長を含むことができる。
前に説明したように、リング共振器導波路２０７の一実施形態は、１つのリブ領域２２５およびスラブ領域２２７を含む１つのリブ導波路である。図示した実施形態において、絶縁体層２２３はリング導波路２０７のスラブ領域２７に配置されている。また、図２の実施形態は、光ビーム２１５の強度分布が光ビーム２１５の一部が１つのリブ領域を介してリング共振器導波路２０７に伝播されるほどであり、また、光ビーム２１５の他の一部が１つのリブ領域２２５の一部を介してリング共振器導波路２２７の外部に伝播されるほどであり、光ビーム２１５の他の一部がスラブ領域２２７の一部を介してリング共振器２０７の内部へ伝播するほどであることを示している。さらに、光ビーム２１５の伝播光モードの強度は、スラブ領域２２７の「サイド」はもちろんのこと、リブ領域２２５の「複数の上部コーナー」において、徐々に縮小する。
一実施形態において、半導体材料層２０３、２０４は、シリコン、ポリシリコンまたは光ビーム２１５に対して少なくとも部分的に透過性を有する他の適切な材料を含む。例えば、当然のことながら、他の実施形態では、半導体材料層２０３、２０４は、例えばＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含むことができる。一実施形態において、絶縁体層２２３は、例えば、酸化シリコン等の１つの酸化材料または他の適切な材料を含む。
一実施形態において、半導体材料層２０３、２０４はそれぞれ、複数の信号２１３電圧に応答してバイアスされ、複数の自由電子キャリア領域２２１の濃度を変調する。図２に示すように、光ビーム２１５は、光ビーム２１５が複数の変調電荷領域２２１を介して方向付けられるように、リング共振器導波路２０７を介して方向付けられる。複数の変調電荷領域２２１内の変調電荷濃度の変調の１つの結果として、複数の変調電荷領域２２１および／または信号２１３に応答して、光ビーム２１５の位相が変調される。
一実施形態において、半導体材料層２０３、２０４は不純物添加され、例えば、電子、正孔またはそれらの組み合わせ等の複数の自由電荷キャリアを含む。一実施形態において、複数の自由電荷キャリアは、変調電荷領域２１５を介して通過したとき、光ビーム２１５を減衰させる。特に、光ビーム２１５のいくらかを自由電荷キャリアエネルギーに変換することにより、複数の変調電荷領域２１５の複数の自由電荷キャリアは光ビーム２１５を減衰させる。
一実施形態において、複数の変調電荷領域２１５を通過する光ビーム２１５の位相は、信号２１３に応答して変調される。一実施形態において、変調電荷領域２１５の複数の自由電荷キャリアを介して通過する光ビーム２１５の位相は、プラズマ光効果により変調される。プラズマ光効果は、光電界ベクトルと光ビーム２１５の光経路に沿って存在することのできる複数の自由電荷キャリアとの相互作用によって発生する。光ビーム２１５の電界は、複数の自由電荷キャリアを偏光し、これにより媒体の局部誘電率を効果的に撹乱する。この結果、次に光波の伝播速度が混乱することになり、屈折率はその媒体中の真空中における単なる光の速度の率に過ぎないので、その後、光の屈折率が混乱する。それ故、リング共振器導波路２０７の屈折率は、変調電荷領域２１５に応答して変調される。リング共振器導波路２０７の変調屈折率は、リング共振器導波路２０７中を伝播する光ビーム２１５の位相と対応して変調する。さらに、複数の自由電子キャリアは、この領域で加速され、光エネルギーを使い果たすにつれて光領域の吸収につながる。一般的に、屈折率の減退は、速度の変化を引き起こす部分である実数部と複数の自由電子吸収に関する虚数部をもつ１つの複素数である。光波長をλ、屈折率変化をΔｎ、相互作用長をＬとしたとき、移相量φは以下の式で与えられる。
シリコンにおけるプラズマ効果の場合、電子（ΔＮｅ）および正孔（ΔＮｈ）濃度変化による屈折率変化Δｎは、以下の式で与えられる。
このとき、Ｎ０はシリコンの名目上の屈折率、ｅは電子の電荷、ｃは光の速度、ε０は自由空間の透過率、ｍｅ ＊およびｍｈ ＊はそれぞれ電子および正孔、ｂｅおよびｂｈは適合パラメータである。光ビーム２１５の光経路に導入される電荷量は、半導体材料およびリング共振器導波路２０７で使用される絶縁材料の層数に伴って増加する。電荷の総数は以下の式で与えられる。
このとき、Ｑは総電荷量、σは表面電荷濃度、Ｓは光ビーム２１５が方向付けられるすべての変調電荷領域２１５の総表面積である。
このように、複数の変調電荷領域２１５の位相における複数の自由電荷キャリアの変調が、屈折率を変化させ、これは光ビーム２１５を移動させ、これによりリング共振器導波路２０７の光経路長および共振条件を変化させる。一実施形態において、信号２１３を実行して、１つの電圧を印加し、リング共振器導波路２０７を光ビーム２１５のλＲ波長と共振させることができる。一実施形態において、信号２１３を実行して、１つの電圧を印加し、リング共振器導波路２０７を光ビーム２１５のλＲ波長と共振から外すことができる。
当然のことながら、複数の変調電荷領域２１５の複数の自由電荷キャリアを変調することにより、リング共振器導波路２０７の共振条件を、本発明の教示するところにより高速に変調する。それ故、本発明の教示するところによる実施形態に基づく複数の光スイッチング構造は、例えば、約２．５Ｇｂｐｓ以上の複数のスイッチング速度を有する１つの高速変調器のように高速である。これは、熱効果に基づいて調整される複数の低速スイッチングリング共振器と好適に比較できる。さらに、本発明の複数の実施形態は今日の相補金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）互換製造技術を使用して実現できるため、本発明の複数の実施形態は、同一のダイまたはチップ上の駆動電子回路をもつ高密度集積ばかりでなく、他の技術よりも実質的に安価にすることができる。さらに、本発明の複数の実施形態の設計上の性質により、この性質の複数の光学装置は、例えば、複数のアレード導波路格子（ＡＷＧ）構造などを使用して、今日の光変調器技術と比較して寸法がより小さい少なくとも２つの大きさの複数の順序であることができる。
当然のことながら、図２は、１つのコンデンサ型構造を使用してリング共振器導波路２０７における複数の自由電荷キャリアを変調する本発明の実施形態による１つの例を示す。本発明の他の複数の実施形態において、他の複数の構造を使用してリング共振器導波路２０７の複数の自由電荷キャリアを変調することができる。例えば、逆方向または順方向にバイアスされた１つのＰＮダイオード構造に含まれる１つのリング共振器導波路２０７を使用して、共振条件を調整する複数の自由電荷キャリアを変調することができる。他の適切な複数の実施形態は、光ビーム２１５が方向付けられるリング共振器２０７への複数の注入電流および自由電荷を含むことができる。
図３は、本発明の教示するところによる１つの光学装置を介した１つの光ビームの共振状態または位相変位に関連する光スループットまたは送信電力を示す１つのダイアグラム３０１である。一実施形態において、ダイアグラム３０１は、図１の光学装置１０１による１つの光学装置または図２による１つのリング共振器導波路２０７を示す。特に、ダイアグラム３０１は、リング共振器の共振条件が変化するにつれて、１つの特定の波長λＲの送信電力がどのように変化するかを示す。図示のように、軌跡３０３は、位相変位がないときの略６、１３、１９ラジアンのときに最低送信電力が発生することを示す。しかしながら、１つの光学装置の１つの実施形態による１つの追加の位相変位により、軌跡３０５は、略４、１０、１７ラジアンで最小送信電力が発生することを示す。実際には、複数の変調電荷領域の複数の自由電荷キャリアを変調することによりリング共振器位相を変位して共振条件を変化させると、本発明の教示するところによる１つの光ビームを変調することができる。
図４は、図１の破線Ａ−Ａ’１１１に沿った１つのリング共振器導波路４０７の他の実施形態の断面図である。当然のことながら、リング共振器導波路４０７は、図１のリング共振器導波路１０７の実施形態にも対応することができ、図２のリング共振器導波路２０７の１つの代替実施形態として使用することができる。図４に図示した実施形態において、リング共振器導波路４０７は、複数の半導体材料層４０３と４０４との間に配置された１つの絶縁体層４２３を含む１つのリブ導波路である。
図示した実施形態において、リング共振器導波路４０７は、リング共振器導波路４０７のスラブ領域４２７の代わりにリブ領域に絶縁体層４２５に絶縁体層４２３を配置してあるという点を除いて、図２のリング共振器導波路４０２と同様である。複数の導体４２９を介して、１つの信号４１３を半導体材料層４０４に印加する。図４に示すように、一実施形態において、光ビーム４１５の光経路の外側のリブ導波路のリブ領域４２５の「複数の上部コーナー」において、複数の導体４２９は半導体材料層４０４に接続している。半導体材料層４０４がｐ型ドーピングを含み、半導体材料層４０３がｎ型ドーピングを含み、リング共振器導波路４０７が蓄積モードで作動するものと仮定すると、複数の変調電荷領域４２１の複数のプラスおよびマイナス電荷は、図示のように、絶縁体層４２３の複数の近傍領域に掃引きされる。
当然のことながら、本発明の教示するところにより、極性のドーピングおよび複数の半導体材料層４０３、４０４の濃度は修正または調整することができ、および／またはリング共振器導波路４０７を他のモード（例えば、逆性または削除）で作動させることができる。その上、当然のことながら、本発明の教示するところにより、絶縁体層４２３に近接した複数の変調電荷領域４２１を実現するように、複数の導電体４２９を横切る信号４１３について複数の電圧値の変動範囲を利用することができる。
一実施形態において、複数の半導体材料層４０３、４０４はそれぞれ、複数の信号４１３の電圧に応答してバイアスされ、複数の変調電荷領域４２１における複数の自由電荷キャリアの濃度を変調する。図４に示すように、光ビーム４１５が複数の変調電荷領域４２１を介して方向付けられるように、光ビーム４１５はリング共振器導波路４０７を介して方向付けられる。複数の変調電荷領域４２１における変調電荷濃度の結果として、電荷ビーム４１５の位相は複数の変調電荷領域４２１および／または信号４１３に応答して変調される。このように、複数の変調電荷領域４１５の複数の自由電荷キャリアは屈折率を変化させ、これは光ビーム４１５を位相変位させることにより、リング共振器導波路４０７の光経路幅および共振条件を変更する。
図５は、図１における破線Ａ−Ａ’１１１に沿った１つのリング導波路５０７のさらに他の実施形形態の１つの断面図である。
当然のことながら、リング共振器導波路５０７は、図１のリング共振器導波路１０７の１つの実施形態に対応させることもでき、代替の実施形態として利用することができ、図２のリング共振器導波路２０７または図４のリング共振器導波路４０７に対応させることもできる。図５に図示した実施形態において、リング共振器導波路５０７は、半導体材料の２層５０３と５０４との間に配置された１つの絶縁体層５２３を含む１つの導波路である。
当然のことながら、リング共振器導波路５０７は、図１のリング共振器導波路１０７の１つの実施形態に対応させることもでき、代替の実施形態として利用することができ、図２のリング共振器導波路２０７または図４のリング共振器導波路４０７に対応させることもできる。図５に図示した実施形態において、リング共振器導波路５０７は、半導体材料の２層５０３と５０４との間に配置された１つの絶縁体層５２３を含む１つの導波路である。
図示した実施形態において、リング共振器導波路５０７が１つのリブ導波路でなくストリップ導波路であることを除いて、リング共振器導波５０７は、図２のリング共振器導波路２０７または図４のリング共振器導波路４０７と同様である。複数の導体５２９を介して、１つの信号５１３を半導体材料層５０４に印加する。図５に示すように、一実施形態において、光ビーム５１５の光経路の外側のストリップ導波路の「複数の上部コーナー」において、複数の導体５２９は半導体材料層５０４に接続している。半導体材料層５０４がｐ型ドーピングを含み、半導体材料層５０３がｎ型ドーピングを含み、リング共振器導波路５０７が蓄積モードで作動するものと仮定すると、複数の変調電荷領域５２１の複数のプラスおよびマイナス電荷キャリアは、図示のように、絶縁体５２３の複数の近傍領域に掃引きされる。
当然のことながら、本発明の教示するところにより、複数の極性のドーピングおよび複数の半導体材料層５０３、５０４の濃度は修正または調整することができ、および／またはリング共振器導波路５０７を複数の他のモード（例えば、逆性または削除）で作動させることができる。その上、当然のことながら、本発明の教示するところにより、絶縁体層５２３に近接した複数の変調電荷領域５２１を実現するように、複数の導電体５２９を横切る信号５１３について複数の電圧値の複数の変動範囲を利用することができる。
一実施形態において、複数の半導体材料層５０３、５０４はそれぞれ、複数の信号５１３の電圧に応答してバイアスされ、複数の変調電荷領域５２１における複数の自由電荷キャリアの濃度を変調する。図５に示すように、光ビーム５１５が複数の変調電荷領域５２１を介して方向付けられるように、光ビーム５１５はリング共振器導波路５０７を介して方向付けられる。複数の変調電荷領域５２１における変調電荷集中の結果として、電荷ビーム５１５の位相は複数の変調電荷領域５２１および／または信号５１３に応答して変調される。このように、複数の変調電荷領域５１５の複数の自由電荷キャリアは屈折率を変化させ、これは光ビーム５１５を位相変位させることにより、光経路幅およびリング共振器導波路５０７の共振条件を変更する。
複数の説明目的のため、リング共振器導波路の説明を、「複数の水平構造」により変調される複数の変調電荷領域により、上記のように行ったので留意されたい。例えば、それぞれの複数の導波路に関する１つの「水平」方向により、複数の絶縁体層２２３、４２３、５２３を複数の図２，４、５に図示する。当然のことながら、他の複数の実施例において、他の複数の構造を使用して、本発明の教示するところによる複数の電荷変調領域の電荷を変調することができる。例えば、他の複数の実施形態において、複数のトレンチコンデンサ型構造等の複数の「垂直」型構造を１つのリング共振器に沿って配置して複数の電荷変調領域の電荷を変調し、複数のリング共振器の共振条件を調整することができる。このような１つの実施形態において、１つの単一ロングトレンチコンデンサ型構造を本発明の教示するところによるリング共振器に沿った半導体材料に配置することができる。
図６は、本発明の教示するところによる半導体材料における複数のリング共振器および複数の導波路を含む１つの光学装置６０１の一実施形態を全体的に示す図である。一実施形態において、光学装置６０１は、それぞれが共振条件を有し、半導体材料６０３に配置された複数のリング共振器導波路６０７Ａ，６０７Ｂ，６０７Ｃ、６０７Ｄを含む。当然のことながら、図６において、１つの光学装置６０１は４個のリング共振器導波路を有して説明してあるが、光学装置６０１は、より多くのまたは少ない数のリング共振器導波路を含むことができ、本発明の教示するところにより、使用することができる。
図示した実施形態に示すように、１つの入力光導波路６０５を半導体材料６０３に配置し、複数のリング共振器導波路６０７Ａ、６０７Ｂ，６０７Ｃ，６０７Ｄのそれぞれに光接続する。一実施形態において、複数のリング共振器導波路６０７Ａ、６０７Ｂ，６０７Ｃ、６０７Ｄはそれぞれ、光導波路６０５からの１つの特定の波長λを受信する異なる１つの共振条件を有するように設計されている。また図示した実施形態におけるように、複数のリング共振器導波路６０７Ａ、６０７Ｂ，６０７Ｃ、６０７Ｄはそれぞれ、半導体材料６０３に配置された複数の出力光導波路の各１個に光接続されている。例えば、図６は、複数の出力光導波路６０９Ａ、６０９Ｂ、６０９Ｃ、６０９Ｄは、半導体材料６０３に配置され、各リング共振器導波路６０７Ａ，６０７Ｂ、６０７Ｃ、６０７Ｄにそれぞれ光接続されている。
一実施形態において、１つの各電荷変調領域は、１つの各信号６１３Ａ、６１３Ｂ、６１３Ｃ、６１３Ｄに応答して、各リング共振器導波路６０７Ａ、６０７Ｂ、６０７Ｃ、６０７Ｄ内で変調され、信号６１３Ａ、６１３Ｂ、６１３Ｃまたは６１３Ｄに応答して調整される各リング共振器導波路６０７Ａ、６０７Ｂ、６０７Ｃ、６０７Ｄにおける複数の共振条件となる。
一実施形態において、リング共振器導波路６０７Ａは、信号に応答して駆動され、波長Ｋ１を有する共振になるようにまたは該共振から外れるように設計されており、リング共振器導波路６０７Ｂは、信号に応答して駆動され、波長１を有する共振になるようにまたは該共振から外れるように設計されており、リング共振器導波路６０７Ｃは、信号に応答して駆動され、波長３を有する共振になるようにまたは該共振から外れるように設計されており、リング共振器導波路６０７Ｄは、信号に応答して駆動され、波長４を有する共振になるようにまたは該共振から外れるように設計されている。
一実施形態による動作は以下の通りである。例えばλ１、λ２、λ３，λ４等の複数の波長を含む１つの光ビーム６１５は、光導波路６０５の１つの入力ポートに方向付けられるが、これは図６の左下に示してある。それ故当然のことながら、光ビーム６１５は、各波長λＩ、λ２、λ３，λ４が１つの個々のチャネルに対応する１つのＷＤＭ、ＤＷＤＭ等に使用される１つの光通信ビームとすることができる。光ビーム６１５は、光導波路６０５を介してリング共振器導波路６０７に至るまで伝播する。
リング共振器導波路６０７Ａの共振条件が波長λ１に一致する場合、光ビーム６１５のλ１波長部分は、リング共振器導波路６０７Ａに徐々に接続される。光ビーム６１５の複数の残存波長または複数の残存部分は、光導波路６０５を介して継続する。λ１すなわち光ビーム６１５の波長部分は、リング共振器導波路６０７Ａを通って伝播し、導波路６０９Ａに徐々に接続される。その後、光ビーム６１５の波長λ１部分は、導波路６０９Ａを通って導波路６０９Ａの帰還ポートから伝播するが、これは図６の右上に図示する。
同様に、リング共振器導波路６０７Ｂの共振条件が波長λ２に一致する場合、光ビーム６１５のλ２波長部分は、リング共振器導波路６０７Ｂに徐々に接続され、その後これは導波路６０２に徐々に接合され、導波路６０９Ｂの帰還ポートから方向付けられる。同様の動作が、複数の波長λ３およびλ４に関して発生する。光ビーム６１５における残存波長（例えば、λＸおよびλＹ）はどれも、複数のリング共振器６０７Ａ、６０７Ｂ，６０７Ｃ、６０７Ｄを通過し、光導波路６０３の出力ポートから出力するが、これは図６の右下に示してある。
それ故、一実施形態において、信号Ａ６１３Ａを使用して、λ１を個々に変調することができ、複数の信号Ｂ６１３Ｂを使用して、λ２を個々に変調することができ、信号Ｃ６１３Ｃを使用して、λ３を個々に変調することができ、信号Ｃ６１３Ｃを使用して、λ４を個々に変調することができる。その後、光ビーム６１５の変調部分は、複数の帰還ポート６０９Ａ，６０９Ｂ，６０９Ｃ、６０９Ｄで出力するが、これは図６の右上隅に示してある。一実施形態において、出力光導波路６０９Ａ、６０９Ｂ、６０複数のＣ，６０９Ｄの複数の帰還ポートは、選択的に再構成または多重化することができ、その中を搬送されて単一光ビームに至る複数の光ビームを再構成する。
図７は、本発明の複数の実施形態による１つの光学装置とともに１つの光送信機および１つの光受信機を含み、光送信機から光受信機へ方向付けられる１つの光ビームを変調する１つのシステムの一実施形態を示す１つのブロック図である。特に、図７は、１つの光送信機７０３と１つの光受信機７０７を含む光システム７０１を示す。一実施形態において、光システム７０１は、光送信機７０３と光受信機７０７との間に接続された１つの光学装置７０５をも含む。図７に示すように、光送信器７０３は、光学装置７０５によって受信される１つの光ビーム７０９を送信する。一実施形態において、１つの光学装置７０５は、本発明の教示するところによる１つの共振条件を有する１つのリング共振器を含む１つの光変調器を含むことができる。例えば、一実施形態において、光学装置７０５は、図１−６に関して上記説明した光学装置のいずれかを含んで、光ビーム７０９を変調することができる。図示した実施形態に示すように、光学装置７０５は、信号７１３に応答して光ビーム７０９を変調する。図示した実施形態に示すように、その後変調光ビーム７０９は、光学装置７０５から光受信機７０７に方向付けられる。
前述の詳細な説明において、その特定の複数の例示的実施形態を参照して本発明の方法および装置を説明してきた。しかしながら、本発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく、複数の種々の修正および変更を本発明に対して加えることができることは明らかである。従って、複数の明細および図面は、限定的なものではなく、例示的なものである。
Claims (21)
- 半導体材料に配置された、共振条件を有するリング共振器と、
前記リング共振器に光接続された、半導体材料に配置された入力光導波路と、
前記リング共振器に光接続された、半導体材料に配置された出力光導波路と、
前記リング共振器に配置された、前記リング共振器の共振条件を調整するべく変調を受ける電荷変調領域と
を備え、
前記リング共振器は、
ｐ型ドーピングを含む第１半導体層、
ｎ型ドーピングを含む第２半導体層、および
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された絶縁体層
を含み、
前記電荷変調領域は、前記第１半導体層および前記第２半導体層の自由電荷キャリアによって形成される、装置。 - 前記リング共振器の共振条件に合う光ビームの波長が、前記リング共振器を介して、前記入力光導波路から前記出力光導波路に方向付けられる、請求項１に記載の装置。
- 前記第１半導体層と、前記絶縁体層と、前記第２半導体層とは、前記リング共振器に配置された前記電荷変調領域を変調する容量性構造を形成する、請求項１に記載の装置。
- 前記第１半導体層または前記第２半導体層は、変調信号を受信するように接続され、前記電荷変調領域は、前記変調信号に応じて変調を受ける、請求項３に記載の装置。
- 前記リング共振器は、前記半導体材料に配置された複数のリング共振器の１つであり、
前記複数のリング共振器はそれぞれ、前記入力光導波路を通る光ビームの異なる波長に合う、異なる共振条件を有し、前記入力光導波路に光接続される、請求項１に記載の装置。 - 前記出力光導波路は、前記半導体材料に配置された複数の出力光導波路の１つであり、前記複数のリング共振器はそれぞれ、前記複数の出力光導波路のうちの対応する１つと光接続される、請求項５に記載の装置。
- 前記複数のリング共振器はそれぞれ、複数の電荷変調領域のうちの対応する１つを含み、
前記複数の電荷変調領域はそれぞれ変調を受けて、前記複数のリング共振器それぞれの異なる共振条件を調整する、請求項５に記載の装置。 - 前記リング共振器は、前記入力光導波路と前記出力光導波路との間に光接続された前記半導体材料に配置された複数のリング共振器の１つである、請求項１に記載の装置。
- 前記複数のリング共振器の複数の共振条件は同じ共振条件となるように変調を受けて、前記複数のリング共振器の前記共振条件に合う光ビームの波長が、前記複数のリング共振器を介して、前記入力光導波路から前記出力光導波路へ方向付けられる、請求項８に記載の装置。
- 前記複数のリング共振器の共振条件に合う光ビームの波長は、前記複数のリング共振器の、変調された前記複数の共振条件に応じて変調される、請求項９に記載の装置。
- 半導体材料に配置された入力光導波路に光ビームを方向付ける段階と、
前記入力光導波路に近接した前記半導体材料に配置されたリング共振器に配置された電荷変調領域を変調して前記リング共振器の共振条件を調整する段階と、
前記リング共振器を光接続して、前記共振条件に合う前記光ビームの波長を前記入力光導波路から受信する段階と、
前記リング共振器に近接した前記半導体材料に配置された出力光導波路へ、前記共振条件に合う前記光ビームであって前記電荷変調領域に応じて変調される前記光ビームの前記波長を前記リング共振器から方向付ける段階と
を備え、
前記リング共振器は、
ｐ型ドーピングを含む第１半導体層、
ｎ型ドーピングを含む第２半導体層、および
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された絶縁体層
を含み、
前記電荷変調領域は、前記第１半導体層および前記第２半導体層の自由電荷キャリアによって形成される、方法。 - 前記電荷変調領域を変調する段階は、変調信号により、前記電荷変調領域を前記光ビームの波長と共振すべく駆動する段階を備える、請求項１１に記載の方法。
- 前記電荷変調領域を変調する段階は、変調信号により、前記電荷変調領域を前記光ビームの波長との共振から外れるべく駆動する段階を備える、請求項１１に記載の方法。
- 前記電荷変調領域を変調する段階は、前記絶縁体層に近接した電荷を変調する段階を備える、請求項１１に記載の方法。
- 前記リング共振器に配置された電荷変調領域を変調する段階は、前記リング共振器の屈折率を変調する段階を備える、請求項１１に記載の方法。
- 前記リング共振器に配置された前記電荷変調領域を変調する段階は、前記リング共振器における前記光ビームの波長の位相を変調することを含む、請求項１１に記載の方法。
- 光ビームを送信する光送信機と、
前記光送信機に光接続されて前記光ビームを受信する光学装置と
を備え、
前記光学装置は、
前記光ビームを受信するべく光接続された、半導体材料に配置された入力光導波路と、
前記半導体材料に配置された、共振条件を有するリング共振器であって、前記入力光導波路に光接続されたリング共振器と、
前記リング共振器に光接続された、前記半導体材料に配置された出力光導波路と、
前記リング共振器に配置された電荷変調領域と
を備え、
前記リング共振器は、
ｐ型ドーピングを含む第１半導体層、
ｎ型ドーピングを含む第２半導体層、および
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された絶縁体層
を含み、
前記電荷変調領域は、前記リング共振器の共振条件を調整するべく変調を受けて、前記リング共振器の共振条件に合う光ビームの波長が、前記リング共振器を介して、前記入力光導波路から前記出力光導波路に方向付けられ、前記第１半導体層および前記第２半導体層の自由電荷キャリアによって形成される、システム。 - 前記出力光導波路に光接続されて、前記リング共振器の前記共振条件に合う前記光ビームの前記波長を受信する１つの光受信機であって、前記光ビームの前記波長が前記電荷変調領域に応じて変調される、請求項１７に記載のシステム。
- 前記第１半導体層と、前記絶縁体層と、前記第２半導体層とは、前記リング共振器に配置された前記電荷変調領域を変調する容量性構造を形成する、請求項１７記載のシステム。
- 前記リング共振器は、リブ領域とスラブ領域とを含むリブ導波路である、請求項１に記載の装置。
- 前記変調信号に応じて、正および負の電荷キャリアが前記絶縁体層に近接した領域内に掃引される、請求項４に記載の装置。
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