説明

高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法

【課題】小型化、動作速度の高速化、低電圧化を同時に図ることができる光変調器を、フォトニック結晶共振器にPIN構造を作製してキャリアを高速に共振器の外に引き出す。
【解決手段】本発明は、フォトニック結晶共振器を用いたスイッチ素子において、フォトニック結晶基板中に、共振器部位を挟んで対向する領域に電極領域を設け、共振器に発生させた二光子吸収キャリアを、電極領域に電界を印加して引き抜くことにより、該共振器のキャリアを、拡散によって散逸するよりも早く除去する。また、フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子において、フォトニック結晶基板中で、導波路を挟んだ所定の領域に電極領域を設け、電極領域に挟まれた導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを、電界印加によって拡散より早く導波路から引き抜き、除去する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法に係り、特に、光通信や光信号処理回路で用いられる、光のON及びOFFを制御できる集積可能な光変調器を高速化させるための高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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呼ぶ。2次元フォトニック結晶の一つに、Si,Ge,GaAs,AlAs,SiC,InP,InAs,GaP,GaN,AlN,ZnSe,ZnOや、これらの混晶等の屈折率の高い半導体材料の薄膜に周期的に空気穴を空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。
【0003】
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。これを利用すると、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。
【0004】
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。
【0005】
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。この例として、光の閉じ込めの度合いを示すQ値が120万の共振器がある(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)。ここではλは光の波長、nはシリコンの屈折率である。
【0006】
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観測されない光学非線形性が容易に得られるようになる。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、特に、二光子吸収はシリコンでは、1550nm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重要である。
【0007】
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11は、入出力導波路101とフォトニック結晶共振器102が結合した2次元フォトニック結晶共鳴トンネルフィルタ共振器の鳥瞰図である。同図に示す共鳴トンネルフィルタでは共振器102の共鳴波長のみが反対側の導波路に伝播することができる。
【0008】
図12は、共鳴トンネルフィルタの透過スペクトルの例である。
【0009】
同図に示すように、二つの共鳴モードを持つフォトニック結晶共振器の共鳴波長の一つをModeC、他方をModeSと呼ぶ。ModeSに共鳴する波長の信号光をS、わずかに短波長ずらした波長の信号光をSとして、それぞれフォトニック検証導波路に入力すると、Sは高透過率で反対側のフォトニック結晶導波路に出力させる。ここで、ModeCの波長の制御パルスをデバイスに入射すると、二光子吸収キャリアによるプラズマ分散効果によって、シリコンの屈折率が低下し、ModeSの共鳴波長が短波長側にシフトする。このときに、Sの波長の光は透過率が下がり、Sの波長の光は透過率が上がる。キャリアがデバイス中に存在しなくなると、ModeSの波長は元の位置に戻るため、再びSの透過率が上がり、Sは下がる。
【0010】
これを利用すると、全光スイッチが実現できる(例えば、非特許文献2参照)。実際に図13に示す100fJの低エネルギーで動作する全光スイッチが実現されている。本スイッチのスイッチング回復時間はキャリアが共振器の中に存在しなくなる有効キャリア緩和時間によって決まり、シリコンフォトニック結晶微小光共振器を用いた場合、その値は約80ps程度である。有効キャリア緩和時間を短くすることが可能であれば、スイッチングの更なる高速化が可能である。
【0011】
以下に、第1の従来のスイッチング素子について説明する。
【0012】
光通信や光信号処理回路においては、光の経路やON/OFFを制御するために、ある波長の光に対する透過率を高速に変化させることのできる素子が必要である。これまで、SOI(Silicon On Insulator)基板上にリング状にリブ型導波路を形成することで共振器を構成し、共振器の共鳴波長を変化させることで、所望の光の波長の透過率を変化させるマイクロリング共振器において、半導体であるコア部分とP型半導体とN型半導体を持つリブを形成したPIN構造がある(例えば、非特許文献3参照)。
【0013】
更に、この構造に逆方向電圧をかけることで、キャリアをリブ部に引き抜き、共鳴波長の変化を回復させる方法がある(例えば、非特許文献4参照)。このPIN構造付マイクロリング共振器の構造を図14に示す。
【0014】
次に、第2の従来のスイッチング素子について説明する。
【0015】
シリコン等の高屈折率材料と空気などの低屈折率材料の周期構造をスラブ方向に形成した、二次元フォトニック結晶は光の閉じ込めが非常に強いため、小さなサイズで素子を作成することができる。周期構造の一部を線状に崩すことによってコアを形成することができ、コア部分のフォトニック結晶導波路の両側のクラッド部分のフォトニック結晶領域にP型半導体とN型半導体を形成し、順方向に電流を流すことによってキャリアを注入可能な構造がある(例えば、特許文献1参照)。このような構造を図15に示す。この構造は、PIN付2次元フォトニック結晶200の両端に電極212を設け、スラブ204に導波路108と空気穴206を設けたものであり、フォトニック結晶導波路の熱光学効果の制御やキャリア注入による電機光変調器の実現を目的としている。
【特許文献1】United States Patent, Pub. No.:US2005/0084195A1, Pub. Date: Apr. 21.2005
【非特許文献1】T. Tanabe, M. Notomi, E. Kuramochi, A. Shinya, and H. Taniyama, "Trapping and delaying photons for one nanosecond in an ultrasmall high-Q photonic-crystal nanocavity," Nature Photon., Vol. 1, No. 1, 49-52 (2007)
【非特許文献2】T. Tanabe, M. Notomi, A. Shinya, S. Mitsugi, and E. Kuramochi, "All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities," Appl. Phys. Lett., Vol. 87, No. 15, 151112 (2005)
【非特許文献3】Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, and M. Lipson, "Micrometre-scale silicon electro-optic modulator" Nature, Vol. 435, pp. 325-327 (2005)
【非特許文献4】S. Preble, Q. Xu, B. Schmidt, and M. Lipson "Ultrafast all-optical modulation on a silicon chip," Optics Letters, Vol. 30, No. 21, 2891-2893 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
全光スイッチの動作を高速化するためには有効キャリア緩和時間を短くすることが必要である。従来有効キャリア緩和速度は、主にキャリア寿命、表面再結合速度やキャリア拡散定数などの材料パラメータで決まってしまうことが多かった。キャリア緩和速度を短寿命化するためにイオン注入して再結合中心を作ることは可能であるが、光吸収の増加によるデバイスの特性劣化及び熱の発生が増加するためデバイスの動作特性の低下が問題となる。
【0017】
前述の図14に示したリング共振器による光スイッチでは、PIN構造を用いることで高速にキャリアを引き抜くことが可能となっている。しかし、リング径を直径10μmよりも小さくすると、側壁より光が漏洩してしまうために、デバイスサイズをこれ以上小さくすることができない。
【0018】
また、キャリアを効率的に引き抜くためには、リブ部分の高さをコア部分の高さに近づける必要があるが、図14のような構造ではリブ部分の高さがコア部分の高さに近くなると光を閉じ込めることができなくなるため、キャリアの引き抜き速度に制限があり、動作速度の向上に制限があった。さらに、キャリアが発生する箇所とPN領域が直線状に無いため、キャリアを十分に引き抜くには高い電圧をかける必要があった。
【0019】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、小型化、動作速度の高速化、低電圧化を同時に図ることができる光変調器を、フォトニック結晶共振器にPIN構造を作製してキャリアを高速に共振器の外に引き出すことが可能な高速スイッチング素子及びスイッチ高速化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0020】
図1は、本発明の原理構成図である。
【0021】
本発明(請求項1)は、フォトニック結晶共振器を用いたスイッチング素子であって、
フォトニック結晶基板中に、
光を閉じ込める共振器210と、
共振器210を挟んで対向する2つの領域に設けられる電極領域220,230と、
を有する高速スイッチング素子である。
【0022】
また、本発明(請求項2)は、フォトニック結晶は、Si,Ge,GaAs,AlAs,SiC,InP,InAs,GaP,GaN,AlN,ZnSe,ZnOの半導体、または、これらの半導体のうち、いずれか複数の混晶半導体の二次元フォトニック結晶基板であり、
電極領域220,230は、それぞれP型半導体及びN型半導体領域である。
【0023】
また、本発明(請求項3)は、フォトニック結晶共振器を、特定の領域に空気穴を形成しない点欠陥共振器、または、咳空気穴を1列形成しない線欠陥の幅、または、格子定数または接欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した線欠陥共振器とする。
【0024】
本発明(請求項4)は、フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子であって、
所定の導波路位置を挟むフォトニック結晶基板中に、対向する2つの電極領域を設け、
二光子吸収キャリアを拡散するより早く導波路から引き抜き除去するために電極領域に電界を印加する印加手段を有する高速スイッチング素子である。
【0025】
本発明(請求項5)は、フォトニック結晶共振器を用いたスイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるためのスイッチング高速化方法であって、
フォトニック結晶基板中に、共振器部位を挟んで対向する2つの領域に電極領域を設け、
共振器に発生させた二光子吸収キャリアを、電極領域に電界を印加して引き抜くことにより、該共振器のキャリアを、拡散によって散逸するよりも早く除去することで、スイッチング速度を向上させる。
【0026】
本発明(請求項6)は、フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるスイッチング高速化方法であって、
フォトニック結晶基板中で、導波路を挟んだ所定の対向する2つの領域に電極領域を設け、
電極領域に挟まれた導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを、電界印加によって拡散より早く導波路から引き抜き、除去することで、スイッチング速度を向上させる。
【発明の効果】
【0027】
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領域を設置可能である。そのため、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可能である。
【0028】
また、本発明によれば、キャリアが発生するフォトニック結晶共振器部分と、外部電界を印加し、さらに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、キャリアを効率的に共振器の外に掃き出し、スイッチングの高速化をすることが可能である。
【0029】
前述の理由により、キャリアの掃引に必要な印加電界は小さくてもよい。
【0030】
キャリアが共振器外に掃引されるためにスイッチング速度が向上するが、それに加えてキャリアがPN領域に達すると、電極を介して引き抜かれる。結果的に二光子吸収によって生成されたキャリアがデバイスから外部に引き抜かれるために、従来性能劣化の主要因として挙げられていた熱の発生が抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。
【0032】
[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PIN構造を示し、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共振器の構成を示す。
【0033】
共振器10部分は空気穴を一つだけ空けない点欠陥共振器で六重共振器とも呼ぶ。図3は、当該点欠陥六重共振器の上面から見た例である。共振器10の最近接穴(空気穴)40は少し共振器10の外側にずらしてある。共振器10の中央から最近接穴40中央の距離をckとしたときに、ck=1.23aとした。ここでaは、格子定数(フォトニック結晶の低屈折率材料(空気穴)の間隔の距離)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3.2×10が実現できる。また、共振器10の電界分布を図4に示す。
【0034】
基板シリコン70の熱平衡キャリア密度は、1.02×1010cm‐3である。当該共振器10から左右それぞれ±2μm離れた位置にP型及びN型のシリコン領域20,30を作成し、PIN構造を形成する。P領域20及びN領域30のドナー及びアクセプタ濃度は5×1019cm-3とする。
【0035】
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。
【0036】
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)、更に選択的にSiO2をエッチングしてP型シリコン及び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)。
【0037】
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極フォトニック結晶微小光共振器のキャリア分布の時間の変化を示す。
【0038】
図6(a)は、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、1550nm帯の光で本共振器の共鳴波長を‐0.15nmシフトすることが可能であり、スイッチングのコントラストは十分大きくとれる。
【0039】
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)、(c)に示す。8ps(図6(b))及び24ps(図6(c))後にもキャリアが共振器付近に留まっていることがわかり、それが、スイッチング速度を制限していることがわかる。しかし、同時にキャリアが共振器の外側に拡散可能であることもわかり、この結果からキャリアをフォトニック結晶の空気穴をよけながら、共振器外に容易に移動可能であることもわかった。そこで、共振器に外部電界を印加すればキャリアを効率的に共振器の外部に引き抜けることが期待される。
【0040】
図7は、本発明の第1の実施の形態における4μm間隔距離のあるPN間に逆電圧0.5Vを印加した場合の、六重極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である。同図では、上部をP領域、下部をN領域とする。同図において、P領域と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表しており、約8ps(図7(b))でキャリアの大部分が共振器の外に移動している様子が示されている。PIN構造を作製することで、スイッチングが10ps以内に回復できることがわかる。
【0041】
加えて、16ps後(図7(c))にはキャリアの大半がn領域に達しているため、キャリアが熱に変換されデバイスの熱特性が劣化することもなく、発熱抑制が可能となる。
【0042】
なお、フォトニック結晶として、Siに限定されることなく、Ge,GaAs,AlAs,SiC,InP,InAs,Gap,Gan,AlN,ZnSe,ZnOの半導体、または、これらの半導体のうち、いずれか複数の混晶半導体を用いてもよい。
【0043】
[第2の実施の形態]
図8は、本発明の第2の実施の形態におけるD4共振器の共振器モードを示す図である。
【0044】
線欠陥共振器であるD4共振器は、フォトニック結晶中の4つの空気穴を一列空けない領域を造り、共振器を形成する。共振器の両端の穴は、外側にシフトさせ穴径も小さくしている。当該共振器におけるQ値は2.3×10である。
【0045】
図9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付構造の模式図である。上記の第1の実施の形態と同様に、図9で示す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。
【0046】
なお、共振器として、上記の他、空気穴を1列形成しない線欠陥の幅、または、格子定数または、接欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した線欠陥共振器を用いてもよい。
【0047】
[第3の実施の形態]
フォトニック結晶導波路においても、二光子吸収キャリアによるスイッチングが可能である。この場合には、二光子吸収キャリアが生成したことによる自由電子吸収の変化による、信号光の透過率の変化を全光スイッチングとして用いる。このスイッチにおいて動作速度を決めるのはフォトニック結晶導波路から実キャリアがどの程度の速度で消滅するかという点に依存している。そのため、図10に示すようなシリコンフォトニック結晶導波路80の両脇にPN構造(P領域20、N領域30)を形成したPIN構造においても、導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを電界を印加することにより、早く当該導波路から引き抜き除去することで、吸収型スイッチングの高速性が前述の第1の実施の形態と同様の原理にて図られる。
【0048】
上記の第1〜第3の実施の形態によれば、フォトニック結晶共振器80の両脇にP領域20、N領域30の電極領域を設け、電界を印加することで、波長シフトを起こすキャリアを高速で引き抜き、スイッチング速度を高速化させることができる。
【0049】
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。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明は、光通信や光信号処理回路で用いられる全光スイッチに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】本発明の原理構成図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態におけるPIN構造である。
【図3】本発明の第1の実施の形態におけるフォトニック共振器の構成図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態における共振器の電界分布である。
【図5】本発明の第1の実施の形態におけるPIN付Air-bridgeシリコンフォトニック結晶の作成プロセスである。
【図6】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極フォトニック結晶微小共振器のキャリア分布の時間変化を示す図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態における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極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である。
【図8】本発明の第2の実施の形態におけるD4共振器の共振器モードを示す図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態における導波路を結合したD4共振器のPIN付構造の模式図である。
【図10】本発明の第3の実施の形態における導波路PIN構造を示す図である。
【図11】入出力導波路と結合した2次元フォトニック結晶共鳴トンネルフィルタ共振器の鳥瞰図である。
【図12】共鳴トンネルフィルタの透過スペクトルの例である。
【図13】シリコンフォトニック結晶スイッチのスイッチング動作である。
【図14】PIN構造付シリコンマイクロリング共振器の構成図である。
【図15】電気光変調用PIN付2次元フォトニック結晶導波路の構成図である。
【符号の説明】
【0052】
10 共振器
20 p-Si領域
30 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 シリコン
80 シリコンフォトニック結晶導波路
200 PIN付2次元フォトニック結晶
101 フォトニック結晶導波路
102 フォトニック結晶共振器
202A,202B 電極
204 スラブ
212A,212B 電極
206 空気穴
210 フォトニック結晶共振器部位
220 電極領域(P型半導体領域)
230 電極領域(N型半導体領域)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
フォトニック結晶共振器を用いたスイッチング素子であって、
前記フォトニック結晶基板中に、
光を閉じ込める共振器と、
前記共振器を挟んで対向する2つの領域に設けられる電極領域と、
を有することを特徴とする高速スイッチング素子。
【請求項2】
前記フォトニック結晶は、Si,Ge,GaAs,AlAs,SiC,IuP,IuAs,GaP,GaN,AlN,ZnSe,ZnOの半導体、または、これらの半導体のうち、いずれか複数の混晶半導体の二次元フォトニック結晶基板であり、
前記電極領域は、それぞれP型半導体及びN型半導体領域である
請求項1記載の高速スイッチング素子。
【請求項3】
前記フォトニック結晶共振器は、
特定の領域に空気穴を形成しない点欠陥共振器、または、該空気穴を1列形成しない線欠陥の幅、または、格子定数または接欠陥に接する空気穴の穴径を部分的に変調した線欠陥共振器である
請求項1または2記載の高速スイッチ素子。
【請求項4】
フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子であって、
前記所定の導波路位置を挟むフォトニック結晶基板中に、対向する2つの電極領域を設け、
前記二光子吸収キャリアを拡散するより早く前記導波路から引き抜き除去するために前記電極領域に電界を印加する印加手段を有する、
ことを特徴とする高速スイッチング素子。
【請求項5】
フォトニック結晶共振器を用いたスイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるためのスイッチング高速化方法であって、
前記フォトニック結晶基板中に、共振器部位を挟んで対向する2つの領域に電極領域を設け、
前記共振器に発生させた二光子吸収キャリアを、前記電極領域に電界を印加して引き抜くことにより、該共振器のキャリアを、拡散によって散逸するよりも早く除去する
ことを特徴とするスイッチング高速化方法。
【請求項6】
フォトニック結晶導波路の所定の位置に、二光子吸収キャリアを発生させ、該キャリアに起因する自由電子吸収によりスイッチングを行う光スイッチ素子において、スイッチング速度を向上させるスイッチング高速化方法であって、
前記フォトニック結晶基板中で、導波路を挟んだ所定の領域に対向する2つの電極領域を設け、
前記電極領域に挟まれた導波路中に発生させた二光子吸収キャリアを、電界印加によって拡散より早く導波路から引き抜き、除去する
ことを特徴とするスイッチング高速化方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図5】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図4】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2009−237094(P2009−237094A)
【公開日】平成21年10月15日(2009.10.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−81092(P2008−81092)
【出願日】平成20年3月26日(2008.3.26)
【出願人】(000004226)日本電信電話株式会社 (13,992)
【Fターム(参考)】