WO2007141956A1 - 光増幅器 - Google Patents

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WO2007141956A1
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light guide
type semiconductor
semiconductor light
channel
optical amplifier
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PCT/JP2007/058010
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English (en)
French (fr)
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Kazumi Wada
Shiyun Lin
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University of Tokyo NUC
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University of Tokyo NUC
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to an optical amplifier that amplifies light in a part of an optical transmission medium such as optical communication.
  • Conventional Power Optical amplifiers are indispensable elements for on-chip electronic / optical fusion LSIs as well as optical communications. This is one of the most important research areas in silicon phototus.
  • the conventional optical amplifier light passing through the medium is amplified by utilizing stimulated emission in the excited medium.
  • a channel-type semiconductor light guide having electrodes is formed on the substrate, and light is amplified by the interaction between plasmons traveling in the channel-type semiconductor light guide and light propagating in the channel-type semiconductor light guide.
  • optical amplifiers to perform for example, see Patent Document 1) o
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-154047
  • the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide between the electrodes provided on the slab type semiconductor light guide is increased.
  • an optical amplifier includes a substrate, a slab type semiconductor light guide formed on the substrate for propagating light of a predetermined wavelength, and the slab type semiconductor light guide on the slab type semiconductor light guide.
  • a pair of slab-type semiconductor light guides that are provided facing each other in the propagation direction of light propagating in the light guide An electrode, wherein the slab semiconductor light guide has a carrier concentration in the slab semiconductor light guide between the pair of electrodes of the slab semiconductor light guide between the pair of electrodes. It is characterized by being higher than the carrier concentration in other parts excluding the slab type semiconductor light guide.
  • the light wave propagating in the slab type semiconductor light guide and the plasmon traveling in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes are directly resonated. be able to. Therefore, it is possible to amplify broadband light using only one type of carrier, either electron or hole.
  • the plasma frequency of the traveling plasmon can be increased and the amplification coefficient can be improved. Therefore, light can be amplified even in a slab type semiconductor light guide having a wide light guide.
  • a substrate, a slab type semiconductor light guide formed on the substrate for propagating light of a predetermined wavelength, and the slab type semiconductor guide on the slab type semiconductor light guide A pair of electrodes provided facing each other in the propagation direction of light propagating in the optical path;
  • the slab type semiconductor light guide irradiates light of energy higher than the semiconductor band gap of the semiconductor of the slab type semiconductor light guide onto the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes. It is characterized by being.
  • the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes is irradiated only when light is irradiated on the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes. Can be increased.
  • the light wave propagating in the slab type semiconductor light guide and the plasmon traveling in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes can be directly resonated. Therefore, it is possible to amplify broadband light with only one type of carrier, either electron or hole.
  • the slab type semiconductor light guide can function as a normal light guide when light is not irradiated, switching operation is performed on the light passing through the slab type semiconductor light guide by turning on and off other light.
  • the amplification factor can be controlled, and it can also be used as an optical switch for optical control or an optical computing unit.
  • the optical amplifier according to the present invention includes a substrate and a light guide path formed on the substrate, in which two high-concentration portions having opposite polarities propagate light of a predetermined wavelength.
  • a pair of electrodes for applying a voltage is provided.
  • the light wave propagating in the slab type semiconductor light guide and the plasmon traveling in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes can be directly resonated. it can. Therefore, wideband light amplification is possible. Further, by forming a portion with a high carrier concentration in the slab type semiconductor light guide, it is possible to improve the amplification coefficient by increasing the plasma frequency of a plasmon traveling with a high carrier concentration and partial force. Furthermore, since the portions with high carrier concentration have different polarities, carrier movement does not occur depending on the value of the applied voltage. Therefore, it functions as an optical amplifier and can also be used as an optical modulator.
  • the optical amplifier according to the present invention includes a substrate and a light guide path formed on the substrate, the two portions having the same polarity and high carrier concentration propagating light of a predetermined wavelength.
  • the slab-type semiconductor light guide and the slab-type semiconductor light guide have a high carrier concentration and are formed so as to be separated from each other in the light propagation direction so as to sandwich the light propagation path in the light guide.
  • a pair of electrodes for applying a voltage to the portion In the present invention, by applying a voltage between the pair of electrodes, the light wave propagating in the slab type semiconductor light guide and the plasmon traveling in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes can be directly resonated. . Therefore, wideband light amplification is possible.
  • the carrier frequency is high, and the plasma frequency of plasmons traveling from the portion can be increased to improve the amplification coefficient. Furthermore, since the portion with a high carrier concentration is placed so that the light propagation path is sandwiched between them, the semiconductor transfer and the defect concentration on the light propagation path can be lowered to reduce the light absorption by the carrier. .
  • the optical amplifier according to the present invention is a light in a light guide that is formed on a substrate and on which two high-concentration portions having the same polarity propagate light of a predetermined wavelength.
  • Slab-type semiconductors that are formed back and forth along the light propagation direction on the propagation path A body light guide and a pair of electrodes for applying a voltage to the portion of the slab type semiconductor light guide having a high carrier concentration.
  • the light wave propagating in the slab type semiconductor light guide and the plasmon traveling in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes are directly resonated. be able to. Therefore, wideband light amplification is possible.
  • the amplification frequency can be improved by increasing the plasma frequency of plasmons traveling from the portion with a high carrier concentration. Furthermore, since the portion having a high carrier concentration is arranged on the light propagation path so as to be separated back and forth along the light propagation direction, the light movement direction and the carrier movement direction can be matched. Therefore, plasma resonance can be easily generated, the amplification factor can be improved, and the amplifiable band can be widened.
  • the slab type semiconductor light guide has a resonance characteristic in which a dielectric constant periodically changes along a propagation direction of light propagating in the slab type semiconductor light guide.
  • a nick crystal is desirable.
  • the group velocity of light propagating in the slab type semiconductor light guide can be slowed down to approach the carrier velocity. Therefore, it is easier to generate plasma resonance and promotes energy transfer from plasmons traveling in the slab-type semiconductor light guide to light propagating in the slab-type semiconductor light guide, thereby improving the amplification factor and amplifying.
  • the bandwidth can be widened.
  • the photonic crystal includes a portion of the slab semiconductor light guide that has a high carrier concentration and a light propagation path of the slab semiconductor light guide. It is desirable that a plurality of holes are provided on the surface of the slab type semiconductor light guide so as to exclude at least a part of a region common to the carrier moving path of the slab type semiconductor light guide. As a result, it is possible to control the amplification degree by forming a resonator of an arbitrary length in a portion where the resonance between the carrier and the light wave occurs.
  • the substrate has a hollow shape so as to reduce a thickness of at least a lower portion of the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes.
  • the amount of leakage of the evanescent wave propagating in the slab type semiconductor light guide to the substrate can be reduced and the light propagation loss can be reduced.
  • the amplification factor can also be improved.
  • the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide between the electrodes provided on the channel type semiconductor light guide is increased, and the channel type semiconductor light guide itself is photonic.
  • the crystal structure was adopted.
  • the optical amplifier according to the present invention includes a substrate, a channel-type semiconductor light guide formed on the substrate for propagating light of a predetermined wavelength, and the channel-type semiconductor light guide on the channel-type semiconductor light guide.
  • a pair of electrodes facing each other in the propagation direction of light propagating in the channel-type semiconductor light guide, and the channel-type semiconductor light guide is formed of the pair of electrodes of the channel-type semiconductor light guide.
  • the carrier concentration in the channel-type semiconductor light guide between the two is higher than the carrier concentration of the other part except the channel-type semiconductor light guide between the pair of electrodes and propagates in the channel-type semiconductor light guide. It is a photonic crystal that has resonance characteristics with its permittivity changing periodically along the propagation direction of the light.
  • the present invention similarly to an optical amplifier provided with a slab type semiconductor light guide, it is possible to amplify light with a large amplification coefficient in a wide band by using only one kind of carrier or electrons. Further, since the channel-type semiconductor light guide is a photonic crystal having resonance characteristics, the group velocity of light propagating in the channel-type semiconductor light guide can be reduced to approach the carrier speed. Therefore, it is possible to improve the amplification coefficient by promoting the transfer of energy to light propagating in the plasmon channel channel type semiconductor light guide that travels in the channel type semiconductor light guide. Furthermore, the size of the optical amplifier itself can be reduced by making the semiconductor light guide channel a channel type, which makes it excellent for application as an on-chip electronic / optical fusion LSI.
  • two portions having a high carrier concentration are arranged on the channel-type semiconductor light guide, and the carrier moves over the high carrier concentration and the portion. To occur.
  • the channel-type semiconductor light guide itself has a photonic crystal structure.
  • the optical amplifier according to the present invention includes a substrate and a light guide path formed on the substrate, in which two high-concentration portions having opposite polarities propagate light of a predetermined wavelength. It is formed adjacent to each other along the light propagation direction on the light propagation path in the front and back.
  • a channel-type semiconductor light guide, and a pair of electrodes for applying a voltage to a portion of the channel-type semiconductor light guide having a high carrier concentration, and the channel-type semiconductor light guide is formed in the channel-type semiconductor light guide.
  • This is a photonic crystal that has resonance characteristics with the dielectric constant periodically changing along the propagation direction of light propagating through the crystal.
  • the channel-type semiconductor light guide is a photonic crystal having resonance characteristics, the group velocity of light propagating in the channel-type semiconductor light guide can be reduced to approach the carrier velocity. As a result, the transfer of energy from plasmons traveling in the channel-type semiconductor light guide to light propagating in the channel-type semiconductor light guide can be promoted to improve the amplification factor.
  • the size of the optical amplifier itself can be reduced, making it excellent for use as an on-chip electronic / optical fusion LSI.
  • the portions having a high carrier concentration have different polarities, the carrier does not move depending on the value of the applied voltage. Therefore, it functions as an optical amplifier and can be used as an optical modulator.
  • the optical amplifier according to the present invention includes a substrate and light in a light guide that is formed on the substrate and has two polarities opposite to each other and having a high carrier concentration to propagate light of a predetermined wavelength.
  • a voltage is applied to the channel-type semiconductor light guide and the channel-type semiconductor light guide having a high carrier concentration and formed adjacent to each other on the propagation path along the light propagation direction.
  • a pair of electrodes, and the channel-type semiconductor light guide has a resonance characteristic in which a dielectric constant changes periodically along a propagation direction of light propagating through the channel-type semiconductor light guide. It is a crystal.
  • the seventh invention of the present application it is possible to improve the amplification coefficient by accelerating the transfer of energy to light propagating in the channel type semiconductor light guide, such as a plasmon car traveling in the channel type semiconductor light guide.
  • the size of the optical amplifier itself can be reduced by making the semiconductor light guide channel a channel type, and it is excellent in application as an on-chip electronic / optical fusion LSI.
  • the portion with a high carrier concentration V is placed with the light propagation path in between, it is possible to reduce the semiconductor transfer and the defect concentration on the light propagation path to reduce the light absorption by the carrier. it can.
  • an optical amplifier includes a substrate and the same electrode formed on the substrate.
  • Two channel-type semiconducting conductors that are formed with two high-concentration parts separated from each other along the light propagation direction on the light propagation path in the light guide that propagates light of a predetermined wavelength.
  • This is a photonic crystal having a resonance characteristic with its dielectric constant periodically changing along the propagation direction of the.
  • the amplification coefficient can be improved by promoting the movement of energy to light propagating in the plasmon channel semiconductor light guide that travels in the channel semiconductor light guide,
  • the semiconductor light guide channel a channel type
  • the size of the optical amplifier itself can be reduced, and it is excellent for application as an on-chip electronic and optical fusion LSI.
  • the portion having a high carrier concentration is arranged on the light propagation path so as to be separated back and forth along the light propagation direction, the light movement path and the carrier movement path can be matched. Therefore, it is possible to easily generate plasma resonance, improve the amplification coefficient, and widen the band that can be amplified.
  • the photonic crystal includes the channel-type semiconductor light guide path, the channel-type semiconductor light guide path of the light propagation path and the channel-type part of the carrier concentration high. It is desirable that a plurality of holes are provided on the surface of the channel type semiconductor light guide so as to exclude at least a part of the common part of the semiconductor light guide with the carrier movement path. As a result, it is possible to control the amplification degree by forming a resonator having an arbitrary length in a portion where the resonance between the carrier and the light wave occurs.
  • the substrate has a hollow shape so as to reduce a thickness of a lower portion of the channel type semiconductor light guide between at least the pair of electrodes.
  • the light intensity distribution and the carrier concentration distribution in the channel type semiconductor light guide between the pair of electrodes can be matched, and the amplification coefficient can be improved.
  • the optical amplifier according to the present invention can amplify light using only one type of carrier of electrons or holes, and can increase the amplification coefficient for broadband light.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a slab type semiconductor light guide that is a photonic crystal.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a slab type semiconductor light guide that is a photonic crystal.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram simulating the relationship between the plasma frequency w and the propagation constant k when the speed ratio vZc between the traveling speed of plasmons and the group speed of light is changed.
  • FIG. 8 A simulation of the relationship between the wavelength of light propagating in the slab type semiconductor light guide and the amplification coefficient when the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes is changed. .
  • FIG. 9 is a diagram simulating the relationship between the wavelength of light propagating in the slab type semiconductor light guide and the amplification coefficient when the thickness d of the slab type semiconductor light guide is changed.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG 1 and 2 are schematic configuration diagrams of the optical amplifier according to the present embodiment.
  • the optical amplifiers 10 and 11 shown in FIGS. 1 and 2 include a substrate 21, a slab type semiconductor light guide 22 formed on the substrate 21, and a pair of electrodes formed on the slab type semiconductor light guide 22. 23a, 23b and
  • the substrate 21 is provided to support a slab type semiconductor light guide 22 described later.
  • a silicon substrate is applied as the substrate 21.
  • the slab type semiconductor conductor is formed on the SiO substrate 31.
  • a suitable buffer layer 32 (for example, a silicon layer) may be provided therebetween.
  • the substrate 21 including the buffer layer 32 is used.
  • the slab type semiconductor light guide 22 is formed on the substrate 21 and propagates light having a predetermined wavelength.
  • a germanium semiconductor is applied to the slab type semiconductor light guide 22.
  • the light to be amplified in the slab-type semiconductor light guide 22 is not limited to the light in the 10.6 m band, but can be applied to, for example, light in the band or even light in other wavelength bands. Is possible.
  • the material to be the substrate and the semiconductor material to be the slab type semiconductor light guide 22 can be determined according to the wavelength of light to be amplified.
  • the substrate 21 may be an insulating material.
  • Table 1 shows an example of a combination of a material for the slab type semiconductor light guide and a material for the substrate.
  • a semiconductor as the slab type semiconductor light guide 22 can be formed by laminating a semiconductor material on the substrate 21 using a normal technique such as laser ablation or sputtering. Further, it can be formed on the substrate 21 by a vapor deposition method such as chemical vapor deposition.
  • the semiconductor laminated as the slab type semiconductor light guide 22 may be p-type, n-type, or intrinsic except for a portion between a pair of electrodes 23a and 23b described later.
  • the thickness d of the slab type semiconductor light guide 22 is 1 to 2 / ⁇ .
  • the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide 22 between a pair of electrodes 23 a and 23 b described later is higher than the carrier concentration in other portions.
  • Carrier, electronic Alternatively, the deviation of holes may be applied, but can be determined according to the polarity of the semiconductor.
  • the carrier concentration is determined by the relationship between the frequency of light propagating in the slab type semiconductor light guide 22 and the plasma frequency of the same level.
  • the carriers are doped into the semiconductor as the slab type semiconductor light guide 22 by, for example, ion implantation.
  • the optical amplifiers 10 and 11 are provided with an optical input means (not shown) for inputting the light 51 to the slab type semiconductor light guide 22, the optical amplifiers 10 and 11 are connected to the light 51 propagating from the outside toward the optical amplifiers 10 and 11. Can be better.
  • the optical input means (not shown) uses ordinary technical means.
  • the pair of electrodes 23a and 23b are provided on the slab semiconductor light guide 22 so as to face each other in the propagation direction of the light propagating through the slab semiconductor light guide 22.
  • the pair of electrodes 23a, 23b is a force electrode provided substantially perpendicular to the light propagation direction.
  • the electrodes 23a, 23b propagate light when a voltage is applied between the electrodes 23a, 23b. It is good to arrange so that the carrier runs in the same direction as the direction.
  • the polarities of the electrodes 23a and 23b are determined so that carriers travel in the same direction as the light propagation direction when a voltage is applied between the electrodes 23a and 23b.
  • the width between the pair of electrodes 23a and 23b is 100 m. This width only needs to be a standing wave.
  • the pair of electrodes 23a and 23b can be formed, for example, by vapor deposition on the slab type semiconductor light guide 22 by a normal technique such as sputtering.
  • a voltage is applied between the pair of electrodes 23a and 23b while light is propagating in the slab type semiconductor light guide 22 while light is propagating in the slab type semiconductor light guide 22, high-concentration carriers travel in the same direction as the light propagation direction.
  • a plasmon that vibrates at the plasma frequency is generated.
  • TM mode light has an electric field component in the light propagation direction, and is thus coupled with the traveling plasmon.
  • the TM mode light group velocity approaches the plasmon traveling speed, and energy can be transferred from the plasmon by the interaction with the plasmon to amplify the TM mode light.
  • mid-infrared light of TM0 mode can be amplified.
  • FIG. 7 shows the relationship between the plasma frequency w and the propagation constant k when the speed ratio vZc between the traveling speed of the plasmon and the group speed of light is changed.
  • Figure 7 shows the simulation results.
  • the solid line shows the curve of the real part of the propagation constant when the speed ratio vZc is 0.01, and the dashed line shows the real part of the propagation constant when the speed ratio vZc is 0.005.
  • the dotted line shows the curve of the real part of the propagation constant when the speed ratio vZc is 0.002
  • the two-dot chain line shows the curve of the imaginary part of the propagation constant.
  • the plasma frequency is normalized by ⁇ ⁇ d (where d is the thickness of the slab type semiconductor light guide 22).
  • the value of the real part of the propagation constant increases as the plasmon traveling speed and the light group speed approach each other.
  • the value of the imaginary part of the propagation constant means the amplification coefficient, and takes a value unrelated to the speed ratio vZc.
  • the amplification factor corresponds to about 5 ⁇ 10 4 cm _1 .
  • an increase in the maximum value of the real part of the propagation constant means that the wavelength band to be amplified is widened. For example, when the speed ratio vZc is changed from 0.002 to 0.01, the value of the real part of the propagation constant increases from 0.6% to 3%.
  • the slab type semiconductor light guide 22 in FIG. 1 has a photonic characteristic in which the dielectric constant changes periodically along the propagation direction of light propagating in the slab type semiconductor light guide 22 and has resonance characteristics. It is desirable to be a crystal.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show schematic configuration diagrams of a slab type semiconductor light guide that is a photonic crystal. 3 and 4 show top views of the optical amplifier of FIG. 1, respectively.
  • a photonic crystal can be realized by arranging circular holes 24 on the upper surface of the slab type semiconductor light guide 22 and providing a difference in refractive index between a portion where the holes 24 are open and a portion where the holes 24 are not.
  • FIG. 3 four rows of equally spaced holes 24 are provided on both sides across the pair of electrodes 23a and 23b.
  • two rows 24 of equally spaced holes 24 are provided on both sides of the slab semiconductor light guide 22 along the slab semiconductor light guide 22.
  • the hole 24 can be formed by, for example, laminating a semiconductor that is the slab type semiconductor light guide 22 and etching by dry etching. In both FIGS.
  • the distance D between the holes 24 is ⁇ ⁇ (4 ⁇ ) (where the wavelength of the light 51 traveling in the slab semiconductor light guide 22 is the wavelength in the slab semiconductor light guide 22) , ⁇ is a natural number. Since the resonance characteristics of the photonic crystal can vary depending on the refractive index of the semiconductor material that forms the slab type semiconductor light guide 22, the distance D is appropriately determined depending on the semiconductor material that forms the slab type semiconductor light guide 22. Determined. In this way, slab type Since the semiconductor light guide 22 is a photonic crystal having resonance characteristics, a part of light is confined in the photonic bandgap structure, and the group velocity of the light 51 propagating in the slab type semiconductor light guide 22 is reduced. Can do.
  • the group velocity of the light 51 can be brought close to the velocity of carriers, and plasma resonance can be more easily generated. For this reason, energy transfer from plasmons traveling in the slab type semiconductor light guide 22 to light 51 propagating in the slab type semiconductor light guide 22 is promoted to improve the amplification factor for light and widen the band that can be amplified. can do.
  • the substrate 21 reduces the thickness of at least the lower portion of the slab type semiconductor light guide 22 between the pair of electrodes 23a and 23b, as shown in FIG. It is desirable to have a hollow shape.
  • FIG. 2 if the thickness of the lower part of the slab type semiconductor light guide 22 between the pair of electrodes 23a and 23b forming the substrate 21 in a bridge shape can be reduced, the central part of the substrate 21 is hollowed out. It is good also as a hollow shape.
  • the substrate 21 can be formed into a hollow shape by etching using a normal technique such as dry etching.
  • the thickness of the substrate 21 below the slab type semiconductor light guide 22 between the pair of electrodes 23a and 23b is reduced in this way, light that propagates in the slab type semiconductor light guide 22 leaks to the substrate 21. It is possible to reduce the propagation loss of light by reducing the leak amount of evanescent waves.
  • the carrier in the slab type semiconductor light guide 22 between the pair of electrodes 23a and 23b is doped by ion implantation, the light in the slab type semiconductor light guide 22 between the pair of electrodes 23a and 23b.
  • the intensity distribution and carrier concentration distribution can be matched, and the amplification factor can be improved.
  • a pair of light propagating in the slab type semiconductor light guide 22 is applied by applying a voltage between the pair of electrodes 23a and 23b.
  • the plasmons traveling in the slab type semiconductor light guide 22 between the electrodes 23a and 23b can be directly resonated. Therefore, it is possible to amplify light in a wide band with only one kind of electron or hole.
  • the plasma frequency of the traveling plasmon can be increased to improve the amplification coefficient. Therefore, light can be amplified even in the slab type semiconductor light guide 22 having a wide optical path.
  • An optical amplifier can be realized on a silicon substrate by using a material system used in a technical system. Furthermore, since the optical amplifiers 10 and 11 can amplify light only in a portion having a high carrier concentration between the pair of electrodes 23a and 23b in the slab type semiconductor light guide path 22, they are used for biosensors and the like. It can be chipped as a device that uses multi-channel or continuous spectrum signals in mid-infrared spectrometers, communication DWDM systems, etc., and can have the effect of ultra-compact 'low cost' and low power. Furthermore, since only the light propagating in the direction of plasmon travel is amplified and the retrograde light is absorbed by free carriers, it can also function as an isolator for optical communication and optical signal processing.
  • the optical amplifiers 10 and 11 can be integrated on a chip without requiring a separate Faraday element.
  • a magnetic field is applied to the light guide to cause rotation of the polarization plane (Faraday rotation), which requires a separate Faraday element with a magnetic material, making chip integration difficult.
  • FIG. 8 shows the relationship between the wavelength of light propagating in the slab type semiconductor light guide and the amplification coefficient when the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide between the pair of electrodes is changed.
  • FIG. 8 shows simulation results for the optical amplifier 10 of FIG.
  • the carrier density indicates the amplification curve when the 1 X 10 19 cm_ 3
  • the dotted line represents an amplification curve when the carrier density force S6 X 10 18 cm_ 3
  • dashed line Shows the amplification curve when the carrier density force X 10 18 cm_3.
  • the thickness d of the slab type semiconductor light guide 22 in FIG. 1 is fixed to 1.34 m. As shown in Fig.
  • FIG. 9 shows the relationship between the wavelength of light propagating in the slab type semiconductor light guide and the amplification coefficient when the thickness of the slab type semiconductor light guide is changed.
  • FIG. 9 is a simulation result for the optical amplifier 10 of FIG.
  • the solid line shows the amplification curve when the thickness d is 1.34 / zm
  • the alternate long and short dash line shows the amplification curve when the thickness d is 1.6 m
  • the dotted line is The amplification curve when the thickness d is 2.0 m is shown.
  • the slab of Figure 1 It can be seen that the base of the amplification curve extends to the longer wavelength side as the thickness d of the type semiconductor light guide 22 is increased.
  • an amplification curve having substantially the same shape can be obtained regardless of the thickness d of the slab type semiconductor light guide 22.
  • the thickness d of the slab type semiconductor light guide 22 is 2. O / zm, an amplification factor of 1 10 3 «11 _ 1 can always be secured up to a wavelength of 15 111, and the optical amplifier 10 in FIG. It can be seen that amplification is possible for light having a broad wavelength range.
  • FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of the optical amplifier according to the present embodiment.
  • the constituent elements having the same reference numerals as the constituent elements described in FIG.
  • the optical amplifier 12 includes a light irradiating unit 25 that irradiates light of energy higher than the semiconductor band gap of the slab type semiconductor light guide 22 to the portion as an alternative to not injecting carriers in advance. In this way, predetermined light is irradiated onto the slab type semiconductor light guide 22 between the pair of electrodes 23a and 23b, so that only when the light is irradiated, between the pair of electrodes 23a and 23b.
  • the carrier concentration in the slab type semiconductor light guide 22 can be increased.
  • the slab type semiconductor light guide 22 can function as a normal light guide when no light is irradiated. Therefore, by turning on and off the light from the light irradiation unit 25, it is possible to switch the light passing through the slab type semiconductor light guide 22 or to control the amplification coefficient, and to control the light switch for light control or It can be used for ⁇ IJ as an optical computing unit.
  • the slab-type semiconductor light guide 22 can be a photonic crystal, or the Z and the substrate 21 can be formed in a hollow shape. The same effect as described can be obtained.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of the optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as the components described in FIG. To do.
  • the optical amplifier 13 in FIG. 6 differs from the optical amplifier 10 in FIG. 1 only in that the semiconductor light guide is a channel type. That is, the channel type semiconductor light guide 26 is formed in a channel structure with the same material as the slab type semiconductor light guide 22 described in FIG. In the optical amplifier 13 of FIG. 6, the channel type semiconductor light guide 26 is a photonic crystal having resonance characteristics.
  • the spacing between the holes 24 provided on the channel-type semiconductor light guide 26 is the same as that described in the first embodiment, where ⁇ is the wavelength of light propagating in the channel-type semiconductor light guide 26 ⁇ ⁇ (4 ⁇ ) (Where ⁇ is a natural number).
  • the value of ⁇ is appropriately determined according to the refractive index of the semiconductor serving as the channel-type semiconductor light guide 26. It is done.
  • the optical amplifier 13 in FIG. 6 increases with respect to broadband light using only one kind of electron or hole carriers as in the optical amplifier 10 including the slab type semiconductor light guide 22 described in FIG. Amplification with a large width coefficient is possible. Further, since the channel-type semiconductor light guide 26 is a photonic crystal having resonance characteristics, it travels in the channel-type semiconductor light guide 26 similarly to the optical amplifier 10 including the slab type semiconductor light guide 22 in FIG. Plasmonka et al. Can improve the amplification coefficient by promoting the transfer of energy to light propagating in the channel-type semiconductor light guide 26. Furthermore, the size of the optical amplifier 13 itself can be reduced by making the semiconductor light guide channel a channel type, which is excellent for application as an on-chip electronic / optical fusion LSI.
  • the substrate 21 can also have a hollow shape, and the same effects as those described in the first embodiment can be obtained.
  • the material to be the channel-type semiconductor light guide path 26 and the material to be the substrate 21 combinations of the material to be the semiconductor light guide path and the material to be the substrate described in Table 1 are applicable.
  • FIG. 10 and 11 are schematic configuration diagrams of the optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as the components described in FIG. 10 and 11 are schematic configuration diagrams of the optical amplifier according to the present embodiment.
  • the optical amplifiers 14 and 15 of FIGS. 10 and 11 are a substrate 21 and a slab type formed on the substrate 21.
  • a semiconductor light guide 22 and a pair of electrodes 23a and 23b for applying a voltage to the slab type semiconductor light guide 22 are provided.
  • the substrate 21 is a SiO substrate and is formed on another silicon substrate 33.
  • the substrate 21 has a hollow shape as a whole along the light propagation path of the slab-type semiconductor light guide path 22 which is not a bridge shape like the optical amplifier 11 of FIG.
  • a very good light confinement effect can be obtained when only about 0.04% of the power of light propagating in the slab type semiconductor light guide 22 enters the silicon substrate 33.
  • the slab type semiconductor light guide 22 has a silicon force.
  • the semiconductor laminated as the slab semiconductor light guide path 22 may be p-type, n-type, or intrinsic except for a portion 34 having a high carrier concentration, which will be described later.
  • the slab type semiconductor light guide 22 has a thickness d of 1. The single mode light can be held and propagated in the slab type semiconductor light guide 22.
  • the slab type semiconductor light guide 22 has a portion 34 having a high carrier concentration along the propagation direction of the light 52 in a part of the propagation path of the light 52 in the slab type semiconductor light guide 22.
  • a portion 34 having a high carrier concentration of an n-type semiconductor is formed by carriers doped by ion implantation.
  • the slab type semiconductor light guide 22 is a photonic crystal with a hole 24 provided on the surface of the slab type semiconductor light guide 22. The hole 24 is provided so as to exclude a part of the region where the propagation path of the light 52 in the slab-type semiconductor light guide 22 and the carrier concentration are high and the carrier movement path in the part 34 is common.
  • the hole 24 is provided so as to exclude a part of the region 34 having a high carrier concentration.
  • the propagation path of the light 52 in the slab type semiconductor light guide 22 refers to a path of the light 52 that is predicted when the light 52 propagates in the slab type semiconductor light guide 22.
  • the carrier 53 transfer path in the portion 34 with a high carrier concentration is a carrier that is predicted when a voltage is applied to the portion 34 with a high carrier concentration. This is the third path.
  • the carrier 34 when a positive potential voltage is applied to the electrode 23a, the carrier 34 is predicted to travel straight from the electrode 23a side to the electrode 23b side in the portion 34 where the carrier concentration is high.
  • the route is the carrier's 53 travel path.
  • the common part of the propagation path of the light 52 in the slab type semiconductor light guide 22 and the movement path of the carrier 53 in the part 34 having a high carrier concentration is the propagation path of the light 52 and the movement path of the carrier 53.
  • the propagation path of the light 52 and the movement path of the carrier 53 are parallel in the portion 34 having a high carrier concentration, and this portion is common to each route.
  • the propagation path of the light 52 and the movement path of the carrier 53 intersect at a portion 34 having a high carrier concentration, and this portion is a portion common to the respective routes.
  • a resonator 28 having a length of 9.36 / zm is formed in the portion 34 having a high carrier concentration.
  • a resonator 28 having a resonance wavelength of 10.6 m can be formed.
  • the TM mode light 52 is coupled from a light guide path of a photonic crystal in which three holes 24 are formed in a row along the propagation direction of the light 52 on both sides of the resonator 28 portion. Since the amplification effect in the optical amplifier 14 is determined by the length of the resonator 28, the length of the resonator 28 can be easily adjusted by changing the number of holes and the arrangement interval. As shown in Fig. 10 and Fig. 11, when an odd number of holes (three holes 24 in the figure) is opened, the resonance wavelength of the resonator 28 does not change substantially regardless of the number of holes 24. The coefficient can be controlled.
  • the pair of electrodes 23a and 23b may be provided at any position as long as a voltage can be applied to the portion 34 of the slab type semiconductor light guide 22 having a high carrier concentration.
  • the pair of electrodes 23a and 23b is disposed obliquely with respect to the light propagation direction.
  • the electrodes 23a and 23b propagate light when a voltage is applied between the electrodes 23a and 23b. It is better to arrange so that the carrier runs in the same direction as the direction.
  • the electrodes 23a and 23b are connected to the portion 34 having a high carrier concentration by metal wires 35a and 35b as a part of the electrodes.
  • FIG. 10 the pair of electrodes 23a and 23b may be provided at any position as long as a voltage can be applied to the portion 34 of the slab type semiconductor light guide 22 having a high carrier concentration.
  • a portion 34 having a high carrier concentration is formed from the electrode 23a to the electrode 23b.
  • the band gap can appear in the range of 9.9 ⁇ m to ll .6 ⁇ .
  • a resonator 28 having a resonance wavelength of 10.6 ⁇ m, a Q force of 13000, and a transmittance of 55% can be obtained.
  • a sufficient amplification effect can be obtained by setting the speed ratio vZc between the traveling speed of plasmons and the group speed of light to 0.01 or more. It was found that an amplification effect of 14 dB including free carrier absorption was possible.
  • the range of carrier concentrations that can be operated with increased calories of vZc is expanded, making it easier to manufacture devices.
  • a CVD (Chemic) is formed on an SOI substrate in which a SiO substrate 21 is formed on a silicon substrate 33.
  • the silicon layer that will later become the slab-type semiconductor light guide 22 is grown by epitaxy to a thickness of 1.5 m using al vapor deposition.
  • a resist film (not shown) is formed on the silicon layer, and EB (Electron Beam) is irradiated to draw a pattern of the photonic crystal, specifically, a pattern of the hole 24.
  • ICP Inductivity Coupled Plasma
  • a resist film is formed on other portions except the resonator 28.
  • ions are implanted into the resonator 28 to obtain a portion 34 with a high carrier concentration. After removing the resist, the donor impurity in the portion 34 having a high carrier concentration is activated.
  • the active annealed sample is put in a solution of hydrofluoric acid, and the SiO substrate 21 under the photonic crystal is etched by controlling the time.
  • the electrodes 23a and 23b are formed by sputtering, and in this embodiment, the metal wires 35a and 35b are formed on both sides of the portion of the resonator 28 to complete the optical amplifier 14.
  • FIG. 12 shows a schematic configuration diagram of the optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as the components described in FIG. 1 are the same as each other, and the description thereof will be omitted.
  • An optical amplifier 16 in FIG. 12 includes a substrate 21, a slab type semiconductor light guide 22 formed on the substrate 21, a pair of electrodes 23a and 23b for applying a voltage to the slab type semiconductor light guide 22, With .
  • This embodiment is the same as the optical amplifiers 14 and 15 described in the fourth embodiment except that the configurations of the high carrier concentration portions 34a and 34b are different.
  • the slab type semiconductor light guide 22 has a high carrier concentration of two opposite polarities, and the portions 34a and 34b move back and forth in the light propagation direction in the slab type semiconductor light guide 22 to each other. Adjacent to each other.
  • the p-type and n-type semiconductor portions 34 a and 34 b having high carrier concentrations are sequentially provided along the propagation direction of the light 51.
  • FIG. 12 when a PN junction is formed in the resonator 28 and a negative voltage potential is applied to the pair of electrodes 23a and 23b, current flows, and the optical amplifiers 14 and 1 of the fourth embodiment 5 (Refer to Fig. 10 and Fig.
  • the light can be amplified by increasing the speed ratio vZc between the travel speed of the plasmon and the group speed of light.
  • the optical amplifier 16 can have both functions of optical amplification and optical modulation.
  • the procedure of the manufacturing method of the optical amplifier 16 is the same as the manufacturing method of the optical amplifier 14 (see FIG. 10) described in the fourth embodiment. However, in the case of the optical amplifier 16, the procedure for forming the metal wires 35a and 35b of the optical amplifier 14 described in the fourth embodiment is not necessary.
  • FIG. 13 shows a schematic configuration diagram of an optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as the components described in FIG. 1 are the same as each other, and the description thereof will be omitted.
  • An optical amplifier 17 in FIG. 13 includes a substrate 21, a slab semiconductor light guide 22 formed on the substrate 21, a pair of electrodes 23a and 23b for applying a voltage to the slab semiconductor light guide 22,
  • This embodiment is the same as the optical amplifiers 14 and 15 described in the fourth embodiment except that the configuration of the high carrier concentration portion 34 is different.
  • the slab type semiconductor light guide 22 is configured such that two high carrier concentration portions 34a and 34b having the same polarity sandwich the light propagation path in the slab type semiconductor light guide 22 between them. Are formed apart in the propagation direction.
  • the n-type semiconductor has two high carrier concentration portions 34a and 34b. As shown in FIG. 13, the portions 34a and 34b having a high carrier concentration are arranged so that the light propagation path is sandwiched therebetween, and By providing the gate electrode 27, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor can be formed in the slab type semiconductor light guide 22.
  • MOS Metal Oxide Semiconductor
  • the speed ratio vZc between the traveling speed of the plasmon and the group speed of light can be increased to allow light amplification and control of the amplification.
  • the high carrier concentration portions 34 a and 34 b are arranged so that the light propagation path is sandwiched between them, so that the semiconductor transfer and the defect concentration on the light propagation path are lowered to reduce the carrier concentration. Light absorption can be reduced.
  • the procedure of the manufacturing method of the optical amplifier 17 is the same as the manufacturing method of the optical amplifier 14 (see FIG. 10) described in the fourth embodiment. However, in the case of the optical amplifier 17, the gate electrode 27 is further formed during the procedure of forming the electrodes 23a and 23b described in the fourth embodiment. Further, the procedure for forming the metal wires 35a and 35b of the optical amplifier 14 described in the fourth embodiment is not necessary.
  • FIG. 14 shows a schematic configuration diagram of an optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as the components described in FIG. 1 are the same as each other, and the description thereof will be omitted.
  • An optical amplifier 18 in FIG. 14 includes a substrate 21, a slab semiconductor light guide 22 formed on the substrate 21, a pair of electrodes 23a and 23b for applying a voltage to the slab semiconductor light guide 22,
  • This embodiment is the same as the optical amplifiers 14 and 15 described in the fourth embodiment except that the configuration of the portion 34 having a high carrier concentration is different.
  • the slab type semiconductor light guide 22 includes two high carrier concentration portions 34a and 34b having the same polarity as each other along the light propagation direction in the slab type semiconductor light guide 22. It is formed away from one another in the direction.
  • the n-type semiconductor has two high carrier concentration portions 34a and 34b.
  • MOS transistors are formed in the slab-type semiconductor light guide 22 by arranging the gate electrodes 27 by arranging the high-concentration portions 34a and 34b away from each other in the light propagation direction. can do.
  • the portions 34a and 34b having a high carrier concentration are arranged on the propagation path of the light 52 so as to be separated from each other along the propagation direction of the light 52. Can be matched.
  • the procedure of the manufacturing method of the optical amplifier 18 is the same as the manufacturing method of the optical amplifier 14 (see FIG. 10) described in the fourth embodiment. However, in the case of the optical amplifier 18, the gate electrode 27 is further formed during the procedure of forming the electrodes 23a and 23b described in the fourth embodiment. Further, the procedure for forming the metal wires 35a and 35b of the optical amplifier 14 described in the fourth embodiment is not necessary.
  • FIG. 15 shows a schematic configuration diagram of an optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as the components described in FIG. 1, FIG. 6, and FIG.
  • An optical amplifier 40 in FIG. 15 includes a substrate 21, a channel-type semiconductor light guide 26 formed on the substrate 21, a pair of electrodes 23a and 23b for applying a voltage to the channel-type semiconductor light guide 26, Equipped with.
  • This embodiment is different from the optical amplifier 16 of FIG. 12 in that the semiconductor light guide is mainly a channel type.
  • the substrate 21 has a bridge shape in which the lower part of the high carrier concentration portions 34a and 34b slides into a hollow shape. Note that the hollow shape shown in FIG. 12 can be realized by etching using a normal technique such as dry etching, as described above.
  • the channel-type semiconductor light guide 26 has two high-carrier-concentration portions 34a and 34b having opposite polarities in the light 52 on the propagation path of the light 52 in the channel-type semiconductor light guide 26. And are adjacent to each other along the propagation direction.
  • the configuration of the high carrier concentration portions 34a and 34b is the same as that of the optical amplifier 16 in FIG. 12, and includes the high carrier concentration portions 34a and 34b of the p-type and n-type semiconductors in order along the propagation direction of the light 51. is doing.
  • Highly distributed carrier concentration 34a, 34bi, wire bonding 36a, 36b [This is connected to electrodes 23a, 23b.
  • the high carrier concentration portions 34a and 34b form PN junctions in the resonator 28 portion of the photonic crystal.
  • the optical amplifier 40 can have both functions of optical amplification and optical modulation.
  • the procedure of the manufacturing method of the optical amplifier 40 is the same as the manufacturing method of the optical amplifier 14 (see FIG. 10) described in the fourth embodiment.
  • the procedure for connecting the wire bonding 36a, 36b separately from the procedure for forming the metal wires 35a, 35b of the optical amplifier 14 described in the fourth embodiment is the same as that for the electrodes 23a, 23b. Required after the procedure to form.
  • FIG. 16 shows a schematic configuration diagram of an optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as those described in FIG. 1, FIG. 6, FIG. 13 and FIG.
  • An optical amplifier 41 in FIG. 16 includes a substrate 21, a channel-type semiconductor light guide 26 formed on the substrate 21, a pair of electrodes 23a and 23b for applying a voltage to the channel-type semiconductor light guide 26, Equipped with.
  • This embodiment is different from the optical amplifier 17 of FIG. 13 in that the semiconductor light guide is mainly a channel type. Further, the present embodiment is the same as the optical amplifier 40 (see FIG. 15) described in the eighth embodiment except that the configuration of the portion 34 having a high carrier concentration is different.
  • the channel-type semiconductor light guide 26 is configured such that two high carrier concentration portions 34a and 34b having the same polarity sandwich the light propagation path in the channel-type semiconductor light guide 26 therebetween. It is formed apart in the light propagation direction.
  • the configuration of the high carrier concentration portions 34a and 34b is the same as that of the optical amplifier 17 in FIG. 13, and has two high carrier concentration portions 34a and 34b of an n-type semiconductor.
  • the high carrier concentration portions 34a and 34b are preferably arranged outside the resonator 28 as shown in FIG. This is because the light guided is easily absorbed when placed on the resonator 28.
  • the portions 34a and 34b having a high carrier concentration are arranged so that the light propagation path is sandwiched therebetween. Therefore, similarly to the optical amplifier 17 in FIG. The degree of amplification can be controlled, and the semiconductor transfer and defect density on the light propagation path can be reduced. Thus, light absorption by the carrier can be reduced.
  • the procedure of the manufacturing method of the optical amplifier 41 is the same as the manufacturing method of the optical amplifier 14 (see FIG. 10) described in the fourth embodiment. However, in the case of the optical amplifier 41, the gate electrode 27 is further formed during the procedure of forming the electrodes 23a and 23b described in the fourth embodiment. Further, the procedure for connecting the wire bondings 36a and 36b separately from the procedure for forming the metal wires 35a and 35b of the optical amplifier 14 described in the fourth embodiment is necessary after the procedure for forming the electrodes 23a and 23b.
  • FIG. 17 shows a schematic configuration diagram of an optical amplifier according to the present embodiment.
  • the components having the same reference numerals as those described in FIG. 1, FIG. 6, FIG. 14 and FIG.
  • An optical amplifier 42 in FIG. 17 includes a substrate 21, a channel-type semiconductor light guide 26 formed on the substrate 21, a pair of electrodes 23a, 23b for applying a voltage to the channel-type semiconductor light guide 26, Equipped with.
  • This embodiment is different from the optical amplifier 18 of FIG. 14 in that the semiconductor light guide is mainly a channel type. Further, the present embodiment is the same as the optical amplifier 40 (see FIG. 15) described in the eighth embodiment except that the configurations of the high carrier concentration portions 34a and 34b are different.
  • the channel type semiconductor light guide 26 has two high carrier concentration portions 34a and 34b having the same polarity as the light 52 on the propagation path of the light 52 in the channel type semiconductor light guide 26. It is formed back and forth along the propagation direction.
  • the configuration of the high carrier concentration portions 34a and 34b is the same as that of the optical amplifier 18 in FIG. 14, and has two high carrier concentrations 34a and 34b of an n-type semiconductor.
  • the parts 34a and 34b having a high carrier concentration are preferably arranged outside the resonator 28 as in the optical amplifier 41 (see FIG. 16) described in the ninth embodiment. .
  • the high carrier concentration portions 34a and 34b are arranged back and forth along the light propagation direction, so that the voltage applied to the gate electrode 27 is controlled as in the optical amplifier 18 in FIG.
  • the degree of light amplification can be controlled, and plasma resonance can be easily generated to improve the amplification coefficient and widen the band that can be amplified.
  • the procedure of the manufacturing method of the optical amplifier 42 is the same as the manufacturing method of the optical amplifier 14 (see FIG. 10) described in the fourth embodiment.
  • optical amplification In the case of the vessel 42, the gate electrode 27 is further formed during the procedure of forming the electrodes 23a and 23b described in the fourth embodiment.
  • the procedure for forming the metal wires 35a and 35b of the optical amplifier 14 described in the fourth embodiment is separate from the procedure for connecting the wire bonding 36a and 36b after the procedure for forming the electrodes 23a and 23b.
  • the optical amplifier of the present invention can be applied to a part of an optical transmission medium or a biosensor used for optical communication.

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Abstract

基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路のうち前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする。  

Description

明 細 書
光増幅器
技術分野
[0001] 本発明は、光通信等の光伝送媒体の一部において光を増幅する光増幅器に関す る。
背景技術
[0002] 従来力 光増幅器は、光通信のみならずオンチップ電子 ·光融合 LSIに不可欠な 素子である。このため、シリコンフォト-タスにおける最も重要な研究分野の一つであ る。ここで、従来の光増幅器では、励起された媒質中における誘導放出を利用するこ とにより当該媒質中を通過する光を増幅していた。一方で、基板上に電極を備えたチ ャネル型半導体導光路を形成してチャネル型半導体導光路内を走行するプラズモン とチャネル型半導体導光路内を伝搬する光との相互作用により光の増幅を行う光増 幅器も存在する (例えば、特許文献 1参照。 ) o
特許文献 1 :特開 2001—154047号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] しかし、誘導放出を利用する光増幅器では、キャリアが媒質の禁制帯を遷移するとき に発生する光を利用するため、特定の波長帯域に使用できるのみである。また、 pn 接合構造を有するため、媒質の励起に電子及び正孔のいずれのキャリアをも必要と する。一方、上記特許文献 1に記載の光増幅器は、半導体導光路がチャネル型に限 定されている。
課題を解決するための手段
[0004] 上記課題を解決するため、本発明では、スラブ型半導体導光路上に設けた電極の 間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高めることとした。
[0005] 具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され所定の波 長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記 スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の 電極と、を備え、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路のうち前 記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電 極の間の前記スラブ型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高いことを 特徴とする。本発明では、一対の電極の間に電圧を印加することによりスラブ型半導 体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行す るプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、電子又は正孔のいずれか 1 種類のキャリアのみで広帯域な光の増幅が可能である。また、電極の間のスラブ型半 導体導光路内のキャリア濃度を高めたことで走行するプラズモンのプラズマ周波数を 高めて増幅係数を向上させることができる。そのため、導光路の幅の広いスラブ型半 導体導光路においても光の増幅をすることができる。
[0006] また、本発明に係る光増幅器では、基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光 を伝搬させるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ 型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と
、を備え、前記スラブ型半導体導光路は、前記一対の電極の間の前記スラブ型半導 体導光路上に前記スラブ型半導体導光路の半導体のバンドギャップよりも高いエネ ルギ一の光を照射されることを特徴とする。本発明では、一対の電極の間のスラブ型 半導体導光路上に所定の光が照射されることで、光が照射されたときにのみ一対の 電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高めることができる。これにより 、一対の電極の間に電圧を印加するとスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一 対の電極の間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させるこ とができる。そのため、電子又は正孔のいずれか 1種類のキャリアのみで広帯域な光 の増幅が可能である。さらに、光が照射されないときにはスラブ型半導体導光路を通 常の導光路として機能させることができるため、他の光のオン Zオフにより、スラブ型 半導体導光路を通過する光に対してスィッチ動作させ又は増幅係数を制御すること ができ、光制御の光スィッチ又は光演算器として利用することもできる。
[0007] また、上記課題を解決するため、本発明では、スラブ型半導体導光路上にキャリア 濃度の高 、部分を 2箇所配置し、当該キャリア濃度の高!、部分にぉ 、てキャリアの移 動が生じるようにした。 [0008] 具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに反 対の極性の 2つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内 の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿つて前後して互 、に隣接して形成されて ヽ るスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高!、部分 に電圧を印加する一対の電極と、を備える。本発明では、一対の電極の間に電圧を 印加することによりスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラ ブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため 、広帯域な光の増幅が可能である。また、スラブ型半導体導光路内にキャリア濃度の 高 、部分を形成したことでキャリア濃度の高 、部分力 走行するプラズモンのプラズ マ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。さらに、キャリア濃度の高い部 分が互いに異なる極性であるため、印加電圧の値によっては、キャリアの移動が生じ ない。そのため、光増幅器として機能するとともに、光変調器としても利用可能である
[0009] また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極 性の 2つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路上に前記 導光路内の光の伝搬経路を間に挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成さ れて!、るスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高 い部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える。本発明では、一対の電極の間に 電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の 間のスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。 そのため、広帯域な光の増幅が可能である。また、スラブ型半導体導光路内にキヤリ ァ濃度の高 、部分を形成したことでキャリア濃度の高 、部分から走行するプラズモン のプラズマ周波数を高めて増幅係数を向上させることができる。さらに、キャリア濃度 の高い部分を光の伝搬経路を間に挟むように配置したため、光の伝搬経路上での半 導体の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の吸収を減少させることができる。
[0010] また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極 性の 2つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の 伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されているスラブ型半導 体導光路と、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高 1、部分に電圧を印加す る一対の電極と、を備える。本発明では、一対の電極の間に電圧を印加することによ りスラブ型半導体導光路内を伝搬する光波と一対の電極の間のスラブ型半導体導光 路内を走行するプラズモンを直接共鳴させることができる。そのため、広帯域な光の 増幅が可能である。また、スラブ型半導体導光路内にキャリア濃度の高い部分を形 成したことでキャリア濃度の高い部分から走行するプラズモンのプラズマ周波数を高 めて増幅係数を向上させることができる。さらに、キャリア濃度の高い部分を光の伝搬 経路上に光の伝搬方向に沿つて前後して離して配置したため、光の移動方向とキヤ リアの移動方向とを一致させることができる。そのため、プラズマ共鳴を生じ易くして 増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。
[0011] 上記光増幅器において、前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光 路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有す るフォトニック結晶であることが望ましい。これにより、スラブ型半導体導光路内を伝搬 する光の群速度を遅くしてキャリアの速度に近付けることができる。そのため、プラズ マ共鳴をより生じ易くしてスラブ型半導体導光路内を走行するプラズモンからスラブ 型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上 させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。
[0012] また、上記光増幅器にお!、て、前記フォトニック結晶は、前記スラブ型半導体導光 路のうち、前記スラブ型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の高い部 分の前記スラブ型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少なくとも 一部の領域を除くように前記スラブ型半導体導光路の表面に複数の穴が設けられて いることが望ましい。これにより、キャリアと光波との共鳴が生じる部分に任意の長さの 共振器を形成して増幅度をコントロールすることができる。
[0013] また、上記光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の電極の間の前 記スラブ型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状であることが望ま しい。これにより、スラブ型半導体導光路内を伝搬するエバネッセント波の基板への 漏れ量を少なくして光の伝搬損失を小さくすることができる。また、一対の電極の間の スラブ型半導体導光路内の光強度分布とキャリア濃度分布とを一致させることもでき 、増幅係数を向上させることもできる。
[0014] また、上記課題を解決するため、本発明では、チャネル型半導体導光路上に設け た電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を高め且つチャネル型半導体 導光路自体をフォトニック結晶構造にすることとした。
[0015] 具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され所定の波 長の光を伝搬させるチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路上 で前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられ た一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体 導光路のうち前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路内のキャリア濃 度が前記一対の電極の間の前記チャネル型半導体導光路を除く他の部分のキヤリ ァ濃度よりも高ぐ且つ前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に 沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることを特 徴とする。本発明では、スラブ型半導体導光路を備える光増幅器と同様に電子又は 、ずれか 1種類のキャリアのみで広帯域で増幅係数の大き 、光の増幅が可 能である。また、チャネル型半導体導光路が共振特性を有するフォトニック結晶であ ることで、チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の群速度を遅くしてキャリアの速 度に近付けることができる。そのため、チャネル型半導体導光路内を走行するプラズ モンカ チャネル型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進し て増幅係数を向上させることができる。さらに、半導体導光路をチャネル型とすること で光増幅器自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子 ·光融合 LSIとし ての適用に優れる。
[0016] また、上記課題を解決するため、本発明では、チャネル型半導体導光路上にキヤリ ァ濃度の高 、部分を 2箇所配置し、当該キャリア濃度の高 、部分にぉ 、てキャリアの 移動が生じるようにした。また、チャネル型半導体導光路自体をフォトニック結晶構造 にすることとした。
[0017] 具体的には、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに反 対の極性の 2つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内 の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿つて前後して互 、に隣接して形成されて ヽ るチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高 、 部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前 記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が 変化して共振特性を有するフォトニック結晶である。本発明では、スラブ型半導体導 光路を備える光増幅器と同様に広帯域で増幅係数の大きい光の増幅が可能である 。また、チャネル型半導体導光路が共振特性を有するフォトニック結晶であることで、 チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の群速度を遅くしてキャリアの速度に近付 けることができる。そのため、チャネル型半導体導光路内を走行するプラズモンから チャネル型半導体導光路内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係 数を向上させることができる。また、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器 自体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子 ·光融合 LSIとしての適用に 優れる。さらに、キャリア濃度の高い部分が互いに異なる極性であるため、印加電圧 の値によっては、キャリアの移動が生じない。そのため、光増幅器として機能するとと もに、光変調器としても利用可能である。
[0018] また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極 性の 2つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の 伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されて 、るチヤネ ル型半導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高!、部分に 電圧を印加する一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チヤ ネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化し て共振特性を有するフォトニック結晶である。本発明では、本願第七発明同様、チヤ ネル型半導体導光路内を走行するプラズモンカゝらチャネル型半導体導光路内を伝 搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができると共に 、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器自体の大きさを小さくすることがで き、オンチップの電子 ·光融合 LSIとしての適用に優れる。さらに、キャリア濃度の高 V、部分を光の伝搬経路を間に挟むように配置したため、光の伝搬経路上での半導体 の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の吸収を減少させることができる。
[0019] また、本発明に係る光増幅器は、基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極 性の 2つのキャリア濃度の高い部分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の 伝搬経路上に光の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されて ヽるチャネル型半 導体導光路と、前記チャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高 ヽ部分に電圧を印 加する一対の電極と、を備え、前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半 導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特 性を有するフォトニック結晶である。本発明では、本願第七発明同様、チャネル型半 導体導光路内を走行するプラズモンカ チャネル型半導体導光路内を伝搬する光 へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向上させることができると共に、半導体 導光路をチャネル型とすることで光増幅器自体の大きさを小さくすることができ、オン チップの電子'光融合 LSIとしての適用に優れる。さらに、キャリア濃度の高い部分を 光の伝搬経路上に光の伝搬方向に沿つて前後して離して配置したため、光の移動 経路とキャリアの移動経路とを一致させることができる。そのため、プラズマ共鳴を生 じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることができる。
[0020] 上記光増幅器にお!、て、前記フォトニック結晶は、前記チャネル型半導体導光路 のうち、前記チャネル型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の高い部 分の前記チャネル型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少なく とも一部の領域を除くように前記チャネル型半導体導光路の表面に複数の穴が設け られていることが望ましい。これにより、キャリアと光波との共鳴が生じる部分に任意の 長さの共振器を形成して増幅度をコントロールすることができる。
[0021] また、上記光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の電極の間の前 記チャネル型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状であることが 望ましい。これにより、チャネル型半導体導光路内を伝搬するエバネッセント波の基 板への漏れ量を少なくして光の伝搬損失を小さくすることができる。また、一対の電極 の間のチャネル型半導体導光路内の光強度分布とキャリア濃度分布とを一致させる こともでき、増幅係数を向上させることもできる。
発明の効果
[0022] 本発明に係る光増幅器は、電子又は正孔のいずれか 1種類のキャリアのみにより光 を増幅することが可能で、且つ広帯域な光に対して増幅係数を大きくすることができ る。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 2]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 3]フォトニック結晶であるスラブ型半導体導光路を示した概略構成図である。
[図 4]フォトニック結晶であるスラブ型半導体導光路を示した概略構成図である。
[図 5]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 6]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 7]プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比 vZcを変化させたときのプラズ マ周波数 wと伝搬定数 kとの関係をシミュレーションした図である。
[図 8]—対の電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を変えたときにスラ ブ型半導体導光路内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係をシミュレーションした 図である。
[図 9]スラブ型半導体導光路の厚さ dを変えたときにスラブ型半導体導光路内を伝搬 する光の波長と増幅係数との関係をシミュレーションした図である。
[図 10]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 11]一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 12]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 13]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 14]一実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 15]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 16]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
[図 17]—実施形態に係る光増幅器を示した概略構成図である。
符号の説明
[0024] 図面において使用されている符号は、以下の通りである。
10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 40, 41, 42 :光増幅器、 21 :基板、 22 :ス ラブ型半導体導光路、 23a, 23b :電極、 24 :穴、 25 :光照射部、 26 :チャネル型半 導体導光路、 27 :ゲート電極、 28 :共振器、 31 : SiO基板、 32 :ノ ッファ層、 33 :シリ コン基板、 34, 34a, 34b :キャリア濃度の高い部分、 35a, 35b :金属線、 36a, 36b : ワイヤボンディング、 51, 52 :光、 53 :キャリア
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、 本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。また、本明細書及び図 面において、符号が同一の構成要素は相互に同一のものを示すものとする。
[0026] (第一実施形態）
図 1及び図 2に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。
[0027] 図 1及び図 2の光増幅器 10, 11は、基板 21と、基板 21上に形成されたスラブ型半 導体導光路 22と、スラブ型半導体導光路 22上に形成された一対の電極 23a, 23bと
、を備える。
[0028] 基板 21は、後述するスラブ型半導体導光路 22を支持するために設けられて 、る。
本実施形態では、基板 21としてシリコン基板が適用される。また、図 2に示すように、 基板 21の一部に SiO基板 31を適用した場合、 SiO基板 31上にスラブ型半導体導
2 2
光路 22としての半導体を積層する際に、 SiO基板 31とスラブ型半導体導光路 22と
2
の間に適当なバッファ層 32 (例えば、シリコン層）を設けてもよい。この場合、当該バ ッファ層 32を含めて基板 21とされる。
[0029] スラブ型半導体導光路 22は、基板 21上に形成され所定の波長の光を伝搬させる。
本実施形態において 10. 6 m帯域の光を増幅することを想定すると、スラブ型半導 体導光路 22は、例えば、ゲルマニウム半導体が適用される。スラブ型半導体導光路 22内における増幅対象となる光は、 10. 6 m帯域の光に限らず、例えば、 帯 域の光でも適用可能であるし、他の波長帯域の光であっても適用可能である。基板と なる材料及びスラブ型半導体導光路 22となる半導体材料は、増幅対象となる光の波 長に応じて決定できる。基板 21は、絶縁材料であってもよい。
[0030] ここで、表 1にスラブ型半導体導光路となる材料と基板となる材料の組み合せの一 例を示す。
[表 1] 半導体導光路となる材料 基板となる材料
G a N A 1 003, A 1 G a N, A 1 N
G a A s A 1 A s , A 1。 O 3
I n G a A s I n P
I n G a A s P I n P
I n S b G a S b , A 1 S b
I n A s A 1 G a S b
S i A i r
S i G e A i r
G e S i , S i G e
S n G e , S i , S i G e
S i S i O 9, S i ON, S i 3N4
S i C S i O , S i ON, S i 3N4
G a Λ s Λ 1 G a Λ s , Λ 1 Λ s , Λ 1 。0
S i O 2 , S i ON, S i 3N4
I n P Λ 1 G a Λ s , Λ 1 Λ s , Λ 1 。〇3，
S i O 2 , S i ON, S i 3N4 但し、表 1中に複数の材料が記載されている場合は、いずれかの材料を選択可能で あることを意味する。また、「Air」は、図 2のように基板を中空形状とした場合に、スラ ブ型半導体導光路のうち一対の電極間の部分の下部分が「空気」であることを意味 する。
[0031] スラブ型半導体導光路 22としての半導体は、例えば、レーザアブレーシヨンゃスパ ッタリング等の通常の技術を用 ヽて半導体材料を基板 21上に積層することで形成す ることができる。また、化学気相成長法等の蒸着方法により基板 21上に成膜すること ちでさる。
[0032] スラブ型半導体導光路 22として積層される半導体は、後述する一対の電極 23a, 23 bの間の部分を除けば p型、 n型又は真性のいずれであってもよい。また、本実施形 態では、スラブ型半導体導光路 22の厚さ dは、 1〜2/ζπιである。これにより、単一モ 一ドの光をスラブ型半導体導光路 22内に保持して伝搬させることができる。さらに、 スラブ型半導体導光路 22は、後述する一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体 導光路 22内のキャリア濃度が他の部分のキャリア濃度よりも高い。キャリアは、電子 又は正孔の 、ずれを適用としてもよ 、が、半導体の極性に応じて決定することができ る。キャリア濃度は、スラブ型半導体導光路 22内を伝搬する光の周波数と同程度の プラズマ周波数との関係によって定められる。キャリアは、例えば、イオン注入により スラブ型半導体導光路 22としての半導体にドープされる。ここで、光増幅器 10, 11 は、スラブ型半導体導光路 22に光 51を入力する不図示の光入力手段を備えると外 部から光増幅器 10, 11に向力つて伝搬する光 51との接続をよくすることができる。な お、この光入力手段 (不図示）は、通常の技術手段を用いている。
[0033] 一対の電極 23a, 23bは、スラブ型半導体導光路 22上でスラブ型半導体導光路 22 内を伝搬する光の伝搬方向上に対向して設けられる。図 1では、一対の電極 23a, 2 3bは光の伝搬方向に対して略垂直に設けられている力 電極 23a, 23bは、電極 23 a, 23bの間に電圧を印加したときに光の伝搬方向と同一方向にキャリアが走行する ように配置するとよい。電極 23a, 23bの極性は、電極 23a, 23bの間に電圧を印加し たときに光の伝搬方向と同一方向にキャリアが走行するように決定される。また、本実 施形態では、一対の電極 23a, 23bの間の幅は、 100 mである。この幅は、定在波 が存在できればよい。一対の電極 23a, 23bは、例えば、スパッタリング等の通常の 技術によりスラブ型半導体導光路 22上に蒸着することで形成することができる。ここ で、スラブ型半導体導光路 22内に光が伝搬しているときに一対の電極 23a, 23bの 間に電圧が印加されると、高濃度のキャリアが光の伝搬方向と同一方向に走行し、プ ラズマ周波数で振動するプラズモンが生じる。スラブ型半導体導光路 22内を伝搬す る光のうち TMモードの光は、光の伝搬方向に電界成分を有するため、走行するブラ ズモンと結合する。そうすると、光増幅器 10, 11では、 TMモードの光の群速度がプ ラズモンの走行速度に近付きプラズモンとの相互作用によりプラズモンからエネルギ 一を授受して TMモードの光を増幅することができる。本実施形態では、単一モード の中赤外光を適用しているため、 TM0モードの中赤外光を増幅することができる。
[0034] 図 7に、プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比 vZcを変化させたときのプ ラズマ周波数 wと伝搬定数 kとの関係を示す。図 7は、シミュレーション結果である。図 7のグラフのうち、実線は、速度比 vZcが 0. 01のときの伝搬定数の実数部の曲線を 示し、一点鎖線は、速度比 vZcが 0. 005のときの伝搬定数の実数部の曲線を示し、 点線は、速度比 vZcが 0. 002のときの伝搬定数の実数部の曲線を示し、二点鎖線 は、伝搬定数の虚数部の曲線を示している。また、図 7では、プラズマ周波数を π Ζ d (但し、 dはスラブ型半導体導光路 22の厚さである。 )により正規化したものを示して いる。
[0035] 図 7に示すように、プラズモンの走行速度と光の群速度とが互いに近づくにつれ、 伝搬定数の実数部の値が大きくなることが分かる。なお、伝搬定数の虚数部の値は、 増幅係数を意味し、速度比 vZcと無関係な値をとることが分かる。図 7の場合、増幅 係数は、約 5 X 104cm_1に相当する。ここで、伝搬定数の実数部の最大値の値が大 きくなることは、増幅される波長帯域が広がることを意味する。例えば、速度比 vZcを 0. 002から 0. 01に変化させた場合、伝搬定数の実数部の値は、 0. 6%から 3%へ と増加することが分かる。つまり、プラズモンの走行速度を上げる力、光の群速度を下 げることにより広帯域な光の増幅を得られることが分かる。そのため、本実施形態では 、図 1のスラブ型半導体導光路 22は、スラブ型半導体導光路 22内を伝搬する光の 伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶で あることが望ましい。
[0036] 図 3及び図 4に、フォトニック結晶であるスラブ型半導体導光路の概略構成図を示す 。図 3及び図 4は、それぞれ図 1の光増幅器の上面図を示している。
[0037] フォトニック結晶は、スラブ型半導体導光路 22の上面に円状の穴 24を配列して、 穴 24の空いた部分とそうでない部分とに屈折率の差を設けることで実現できる。図 3 では、一対の電極 23a, 23bの間を挟んで両側に等間隔の 4列の穴 24を設けている 。一方、図 4では、スラブ型半導体導光路 22に沿ってスラブ型半導体導光路 22の両 側に等間隔の 2列の穴 24を設けている。穴 24は、例えば、スラブ型半導体導光路 2 2である半導体を積層した後に、ドライエッチングによりエッチングして形成することが できる。図 3及び図 4では、共に、穴 24の間隔 Dは、スラブ型半導体導光路 22内を伝 搬する光 51のスラブ型半導体導光路 22内での波長をえとして λ Ζ (4η) (但し、 ηは 自然数とする。 )に設定される。フォトニック結晶の共振特性は、スラブ型半導体導光 路 22となる半導体の材料の屈折率に応じて変わりうるため、上記間隔 Dは、スラブ型 半導体導光路 22となる半導体の材料に応じて適宜定められる。このように、スラブ型 半導体導光路 22が共振特性を有するフォトニック結晶であることで、フォトニック禁止 帯構造に光の一部を閉じ込めて、スラブ型半導体導光路 22内を伝搬する光 51の群 速度を遅くすることができる。これにより、光 51の群速度をキャリアの速度に近付ける ことができ、プラズマ共鳴をより生じ易くすることができる。そのため、スラブ型半導体 導光路 22内を走行するプラズモンからスラブ型半導体導光路 22内を伝搬する光 51 へのエネルギーの移動を促進して光に対する増幅係数を向上させると共に増幅可 能な帯域を広くすることができる。
[0038] また、増幅係数を向上させるためには、基板 21は、図 2に示すように、少なくとも一対 の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22の下部分の厚さを薄くするように 中空形状とすることが望ましい。図 2では、基板 21をブリッジ状に形成している力 一 対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22の下部分の厚さを薄くできれば 、基板 21の中心部分をくり抜いたような中空形状としてもよい。基板 21は、例えば、ド ライエッチング等の通常の技術を用いてエッチングすることで中空形状に形成するこ とができる。このようにして一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22の 下部分の基板 21の厚さを薄くすると、スラブ型半導体導光路 22内を伝搬する光のう ち基板 21に漏れるエバネッセント波の漏れ量を少なくして光の伝搬損失を小さくする ことができる。また、一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22内のキヤ リアがイオン注入によりドープされた場合には、一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型 半導体導光路 22内の光強度分布とキャリア濃度分布とを一致させることもでき、増幅 係数を向上させることもできる。
[0039] 以上説明したように、図 1及び図 2の光増幅器 10, 11では、一対の電極 23a, 23bの 間に電圧を印加することによりスラブ型半導体導光路 22内を伝搬する光と一対の電 極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22内を走行するプラズモンを直接共鳴さ せることができる。そのため、電子又は正孔のいずれか 1種類のキャリアのみで広帯 域な光の増幅が可能である。また、一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導 光路 22内のキャリア濃度を高めたことで走行するプラズモンのプラズマ周波数を高 めて増幅係数を向上させることができる。そのため、光路の幅の広いスラブ型半導体 導光路 22においても光を増幅することができる。また、材料種の制限がなぐ CMOS 技術体系に用いられて 、る材料系を用い、シリコン基板上に光増幅器を実現できる。 さらに、光増幅器 10, 11は、スラブ型半導体導光路 22のうち一対の電極 23a, 23b の間のキャリア濃度の高い部分のみでの光の増幅が可能であるため、バイオセンサ 等などに用いられる中赤外分光装置、通信用 DWDMシステム等でマルチチャンネ ル或いは連続スペクトル信号を用いるデバイスとしてチップ化することができ、超小型 '低価格'低パワーの効果を有することができる。さらに、プラズモンの走行の向きに 伝搬する光のみが増幅され、逆行する光は自由キャリアによる吸収を受けるため、光 通信や光信号処理のアイソレータとしても機能することもできる。そのため、光増幅器 10, 11では、ファラデー素子を別途必要とすることなくチップ集積が可能となる。従 来のアイソレータでは、導光路に対して磁界を印加して偏波面の回転 (ファラデー回 転)を生じさせるため、別途磁性体を備えたファラデー素子が必要でありチップ集積 が困難であった。
[0040] ここで、図 8に、一対の電極の間のスラブ型半導体導光路内のキャリア濃度を変えた ときにスラブ型半導体導光路内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係を示す。図 8は、図 1の光増幅器 10に対するシミュレーション結果である。図 8のグラフのうち、実 線は、キャリア密度が 1 X 1019cm_3のときの増幅曲線を示し、点線は、キャリア密度 力 S6 X 1018cm_3のときの増幅曲線を示し、一点鎖線は、キャリア密度力 X 1018cm_ 3のときの増幅曲線を示す。図 8では、図 1のスラブ型半導体導光路 22の厚さ dを 1. 3 4 mに固定している。図 8に示すように、キャリア濃度を高くするほどに増幅係数の 最大値に対応する波長は、低くなることが分かる。そして、キャリア密度が 1 X 1019cm _3のときには、 5 μ m〜10. 6 μ mの波長範囲で常に 1 X 103cm_ 1の増幅係数を確 保でき、図 1の光増幅器 10は、広帯域の波長の光に対して増幅が可能であることが 分かる。
[0041] また、図 9に、スラブ型半導体導光路の厚さを変えたときにスラブ型半導体導光路 内を伝搬する光の波長と増幅係数との関係を示す。図 9は、図 1の光増幅器 10に対 するシミュレーション結果である。図 9のグラフのうち、実線は、厚さ dが 1. 34 /z mのと きの増幅曲線を示し、一点鎖線は、厚さ dが 1. 6 mのときの増幅曲線を示し、点線 は、厚さ dが 2. 0 mのときの増幅曲線を示している。図 9に示すように、図 1のスラブ 型半導体導光路 22の厚さ dを厚くするほどに増幅曲線の裾野が長波長側に伸びて いくことが分かる。また、スラブ型半導体導光路 22の厚さ dに関わらず、略同様の形 状の増幅曲線が得られる。そして、スラブ型半導体導光路 22の厚さ dを 2. O /z mとし たときには、 15 111の波長まで常に1 103«11_ 1の増幅係数を確保でき、図 1の光 増幅器 10は、広帯域の波長の光に対して増幅が可能であることが分かる。
[0042] (第二実施形態）
図 5に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1で説明した 構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略 する。
[0043] 図 5の光増幅器 12では、一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22内 にはキャリアは予め注入されない。キャリアが注入されない他は、図 1で説明したスラ ブ型半導体導光路 22と同一である。光増幅器 12は、キャリアが予め注入されないこ との代替として当該部分にスラブ型半導体導光路 22の半導体のバンドギャップよりも 高いエネルギーの光を照射する光照射部 25を備えている。このように、一対の電極 2 3a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22上に所定の光が照射されることで、光が照 射されたときにのみ一対の電極 23a, 23bの間のスラブ型半導体導光路 22内のキヤ リア濃度を高めることができる。これにより、一対の電極 23a, 23bの間に電圧を印加 すると光の増幅が可能なことに加え、光が照射されないときにはスラブ型半導体導光 路 22を通常の導光路として機能させることができる。そのため、光照射部 25からの光 をオン Zオフさせることにより、スラブ型半導体導光路 22を通過する光に対してスイツ チ動作させ又は増幅係数を制御することができ、光制御の光スィッチ又は光演算器 として禾 IJ用することちできる。
[0044] 上記の他、図 5の光増幅器 12は、スラブ型半導体導光路 22をフォトニック結晶とす ること、又は Z及び基板 21を中空形状とすることも可能で、第一実施形態で説明した 効果と同一の効果を得ることができる。
[0045] (第三実施形態）
図 6に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1で説明した 構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省略 する。
[0046] 図 6の光増幅器 13は、半導体導光路がチャネル型である点のみが図 1の光増幅器 10と異なっている。つまり、チャネル型半導体導光路 26は、図 1で説明したスラブ型 半導体導光路 22と同一の材料でチャネル構造に形成される。また、図 6の光増幅器 13では、チャネル型半導体導光路 26が共振特性を有するフォトニック結晶である。 チャネル型半導体導光路 26上に設けられた穴 24の間隔は、第一実施形態で説明し たものと同様、チャネル型半導体導光路 26内を伝搬する光の波長を λとして λ Ζ (4 η) (但し、 ηは自然数とする。）に設定される。フォトニック結晶の共振特性は、チヤネ ル型半導体導光路 26となる半導体の屈折率によっても変わりうるため、上記 ηの値は 、チャネル型半導体導光路 26となる半導体の屈折率に応じて適宜定められる。
[0047] 図 6の光増幅器 13は、図 1で説明したスラブ型半導体導光路 22を備える光増幅器 10と同様に電子又は正孔のいずれか 1種類のキャリアのみで広帯域な光に対して増 幅係数の大きい増幅が可能である。また、チャネル型半導体導光路 26が共振特性 を有するフォトニック結晶であることで、図 1のスラブ型半導体導光路 22を備える光増 幅器 10と同様にチャネル型半導体導光路 26内を走行するプラズモンカゝらチャネル 型半導体導光路 26内を伝搬する光へのエネルギーの移動を促進して増幅係数を向 上させることができる。さらに、半導体導光路をチャネル型とすることで光増幅器 13自 体の大きさを小さくすることができ、オンチップの電子 ·光融合 LSIとしての適用に優 れる。
[0048] 上記の他、図 6の光増幅器 13は、基板 21を中空形状とすることも可能で、第一実 施形態で説明した効果と同一の効果を得ることができる。また、チャネル型半導体導 光路 26となる材料と基板 21となる材料は、それぞれ表 1に記載した半導体導光路と なる材料と基板となる材料との組み合わせが適用可能である。
[0049] (第四実施形態）
図 10及び図 11に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1 で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため 説明は省略する。
[0050] 図 10及び図 11の光増幅器 14, 15は、基板 21と、基板 21上に形成されたスラブ型 半導体導光路 22と、スラブ型半導体導光路 22に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を備える。
[0051] 本実施形態では、基板 21は SiO基板であり、他のシリコン基板 33上に形成されて
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いる。また、基板 21は、図 2の光増幅器 11のようなブリッジ形状ではなぐスラブ型半 導体導光路 22の光の伝搬経路に沿って全体を中空形状としている。これにより、スラ ブ型半導体導光路 22内に伝搬する光のパワーのうち約 0. 04%だけがシリコン基板 33に入るだけで極めてよい光の閉じ込め効果を得ることができる。
[0052] 本実施形態では、スラブ型半導体導光路 22は、シリコン力もなる。スラブ半導体導 光路 22として積層される半導体は、後述するキャリア濃度の高い部分 34を除けば、 p 型、 n型又は真性のいずれであってもよい。また、本実施形態では、スラブ型半導体 導光路 22は、厚さ dが 1. であり、単一モードの光をスラブ型半導体導光路 22 内に保持して伝搬させることができる。
[0053] また、スラブ型半導体導光路 22は、スラブ型半導体導光路 22内の光 52の伝搬経路 上の一部に光 52の伝搬方向に沿ってキャリア濃度の高 、部分 34を有して 、る。本 実施形態では、イオン注入によりドープされたキャリアにより n型の半導体のキャリア 濃度の高い部分 34が形成されている。また、スラブ型半導体導光路 22は、スラブ型 半導体導光路 22の表面に穴 24が設けられフォトニック結晶となっている。この穴 24 は、光 52のスラブ型半導体導光路 22内の伝搬経路とキャリア濃度の高 、部分 34に おけるキャリアの移動経路とが共通する部分の一部の領域を除くように設けられて 、 る。本実施形態では、穴 24は、キャリア濃度の高い部分 34の一部の領域を除くよう に設けられている。本実施形態では、穴 24は、半径 r=0. 78 mでスラブ型半導体 導光路 22の表面に a = 3. 12 mの周期で設けられている。
[0054] ここで、スラブ型半導体導光路 22内の光 52の伝搬経路とは、スラブ型半導体導光路 22内で光 52が伝搬するときの予測される光 52の道筋をいう。図 10及び図 11では、 光 51の直進性を考慮すれば、光増幅器 14, 15に結合される光 51は、スラブ型半導 体導光路 22内で光 52として図面左力も右に向力つて直進すると予測され、その道筋 が光 52の伝搬経路となる。また、キャリア濃度の高い部分 34におけるキャリア 53の移 動経路とは、キャリア濃度の高 、部分 34に電圧を印加したときに予測されるキャリア 5 3の道筋をいう。図 10及び図 11では、電極 23aに正のポテンシャルの電圧を印加す ると、キャリア濃度の高い部分 34では、電極 23aの側から電極 23bの側に向かってキ ャリアが直進すると予測され、その道筋がキャリア 53の移動経路となる。また、スラブ 型半導体導光路 22内の光 52の伝搬経路とキャリア濃度の高い部分 34におけるキヤ リア 53の移動経路との共通する部分とは、光 52の伝搬経路とキャリア 53の移動経路 とが平行となる部分、または、光 52の伝搬経路とキャリア 53の移動経路とが交差する 部分をいう。本実施形態では、図 10及び図 11に示すように、光 52の伝搬経路とキヤ リア 53の移動経路とがキャリア濃度の高い部分 34で平行となっており、当該部分が 各経路の共通する部分である。また、後述の図 13に示す光増幅器 17では、光 52の 伝搬経路とキャリア 53の移動経路とがキャリア濃度の高い部分 34で交差しており、 当該部分が各経路の共通する部分である。
[0055] また、光 51の伝搬方向に沿って 3つの穴 24が開いており、キャリア濃度の高い部分 3 4に長さ 9. 36 /z mの共振器 28が形成されている。これにより、共振波長 10. 6 m の共振器 28を形成することができる。 TMモードの光 52は、共振器 28の部分の両側 に光 52の伝搬方向に沿って一列の 3つの穴 24が開いたフォトニック結晶の導光路か ら結合する。光増幅器 14における増幅効果は共振器 28の長さによって決められるた め、共振器 28の長さは穴の数や配置間隔を変えると簡単に調整できる。図 10及び 図 11に示すように奇数の穴（図では 3つの穴 24)を空けると、穴 24の数によらず共振 器 28の共振波長は略変わらないため、これを利用して、増幅係数をコントロールする ことができる。
[0056] 一対の電極 23a, 23bは、スラブ型半導体導光路 22のキャリア濃度の高い部分 34 に電圧を印加できれば、いずれの位置に設けてもよい。図 10及び図 11では、一対 の電極 23a, 23bは光の伝搬方向に対して斜めに設けられている力 電極 23a, 23b は、電極 23a, 23bの間に電圧を印加したときに光の伝搬方向と同一方向にキャリア が走行するように配置するとよい。図 10では、電極 23a, 23bとキャリア濃度の高い部 分 34との接続は、電極の一部としての金属線 35a, 35bによりされている。一方、図 1 1のように、電極 23aから電極 23bにかけてキャリア濃度の高い部分 34を形成するこ とちでさる。 [0057] 本実施形態の光増幅器 14, 15によれば、バンドギャップを 9. 9 μ m〜l l . 6 μ ηι の範囲で出現させることができる。また、共振波長 10. 6 μ mで、 Q力 13000、透過 率が 55%の共振器 28を得ることができる。そして、プラズモンの走行速度と光の群速 度との速度比 vZcの値を 0. 01以上にして十分な増幅効果を得ることができる。自由 キャリアの吸収も含めて、 14dBの増幅効果ができるのがわかった。また、 vZcの増 カロとともに稼動できるキャリア濃度の範囲も拡大するため、デバイスの製造を容易に することができる。
[0058] ここで、光増幅器 14の製造方法について説明する。
[0059] まず、シリコン基板 33上に SiO基板 21が形成された SOI基板上に CVD (Chemic
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al vapor deposition)を用いて、後にスラブ型半導体導光路 22となるシリコン層を 1. 5 mの厚さまでェピ成長させる。次に、当該シリコン層上にレジスト膜 (不図示） を形成し、 EB (Electron Beam)を照射して、フォトニック結晶のパタン、具体的に は、穴 24のパタンを描画する。次に、 ICP (Inductivity Coupled Plasma)を用い て、パタンされたフォトニック結晶の穴 24の部分をドライエッチングする。
[0060] 次に、共振器 28の部分を除いて、他の部分の上にレジスト膜を形成する。次に、共 振器 28の部分にイオン注入し、キャリア濃度の高い部分 34を得る。レジストを除去し た後、キャリア濃度の高!、部分 34のドナー不純物を活性ィ匕ァニールする。
[0061] 次に、活性ィ匕ァニールしたサンプルをフッ酸の溶液に入れ、時間をコントロールして フォトニック結晶の下部の SiO基板 21をエッチングして、基板 21を図 10及び図 11
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に示すように中空形状にする。最後に、スパッタリングによって電極 23a, 23bを形成 するとともに、本実施形態では共振器 28の部分の両側に金属線 35a, 35bを形成し て光増幅器 14が完成する。
[0062] (第五実施形態）
図 12に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1で説明し た構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省 略する。
[0063] 図 12の光増幅器 16は、基板 21と、基板 21上に形成されたスラブ型半導体導光路 2 2と、スラブ型半導体導光路 22に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を備える 。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bの構成が異なる他は、第四実 施形態で説明した光増幅器 14, 15と同一である。
[0064] 本実施形態では、スラブ型半導体導光路 22は、互いに反対の極性の 2つのキャリア 濃度の高 、部分 34a, 34bがスラブ型半導体導光路 22内の光の伝搬方向に前後し て互いに隣接して形成されている。本実施形態では、光 51の伝搬方向に沿って順に p型、 n型の半導体のキャリア濃度の高い部分 34a, 34bを有している。図 12に示す ように、共振器 28の部分に PNジャンクションを形成して、一対の電極 23a, 23bに、 負の電圧ポテンシャルを印加すると、電流が流れ、第四実施形態の光増幅器 14, 1 5 (図 10,図 11を参照。）と同様、プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比 vZ cを増大させて光を増幅することができる。一方、正の電圧ポテンシャルを印加すると 、電流は流れず光の吸収のみが生じる。これにより、光増幅器 16は、光増幅と光変 調との両機能を持つことができる。光増幅器 16の製造方法の手順は、第四実施形態 で説明した光増幅器 14 (図 10を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器 1 6の場合には、第四実施形態で説明した光増幅器 14の金属線 35a, 35bを形成する 手順は必要がない。
[0065] (第六実施形態）
図 13に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1で説明し た構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省 略する。
[0066] 図 13の光増幅器 17は、基板 21と、基板 21上に形成されたスラブ型半導体導光路 2 2と、スラブ型半導体導光路 22に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を備える 。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分 34の構成が異なる他は、第四実施形態 で説明した光増幅器 14, 15と同一である。
[0067] 本実施形態では、スラブ型半導体導光路 22は、互いに同一の極性の 2つのキャリア 濃度の高い部分 34a, 34bがスラブ型半導体導光路 22内の光の伝搬経路を間に挟 むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されている。本実施形態では、 n型の 半導体の 2つのキャリア濃度の高い部分 34a, 34bを有している。図 13に示すように 、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bを光の伝搬経路を間に挟むように配置して、ゲ ート電極 27を設けることで、スラブ型半導体導光路 22に MOS (Metal Oxide Se miconductor)トランジスタを形成することができる。これにより、キャリア濃度の高い 部分 34a, 34bに電圧を印加して、ゲート電極 27に印加する電圧を制御すると、電極 23aから電極 23bに向力つて電流が流れ、第四実施形態の光増幅器 14, 15 (図 10 ,図 11を参照。）と同様プラズモンの走行速度と光の群速度との速度比 vZcを増大 させて光の増幅が可能となると共に増幅度を制御することができる。また、光増幅器 1 7では、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bを光の伝搬経路を間に挟むように配置し たため、光の伝搬経路上での半導体の転移と欠陥濃度を低くしてキャリアによる光の 吸収を減少させることができる。光増幅器 17の製造方法の手順は、第四実施形態で 説明した光増幅器 14 (図 10を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器 17 の場合には、第四実施形態で説明した電極 23a, 23bを形成する手順の時に、さら にゲート電極 27を形成する。また、第四実施形態で説明した光増幅器 14の金属線 3 5a, 35bを形成する手順は必要がない。
[0068] (第七実施形態）
図 14に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1で説明し た構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示しているため説明は省 略する。
[0069] 図 14の光増幅器 18は、基板 21と、基板 21上に形成されたスラブ型半導体導光路 2 2と、スラブ型半導体導光路 22に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を備える 。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分 34の構成が異なる他は、第四実施形態 で説明した光増幅器 14, 15と同一である。
[0070] 本実施形態では、スラブ型半導体導光路 22は、互いに同一の極性の 2つのキャリア 濃度の高い部分 34a, 34bがスラブ型半導体導光路 22内の光の伝搬方向に沿って 光の伝搬方向に前後して離れて形成されている。本実施形態では、 n型の半導体の 2つのキャリア濃度の高い部分 34a, 34bを有している。図 14に示すように、キャリア 濃度の高い部分 34a, 34bを光の伝搬方向に沿って前後に離して配置して、ゲート 電極 27を設けることで、スラブ型半導体導光路 22に MOSトランジスタを形成すること ができる。これにより、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bに電圧を印加して、ゲート電 極 27に印加する電圧を制御すると、電極 23aから電極 23bに向かって電流が流れ、 第四実施形態の光増幅器 14, 15 (図 10,図 11を参照。）と同様、プラズモンの走行 速度と光の群速度との速度比 vZcを増大させて光の増幅が可能となると共に増幅度 を制御することができる。また、光増幅器 18では、キャリア濃度の高い部分 34a, 34b を光 52の伝搬経路上に光 52の伝搬方向に沿って前後して離して配置したため、光 52の移動方向とキャリアの移動方向とを一致させることができる。そのため、プラズマ 共鳴を生じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅可能な帯域を広くすることがで きる。光増幅器 18の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器 14 (図 10を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器 18の場合には、第四実施形 態で説明した電極 23a, 23bを形成する手順の時に、さらにゲート電極 27を形成す る。また、第四実施形態で説明した光増幅器 14の金属線 35a, 35bを形成する手順 は必要がない。
[0071] (第八実施形態）
図 15に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1、図 6及び 図 12で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示している ため説明は省略する。
[0072] 図 15の光増幅器 40は、基板 21と、基板 21上に形成されたチャネル型半導体導光 路 26と、チャネル型半導体導光路 26に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を 備える。本実施形態では、主として半導体導光路がチャネル型である点が図 12の光 増幅器 16と異なっている。基板 21は、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bの下の部 分を中空形状とすべぐ基板 21をブリッジ形状としている。なお、図 12に示す中空形 状は、前述同様に、例えばドライエッチング等の通常の技術を用いてエッチングする ことで実現可能である。
[0073] 本実施形態では、チャネル型半導体導光路 26は、互いに反対の極性の 2つのキヤリ ァ濃度の高い部分 34a, 34bがチャネル型半導体導光路 26内の光 52の伝搬経路 上に光 52の伝搬方向に沿って前後して互いに隣接して形成されている。キャリア濃 度の高い部分 34a, 34bの構成は、図 12の光増幅器 16と同様で、光 51の伝搬方向 に沿って順に p型、 n型の半導体のキャリア濃度の高い部分 34a, 34bを有している。 キャリア濃度の高 ヽ咅分 34a, 34biま、ワイヤボンディング 36a, 36b【こより電極 23a, 23bと接続されている。また、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bは、フォトニック結晶 の共振器 28の部分に PNジャンクションを形成している。これにより、図 12の光増幅 器 16と同様に、光増幅器 40は、光増幅と光変調との両機能を持つことができる。光 増幅器 40の製造方法の手順は、第四実施形態で説明した光増幅器 14 (図 10を参 照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅器 40の場合には、第四実施形態で説 明した光増幅器 14の金属線 35a, 35bを形成する手順はなぐ別途ワイヤボンディン グ 36a, 36bを接続する手順が電極 23a, 23bを形成する手順の後に必要となる。
[0074] (第九実施形態）
図 16に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1、図 6、図 13及び図 15で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示 しているため説明は省略する。
[0075] 図 16の光増幅器 41は、基板 21と、基板 21上に形成されたチャネル型半導体導光 路 26と、チャネル型半導体導光路 26に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を 備える。本実施形態では、主として半導体導光路がチャネル型である点が図 13の光 増幅器 17と異なっている。また、本実施形態では、キャリア濃度の高い部分 34の構 成が異なる他は、第八実施形態で説明した光増幅器 40 (図 15を参照。）と同一であ る。
[0076] 本実施形態では、チャネル型半導体導光路 26は、互いに同一の極性の 2つのキヤリ ァ濃度の高い部分 34a, 34bがチャネル型半導体導光路 26内の光の伝搬経路を間 に挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されて 、る。キャリア濃度の高 ヽ部 分 34a, 34bの構成は、図 13の光増幅器 17と同様で、 n型の半導体の 2つのキャリア 濃度の高い部分 34a, 34bを有している。本実施形態では、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bは、図 16に示すように共振器 28の外側に配置することが好ましい。共振 器 28上に配置すると導波する光が吸収されやすくなるからである。光増幅器 41では 、キャリア濃度の高い部分 34a, 34bを光の伝搬経路を間に挟むように配置したため 、図 13の光増幅器 17と同様に、ゲート電極 27に印加する電圧を制御して光の増幅 度を制御することができ、また、光の伝搬経路上での半導体の転移と欠陥濃度を低く してキャリアによる光の吸収を減少させることができる。光増幅器 41の製造方法の手 順は、第四実施形態で説明した光増幅器 14 (図 10を参照。）の製造方法と同様であ る。但し、光増幅器 41の場合には、第四実施形態で説明した電極 23a, 23bを形成 する手順の時に、さらにゲート電極 27を形成する。また、第四実施形態で説明した光 増幅器 14の金属線 35a, 35bを形成する手順はなぐ別途ワイヤボンディング 36a, 36bを接続する手順が電極 23a, 23bを形成する手順の後に必要となる。
[0077] (第十実施形態）
図 17に、本実施形態に係る光増幅器の概略構成図を示す。ここで、図 1、図 6、図 14及び図 15で説明した構成要素と同一符号の構成要素は相互に同一のものを示 しているため説明は省略する。
[0078] 図 17の光増幅器 42は、基板 21と、基板 21上に形成されたチャネル型半導体導光 路 26と、チャネル型半導体導光路 26に電圧を印加する一対の電極 23a, 23bと、を 備える。本実施形態では、主として半導体導光路がチャネル型である点が図 14の光 増幅器 18と異なっている。また、本実施形態では、キャリア濃度の高い部分 34a, 34 bの構成が異なる他は、第八実施形態で説明した光増幅器 40 (図 15を参照。）と同 一である。
[0079] 本実施形態では、チャネル型半導体導光路 26は、互いに同一の極性の 2つのキヤリ ァ濃度の高い部分 34a, 34bがチャネル型半導体導光路 26内の光 52の伝搬経路 上に光 52の伝搬方向に沿って前後して離れて形成されて ヽる。キャリア濃度の高!ヽ 部分 34a, 34bの構成は、図 14の光増幅器 18と同様で、 n型の半導体の 2つのキヤリ ァ濃度の高い部分 34a, 34bを有している。本実施形態では、キャリア濃度の高い部 分 34a, 34bは、前述の第九実施形態で説明した光増幅器 41 (図 16を参照。）と同 様、共振器 28の外側に配置することが好ましい。光増幅器 42では、キャリア濃度の 高い部分 34a, 34bを光の伝搬方向に沿って前後して離して配置したため、図 14の 光増幅器 18と同様に、ゲート電極 27に印加する電圧を制御して光の増幅度を制御 することができ、また、プラズマ共鳴を生じ易くして増幅係数を向上させると共に増幅 可能な帯域を広くすることができる。光増幅器 42の製造方法の手順は、第四実施形 態で説明した光増幅器 14 (図 10を参照。）の製造方法と同様である。但し、光増幅 器 42の場合には、第四実施形態で説明した電極 23a, 23bを形成する手順の時に、 さらにゲート電極 27を形成する。また、第四実施形態で説明した光増幅器 14の金属 線 35a, 35bを形成する手順はなぐ別途ワイヤボンディング 36a, 36bを接続する手 順が電極 23a, 23bを形成する手順の後に必要となる。
産業上の利用可能性
本発明の光増幅器は、光通信に用いられる光伝送媒体やバイオセンサ等の一部 に適用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光 路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光 の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、
前記スラブ型半導体導光路は、前記スラブ型半導体導光路のうち前記一対の電極 の間の前記スラブ型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の間の前記 スラブ型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする光 増幅器。
[2] 基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるスラブ型半導体導光 路と、前記スラブ型半導体導光路上で前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光 の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、
前記スラブ型半導体導光路は、前記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光 路上に前記スラブ型半導体導光路の半導体のバンドギャップよりも高いエネルギー の光が照射されることを特徴とする光増幅器。
[3] 基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の 2つのキャリア濃度の高い部 分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に 沿って前後して互いに隣接して形成されているスラブ型半導体導光路と、前記スラブ 型半導体導光路のキャリア濃度の高 、部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え る光増幅器。
[4] 基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の 2つのキャリア濃度の高い部 分が所定の波長の光を伝搬させる導光路上に前記導光路内の光の伝搬経路を間に 挟むように光の伝搬方向に前後して離れて形成されて!ヽるスラブ型半導体導光路と 、前記スラブ型半導体導光路のキャリア濃度の高!、部分に電圧を印加する一対の電 極と、を備える光増幅器。
[5] 基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の 2つのキャリア濃度の高い部 分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に 沿って前後して離れて形成されて!ヽるスラブ型半導体導光路と、前記スラブ型半導 体導光路のキャリア濃度の高 、部分に電圧を印加する一対の電極と、を備える光増 幅器。
[6] 請求項 1から 5の 、ずれかに記載の光増幅器にぉ 、て、前記スラブ型半導体導光 路は、前記スラブ型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘 電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることを特徴とする光増幅器
[7] 請求項 6に記載の光増幅器において、前記フォトニック結晶は、前記スラブ型半導 体導光路のうち、前記スラブ型半導体導光路の光の伝搬経路と前記キャリア濃度の 高い部分の前記スラブ型半導体導光路のキャリアの移動経路との共通する部分の少 なくとも一部の領域を除くように前記スラブ型半導体導光路の表面に複数の穴が設 けられて!/ヽることを特徴とする光増幅器。
[8] 請求項 1から 7のいずれかに記載の光増幅器において、前記基板は、少なくとも前 記一対の電極の間の前記スラブ型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中 空形状であることを特徴とする光増幅器。
[9] 基板と、前記基板上に形成され所定の波長の光を伝搬させるチャネル型半導体導 光路と、前記チャネル型半導体導光路上で前記チャネル型半導体導光路内を伝搬 する光の伝搬方向上に対向して設けられた一対の電極と、を備え、
前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路のうち前記一対 の電極の間の前記チャネル型半導体導光路内のキャリア濃度が前記一対の電極の 間の前記チャネル型半導体導光路を除く他の部分のキャリア濃度よりも高ぐ且つ前 記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の伝搬方向に沿って周期的に誘電率が 変化して共振特性を有するフォトニック結晶であることを特徴とする光増幅器。
[10] 基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の 2つのキャリア濃度の高い部 分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に 沿って前後して互いに隣接して形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チ ャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、 を備え、
前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の 伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶で ある光増幅器。
[11] 基板と、前記基板上に形成され、互いに反対の極性の 2つのキャリア濃度の高い部 分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に 沿って前後して互いに隣接して形成されているチャネル型半導体導光路と、前記チ ャネル型半導体導光路のキャリア濃度の高い部分に電圧を印加する一対の電極と、 を備え、
前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の 伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶で ある光増幅器。
[12] 基板と、前記基板上に形成され、互いに同一の極性の 2つのキャリア濃度の高い部 分が所定の波長の光を伝搬させる導光路内の光の伝搬経路上に光の伝搬方向に 沿って前後して離れて形成されて!ヽるチャネル型半導体導光路と、前記チャネル型 半導体導光路のキャリア濃度の高 、部分に電圧を印加する一対の電極と、を備え、 前記チャネル型半導体導光路は、前記チャネル型半導体導光路内を伝搬する光の 伝搬方向に沿って周期的に誘電率が変化して共振特性を有するフォトニック結晶で ある光増幅器。
[13] 請求項 9から 12のいずれかに記載の光増幅器において、前記フォトニック結晶は、 前記チャネル型半導体導光路のうち、前記チャネル型半導体導光路の光の伝搬経 路と前記キャリア濃度の高い部分の前記チャネル型半導体導光路のキャリアの移動 経路との共通する部分の少なくとも一部の領域を除くように前記チャネル型半導体導 光路の表面に複数の穴が設けられていることを特徴とする光増幅器。
[14] 請求項 9から 13に記載の光増幅器において、前記基板は、少なくとも前記一対の 電極の間の前記チャネル型半導体導光路の下部分の厚さを薄くするように中空形状 であることを特徴とする光増幅器。
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