JP5474065B2 - 光信号を増幅、変調及び検出するためのナノワイヤの光学的ブロック・デバイス - Google Patents

Description

回路基板上のコンピュータ・チップの速度が高まり、ますます高速になるにつれて、チップ間通信における通信ボトルネックがより大きな問題になっている。１つの有望な解決策は、光学系を用いて高速のコンピュータ・チップを相互接続することである。しかしながら、ほとんどの回路基板は多くの層を含み、それらの製造時には、１ミクロン未満の許容差が求められることがしばしばである。光ファイバを物理的に配置し、ファイバをチップに接続することは、回路基板の製造工程に広く採用するにはあまりにも不正確であり且つ時間がかかる可能性がある。

さらに、中実コア光導波路内の複数の位置で光信号にアクセスすることが難しい場合がある。光信号にアクセスするたびに、それが元の信号を妨げ劣化させる恐れがある。したがって、広帯域データ転送に対する要求があるにもかかわらず、市場性のあるチップ間の光相互接続は現実的ではないことが立証されている。

本発明の特徴及び利点は、添付図面と併せて取り上げられ、共に本発明の特徴を例として示す以下の詳しい説明から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態による大コア中空金属化導波路の説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤが垂直方向に向けられたナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 ｐドープ領域、真性領域及びｎドープ領域からなるナノワイヤの説明図である。 ナノワイヤが基板に対してオフアクシス方向を有することを示す、本発明の一実施形態によるナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤが略水平方向に向けられたナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤが略垂直方向及び水平方向にあるナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤが傾けて取り付けられたナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤが実質的にランダムに整列したナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤが基板に対して略直交して形成されたナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列が垂直なナノワイヤを有するナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列が水平なナノワイヤを有するナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列が垂直及び水平なナノワイヤを有するナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列が傾けて取り付けられたナノワイヤを有するナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列が実質的にランダムに整列したナノワイヤを有するナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列が基板に対して略直交して形成されたナノワイヤを有する、ナノワイヤの光学的ブロック・デバイスの説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの光学的ブロックが導波路内の溝に挿入された大コア中空金属化導波路の説明図である。 本発明の一実施形態による、実質的に開放された領域を備えたナノワイヤの格子配列を有するナノワイヤの光学的ブロック検出器の説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの光学的ブロックが光信号を増幅及び検出するように構成され、導波路内の溝に挿入された、大コア中空金属化導波路の説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列の各領域に比較的低い密度のナノワイヤを備えたナノワイヤの格子配列を有する、ナノワイヤの光学的ブロック検出器の説明図である。 本発明の一実施形態による、ナノワイヤの格子配列の各領域に比較的高い密度のナノワイヤを備えたナノワイヤの格子配列を有する、ナノワイヤの光学的ブロック検出器の説明図である。 大コア中空金属化導波路内の光信号を増幅、変調及び検出するための方法を示すフローチャートである。

次に、図示される例示的な実施形態を参照するが、本明細書では、同じものを記述するのに特定の用語が用いられる。それでも、そうすることによって本発明の範囲を限定することを意図するものではないことが理解されるであろう。

回路基板上のコンピュータ・チップ間に光相互接続を形成するための１つの方法は、回路基板上に形成された光導波路を使用することである。光導波路は、リソグラフィ工程又は同様の工程を用いて回路基板上に導波路を形成することができるため、電子機器の相互接続に関して光ファイバ通信より優れていることがある。導波路は通常、ポリマー及び／又は誘電体などの実質的に光透過性の材料を用いて回路基板上に形成される。リソグラフィ工程又は同様の工程を用いて製造される光導波路は、回路基板上に取り付けられない他のタイプの基板上に形成することもできる。例えば、（１つ又は複数の）光導波路を可撓性基板上に形成して、１つ又は複数の光導波路を有するリボン・ケーブルを作製することができる。本願において開示される光導波路は、リソグラフィ工程又は同様の工程を用いて基板上に形成される。

このように光導波路を形成することによって、最近の多層回路基板に対して用いられる、必要な物理的許容差で構成される相互接続を実現することが可能になる。しかしながら、ポリマー、誘電体、並びにチップ及び回路基板の製造時に回路基板上の導波路を形成するのに用いることができる他の材料は、通常、光ファイバよりかなり損失が大きい。実際に、回路基板上の導波路における損失量は、光導波路の相互接続の採用を制限する要因の１つになっている。導波路を構成するのに用いられるポリマーは、１センチメートルあたり０．１ｄＢの損失量を有することがある。対照的に、光ファイバにおける損失量は、１キロメートルあたり約０．１ｄＢである。したがって、ポリマー導波路は、光ファイバにおける損失量より数桁大きい損失量を有する可能性がある。

さらに、典型的な導波路は通常、それらが伝達するように設計された光の波長と略比例した寸法を有するように製造される。例えば、１０００ｎｍ光を伝達するように構成されたシングルモード導波路は、１０００ｎｍ〜５０００ｎｍ（１μｍ〜５μｍ）の最大寸法を有することがある。この大きさの導波路を接続することは、費用がかかり且つ困難である可能性がある。導波路を作製及び接続する費用のために、ほとんどの一般的な用途における導波路の使用は歴史的に減少している。マルチモード導波路は、コア領域に対して２０〜６０μｍ程度大きい寸法を有することができる。シングルモード導波路もマルチモード導波路も、０．０１〜０．０２のコアとクラッドの屈折率コントラストに対して、約０．２〜０．３という比較的高い開口数（ＮＡ）を有する。開口数によって、放射ファイバからのビームの発散が決まる。したがって、ＮＡが大きくなると、ファイバ間の隔たりに応じて結合が不十分になる。こうした導波路を用いて、案内される光ビームの分割及びタッピングを行うことはやはり困難である。

ポリマー又は誘電体材料を用いて形成される従来の光導波路に対する実質的な改善点は、図１に示すように、コヒーレント光１０８を案内するように構成された大コア中空導波路を使用することである。大コア中空導波路は、導波路が案内するように構成されたコヒーレント光の波長の５０〜１５０倍程度、又は１５０倍超の直径（或いは幅及び／又は高さ）を有することができる。大コア中空導波路は、正方形、長方形、円形、楕円形、又は光信号を案内するように構成されたいくつかの他の形の断面形状を有することができる。さらに、導波路が中空であるため、光は本質的に空気又は真空における光速で伝わる。

図１は、マルチモード・ビーム１０６を導波路１０５内に放射する光源（通常はレーザ又は発光ダイオード）１０２を示している。マルチモード・ビームは、導波路の壁の間をはね返ることができる。反射するたびに、かなりのビームの損失が生じる可能性がある。導波路内での損失を低減するために、中空導波路１００の内部を覆うように反射コーティング１１３を加えることができる。理解できるように、反射コーティングは、めっき、スパッタリング又は同様の工程を用いて形成することができる。中空導波路が低い融点を有するポリマー又は他の材料を含む場合には、スパッタリング、電気めっき又は熱蒸着などの低温工程を用いて反射コーティングを適用することができる。

反射コーティング１１３は、金属、誘電体、又はコヒーレント光の波長で実質的に反射性である他の材料の１つ又は複数の層からなることができる。金属は、それらの反射率に基づいて選択することができる。高反射性の層が経路を覆うことが望ましい。例えば反射層は、銀、金、アルミニウム、又は高反射性の層を形成することが可能ないくつかの他の金属若しくは合金を用いて形成することができる。

或いは、反射コーティング１１３は、選択された波長で実質的に反射性である誘電体材料の１つ又は複数の層から形成することが可能な誘電体スタックであってもよい。反射コーティングを堆積させる前に、被覆されていない中空の経路を熱リフローにかけ、表面粗さを除くことができる。反射コーティングも熱リフロー又は同様の工程にかけ、堆積工程中に生じることがある反射層の表面粗さを除くことができる。電解研磨を用いて反射性の金属表面を滑らかにすることもできる。反射コーティングを有する大コア中空導波路を、大コア中空金属化導波路と呼ぶ。

光案内デバイスが気密封止されていない場合には、反射コーティング１１３が経時的に酸化する可能性がある。反射コーティングの酸化は、その反射率を実質的に低下させる恐れがある。金属コーティングの反射率の低下を軽減する又はなくすために、反射コーティングの上に保護層１１１を形成することができる。保護層は、コヒーレント光の波長で実質的に透過性の材料を含むことができる。例えば保護層は、二酸化ケイ素、又は反射コーティングの上に実質的に気密性の結合を形成することが可能ないくつかの他の材料で形成することができる。この保護層はまた、伝搬光を損失の大きい反射層からさらに隔離することによって伝搬損失を低減する。

反射性の表面を有する中空導波路は、中実導波路とは異なる働きをする。中空導波路は、光ファイバなどの中実導波路で通常行われるような、より高い屈折率のコア領域とより低い屈折率のクラッド領域との間の全内反射によるのではなく、（１つ又は複数の）反射層からの反射によって光を案内する減衰全内反射の原理を用いて機能する。理解できるように、中空導波路内の光は、全内反射に必要である角度より大きい入射角で反射させることができる。

円形の中空導波路の場合、ＴＥ₀₁モードは、式１：

（式中、αは導波路の半径であり、ωはラジアン単位の光の周波数であり、ω_cはＴＥ₀₁の遮断周波数であり、ηは自由空間のインピーダンスである）に従って決定することができる、単位長さあたりの減衰量を有する。中空導波路における減衰は、金属壁の限界のある伝導率によるものである。Ｒ_sは金属の表面抵抗率であり、下式：

（式中、σは伝導率であり、ｆは光の周波数であり、δは金属内への光の透過深さであり、μは金属の透過率である）によって与えられる。Ｒ_sはｆの平方根として増大することを理解することができる。

前述の式（１）から、ＴＥ₀₁モードに対する減衰量は周波数の増大と共に減少することを理解することができる。周波数の増大に応じた減衰量の減少は、高い周波数ではそのモードが案内壁に結合されないために生じる。

中空金属導波路１００内に存在する、さらに高次のモードもある。しかしながら、これらのモードは、金属壁により多く結合される（すなわち、それらのより高い開口数によってより多くの反射を受ける）ため、損失がきわめて大きい。導波路の湾曲部及び不連続部では、ＴＥ０１モードはより高次のオーダモードへモード変換されるため、減衰される。最も損失の低いモードは、垂直面から急な角度で反射壁をかすめるだけであり、結果として導波路を下流へ伝搬するときのはね返りの数が少なくなる１組の光線によって記述することができる。このため、低損失モードは、従来型の中実コア導波路に比べてきわめて小さい開口数を有する。

理想的には、コヒーレント光を中空導波路内に方向付けるために、一般にシングルモード・レーザが用いられる。しかしながら、シングルモード・レーザは比較的費用がかかる場合がある。反射性の内面を有する中空導波路を用いて高データ・レート信号を比較的短い距離を介して通信する際には、より安価な垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのマルチモード・レーザが有用となり得ることが分かっている。例えばマルチモード・レーザを用いて、高データ・レート信号を、チップ間及び回路基板間の接続部として用いられる反射性の大コア中空導波路を通して方向付けることができる。マルチモード・レーザを使用すると、光相互接続に関する費用を大幅に低減することができ、ずっと広範の様々な電子デバイスの相互接続に光相互接続を使用することが可能になる。しかしながら、マルチモード・レーザの出力は、中空金属導波路に直接結合するとき、かなり大きい損失量を有する可能性がある。

マルチモード・レーザ１０２から放射されるより高いモードの減衰を克服するために、レーザから放射されるマルチモード光線１０６の経路内にコリメータ１０４を配置することができる。コリメータは、１つのコリメート・レンズ又は一連のレンズとすることができる。一実施形態では、コリメータは球形レンズとして構成することができる。球形レンズは、反射防止コーティングを有することができる。

コリメータ１０４は、マルチモード・ビームをコリメートして、複数の多重モード、又はレーザ１０２から放射された光線１０６が、多重モードが大コア中空導波路２００の中を略平行に伝わるコリメート・ビーム１０８を形成するように構成される。マルチモード・ビームのコリメーションを用い、導波路に略並行な光線を発射して導波路内に生じる反射の数を実質的に減らすことにより、マルチモード・レーザを中空金属導波路の低損失モードに効率的に結合することができる。導波路内で生じるコリメート・ビームの反射は、通常は導波路の壁に対して比較的浅い角度になり、したがって導波路内での反射の数を最小限に抑え、中空導波路内の光の減衰を低減する。

さらに、コリメータによってビームの直径を圧縮して、導波路をアンダーフィルすることができる。換言すれば、コリメート・ビームが、導波路の直径、幅又は高さより小さい直径を有することができる。コリメート・ビームを圧縮して導波路をアンダーフィルすることにより、外側のモード又は光線と、大コア中空導波路の内側の反射コーティングとの相互作用を低減すること、またより大きいミスアライメントの許容値を許容することができる。

大コア中空導波路１００をアンダーフィルするようにコリメート及び圧縮されたコヒーレント・ビーム１０８でも、ビームの幅又は直径が、導波路のかなりの部分を占める可能性がある。例えば、コリメート・ビームは、導波路の幅の半分より大きい直径を有することがある。マルチモードのコリメート・ビームの幅は、シングルモード・ビームに比べて、導波路内のマルチモード・ビームのミスアライメントの許容値を減じることがある。

例えば、８５０ｎｍ光のコヒーレントなマルチモード・ビームは、反射コーティングを有し、損失量が０．０７ｄＢ／ｃｍ程度である１５０μｍの大コア導波路を通して伝達することができる。導波路を出る光の開口数は、０．０５未満になるように決定した。導波路の損失量は、その大きさによって決めることができる。導波路の大きさが小さいほど、導波路の内反射（はね返り）の数が増大するため、高い損失量を有するようになる。したがって、より大きい導波路を用いて損失を低減することができる。

導波路を通る光の経路が実質的にまっすぐでない場合には、導波路１００内でかなりの損失が生じる可能性がある。導波路に存在する湾曲部又は屈曲部によって、光が望ましくない数のはね返りを有するようになり、かなりの量の減衰を引き起こす恐れがある。光信号を異なる方向に経路指定することを可能にするために、ミラー、スプリッタ及びレンズを用いることができる。しかしながら、こうした構成要素のそれぞれが、光信号１０８の損失及び劣化をもたらすこともある。こうした損失は、導波路の比較的かなりの長さにわたって重要になることがある。損失は、スプリッタなど多数の光学的デバイスを用いて導波路内の複数の位置で光信号を除く、又はその方向を変える場合に重要になることもある。

本発明の一態様によれば、信号がより長い距離を伝わるようにするために、且つ／又はスプリッタ、レンズ及びミラーなどの追加の光学的な構成要素を用いることを可能にすると同時に、光信号が中空金属導波路内の所望の出力レベルを維持できるようにするために、中空金属導波路１００に挿入し、光信号１０８を増幅することができる安価なフォトニック・デバイスが求められていることが認識されている。

本発明の一実施形態では、図２ａ、２ｂ及び２ｄ〜２ｈに図示する例示的な実施形態に示すように、光信号を増幅、変調及び検出するためのナノワイヤの光学的ブロック・デバイス２００を、大コア中空金属導波路に挿入されるように構成することができる。ナノワイヤの光学的ブロックはそれぞれ、基板材料２０２、及び光学的ブロックのアクティブ領域２０４内に配置された複数のアクティブなナノワイヤ２０６からなることができる。ナノワイヤの光学的ブロックは、中空金属導波路１００に挿入するような大きさに作製することができる。

光学的ブロックの基板２０２は、単結晶シリコン、微結晶シリコン、短距離の結晶情報を有する非晶質シリコン、燐化インジウム（ＩｎＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ−Ｖ材料など、導電性材料で構成することができる。一実施形態では、基板は、選択された周波数で実質的に光透過性である材料で形成することができる。或いは、光信号からの光がナノワイヤと相互作用できるように、基板をアクティブ領域２０４から実質的に除くこともできる。

適切に形成されたナノワイヤ２０６はそれぞれ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ及びそれらの合金などのＩＩＩ−Ｖ材料で形成することが可能であり、直径は中空金属導波路内の光信号の波長より小さくする。図２ｂに示すように、ナノワイヤは、ｐ型領域、低濃度にドープされた真性領域及びｎ型領域を有するＰＩＮダイオードとして構成することができる。ＰＩＮダイオードは、ホモ接合又はヘテロ接合とすることができ、その場合、それはＩＩＩ−Ｖ材料族の三元合金及び四元合金を含む。ｐ型領域及びｎ型領域は通常、導電性基板２０２とのオーム接点として用いるために高濃度にドープされる。一実施形態では、真性領域は量子井戸として働くことができる。

光学的ブロック内のナノワイヤ２０６を順方向にバイアスすることによって、ナノワイヤと相互作用する光子に対する利得が与えられる。適切に成形されたナノワイヤはそれぞれ、中空金属導波路内の光信号中の光子を増幅する、小型の半導体光増幅器として動作することができる。ナノワイヤは、基板２０２に対して特定の並びで整列させることができる。図２ｃに示すように、各ナノワイヤは、基板に対して数十度とすることができる選択された角度２０５だけ、基板からオフアクシスしてもよい。選択された角度は、導波路１００（図１）内の光子とナノワイヤの間で所望のレベルの相互作用をもたらすように決めることができる。ナノワイヤは、オンアクシス（基板と同一平面にある）であれオフアクシス（選択された角度で基板から離れるように方向付けられる）であれ、水平（図２ａ）、垂直（図２ｄ）、水平と垂直の両方（図２ｅ）、選択された角度（図２ｆ）、実質的にランダムな形（図２ｇ）、又は基板に対して垂直（図２ｈ）など、特定の方向に整列させることもできる。垂直なナノワイヤは、導波路１００の光軸に対して９０度より数十度小さい又は９０度より大きい特定の角度で形成することもできる。

光信号１０８（図１）を偏光させるとき、基板２０２に対するナノワイヤ２０６の特定の並びを用いることができる。例えば、水平又は垂直な並びによって、偏光した光信号を増幅すると同時に、信号の選択された偏光状態を保つことを可能にすることができる。ナノワイヤを整列させることによって、偏光した信号を増幅するためのより効率的な手段を提供することもできる。或いは、実質的にランダムに整列したナノワイヤ２０６を有するナノワイヤのブロック２００は、偏光スクランブルされた光信号を増幅するのにより効果的なものとなり得る。

これまでに論じたように、典型的な中空金属導波路１００（図１）は、約１５０μｍの高さ及び幅を有することができる。しかしながら、そうした長さのナノワイヤの形成が難しい場合がある。さらに、比較的かなりの長さを有するナノワイヤは、かなり脆いことがある。こうした限界を克服するために、図３ａに示すように、ナノワイヤの格子配列を有する光学的ブロック３００を形成することができる。格子配列は、内部にナノワイヤを形成することが可能な領域３０２の配列３０８からなることができる。各領域は、ナノワイヤを結合することが可能なボックス又はフレーム３０４を含むことができる。フレームは、基板２０２（図２ａ）などの基板からなるボックスとすることができる。基板は、図２ｃに示すように、ナノワイヤが選択された角度で基板から離れるように方向付けされた状態で、実質的に連続的なものとすることができる。フレームは、フレームに接続されたナノワイヤを、所望されるように順方向にバイアスする又は逆方向にバイアスすることができるように構成することが可能である。図３ａ〜ｆに示す例示的な実施形態では、フレームを正方形として示してあるが、フレームは、長方形、円形、三角形、ハニカム形、又はナノワイヤを取り付け、バイアスすることが可能な他の多角形など、実質的に任意の形にすることができる。

一実施形態では、格子配列３０８内の各領域３０２は、約１０μｍ×１０μｍの寸法を有することができる。格子内の各領域は、隣接する領域から、光信号１０８（図１）の光の波長より小さい距離を置いて配置することができる。光信号の光の波長より小さい直径を有する複数のＰＩＮダイオードのナノワイヤ３０６を、それぞれの領域内に形成することができる。ナノワイヤも、光の波長より実質的に小さい距離に間隔を置いて配置することができる。例えば８５０ｎｍの波長を有する光信号の場合、各１０μｍ×１０μｍの領域は、１０ｎｍ〜１００ｎｍの直径を有する複数のナノワイヤからなることができる。ナノワイヤは、隣接するナノワイヤから１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の距離を置いて配置することができる。各領域３０２は、格子配列内の隣接する領域から１μｍ未満の距離を置いて配置することができる。

図３ａ〜３ｆでは、ナノワイヤの格子配列３０８を含む光学的ブロック３０２の例示的な実施形態が示される。図２ａ〜２ｈを参照してこれまでに論じたように、ナノワイヤは、光学的ブロック３００を含む格子配列の各領域３０２の中で、選択された方向に、基板に垂直な方向の軸から数十度ずれた方向に向けることができる。ナノワイヤは、垂直（図３ａ）、水平（図３ｂ）、水平及び垂直（図３ｃ）、又は格子配列内のフレーム３０４に対して選択された角度（図３ｄ）に向けることができる。或いは、ナノワイヤを実質的にランダムな形で方向付けることもできる（図３ｅ）。これまでに論じたように、ナノワイヤは、基板に対して略垂直に（図３ｆ）、又は導波路１００の光軸に対して選択された角度で形成することもできる。一実施形態では、光学的ブロック３００を含む選択された格子配列内の各領域３０２が、実質的に同様の並びのナノワイヤを有することができる。或いは、光学的ブロックが、光学的ブロックを含む領域内に２つ以上の異なる並びを含んでもよい。

一実施形態では、ナノワイヤ３０６は、異なる領域３０２内のナノワイヤを用いて異なる波長の信号を選択的に検出することができるように、異なるバンドギャップ材料を用いて構成することが可能である。例えば、ナノワイヤのブロック３００は、少なくとも２つの異なるバンドギャップを有するナノワイヤを含むことができる。十分な領域３０２が、第１の波長の２０％を吸収するように、第１のバンドギャップを有するナノワイヤを含むことができる。十分な領域が、多重化された光信号における第２の波長の９０％を吸収するように、第２のバンドギャップを有するナノワイヤを含むことができる。低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ）信号を検出、増幅及び／又は変調することを可能にするために、ナノワイヤのブロック内に、複数の異なるバンドギャップを有するナノワイヤを含めることができる。

図３ａ〜３ｆに示す、光学的ブロック３００などの１つ又は複数のナノワイヤの光学的ブロックは、図４に示すように中空金属化導波路１００に挿入することが可能である。ナノワイヤを順方向にバイアスすると、これまでに論じたように、適切に形成されたナノワイヤ３０６の各領域３０２（図３ａ）を用いて、光信号１０８を増幅することができる。ナノワイヤの光学的ブロックから出力される増幅された光信号に関する信号とノイズの比が所望のレベルより大きい限り、複数のナノワイヤの光学的ブロックを導波路に挿入することができる。

図２ａ及び２ｄ〜２ｈ、並びに３ａ〜３ｆに示す例など、ナノワイヤの光学的ブロックは、図４の例示的な実施形態に示すように、中空金属化導波路１００内に形成されたスロット４０２に挿入されるように構成することができる。一実施形態では、溝は、導波路内の光信号の経路に略直交する角度で形成することができる。しかしながら、適切な並びは光学的ブロックの機能にとって重要ではない。光学的ブロックは、数度ずれて並べてもよく、それでも光信号の経路に直交するデバイスと実質的に同様に機能することができる。さらに、光学的ブロックに反射防止コーティングを施し、中空金属化導波路内への後方反射をなくすことができる。

中空金属化導波路１００を使用することにより、導波路を通って伝わる光信号１０８が実質的に劣化することなく、ナノワイヤの光学的ブロック３００を挿入することができる。これは、光信号が導波路内の空気の媒体又は真空を通って伝わるために可能になる。対照的に、外部のデバイスを光ファイバ導波路又はポリマー導波路などの中実コア導波路内のスロットに挿入すると、ファイバのコアと空気又は真空との間で屈折率が変化するため、光信号が実質的に劣化する可能性がある。したがって、大コア中空金属化導波路を使用することにより、ナノワイヤの光学的ブロックを導波路内に形成されたスロット４０２に挿入することが可能になる。

ナノワイヤの光学的ブロック３００は、製造又は試験のために簡単に挿入できる、いわゆるドロップ・イン式のブロックとすることが可能である。ドロップ・イン式のブロックは、手で、器具を用いて、又はロボット・システムなど自動化された機械的手段を用いて挿入することができる。ブロックは、例えば接着剤を用いてスロットの中に迅速に取り付けることができる。中実導波路とは対照的に、ブロックが挿入された後に中空金属導波路内に残存する小さい隙間が、光信号を著しく劣化させることはない。中空金属導波路は通常、隙間に対してきわめて寛容である。望ましくない過剰量の損失をまねくことなく、導波路内に約１０分の数ミリメートルの隙間が存在し得る。例えば０．１ｍｍの隙間は、光信号に０．０３ｄＢの損失量をもたらすことが分かっている。隙間の大きさが増すにつれて、光損失量は直線的に増大する。ナノワイヤの光学的ブロックを中空金属化導波路に迅速且つ安価に挿入することができるため、製造及び試験時の費用をかなり節約することが可能になる。

他の実施形態では、ナノワイヤの光学的ブロック３００の中に適切に形成されたナノワイヤをそれぞれ含むＰＩＮダイオード３０６（図３ａ）を、逆方向にバイアスさせることができる。逆方向バイアスの下では、ＰＩＮダイオードの真性領域と相互作用する中空金属導波路内の光信号からの光子が、領域内で電荷担体を発生させることができる。逆方向バイアス場は真性領域から担体を運び去り、検出可能な電流を生成することができる。したがって、逆方向にバイアスしたナノワイヤの光学的ブロックは、光検出器として働くことができる。逆方向にバイアスしたナノワイヤの光学的ブロックでは、適切に形成されたＰＩＮダイオードはそれぞれ、中空金属化導波路内の光信号の波長より小さい半径を有し、光信号との干渉を最小限に抑えることができる。

通常は、ＰＩＮダイオード３０６のナノワイヤと光信号の間に強い相互作用があることが望ましい。これは、図３ａ〜３ｆに例示的な実施形態として示す、ナノワイヤの格子配列３０８を用いることによって得ることができる。光の波長より小さい直径を有するナノワイヤを用いると、通常は光の一部のみが吸収される。格子配列によって光信号の複数の反射を生じさせることができ、それによって複数の電子孔対を発生させ、ナノワイヤと光信号の間の強い相互作用が可能になる。検出器として用いるときには、ナノワイヤは、光信号の波長より大きい距離を置いて配置することができる。

図５に示す例示的な一実施形態では、ナノワイヤの格子配列５０８を有する、逆方向にバイアスしたナノワイヤの光学的ブロック検出器５００において、選択された数の領域５０２を実質的に開放した状態にしておくことができる。実質的に開放された領域は、減少した数のナノワイヤを有するか、又はナノワイヤが全くないようにすることができる。これにより、所定量の光信号１０８が検出器を通過できるようになり、それによって、特定量の光信号を検出し、光信号の残りの部分が中空金属化導波路１００内を伝搬し続けることが可能になる。

一実施形態では、ナノワイヤの格子配列５０８内の領域の総数に対する開放領域５０２の比を、導波路１００内のナノワイヤの光学的ブロック検出器５００の位置に基づいて選択することができる。例えば図６の例示的な実施形態に示すように、第１の検出器５１０は、９０％の開放領域及び１０％のナノワイヤ含有領域を含むことができる。次の検出器５２０は、６０％の開放領域及び４０％のナノワイヤ含有領域を含むことができる。後続の検出器は、３０％の開放領域及び７０％のナノワイヤ含有領域を含むなどとすることができる。最後の検出器５３０は、１００％のナノワイヤ含有領域を含むことができる。光信号が弱くなるにつれて、光信号を検出するためにより多数の検出器を用いることができる。一実施形態では、検出器ブロック５００と増幅器ブロック３００の両方を、同じ導波路内に用いることができる。或いは、検出器のみを１つの導波路に挿入してもよい。

他の例示的な実施形態では、図７ａに示す第１の検出器７００を、実質的にそれぞれの領域７０２が比較的少数のナノワイヤ７０６を有するように形成することができる。増幅器として用いられるナノワイヤのブロックとは異なり、逆方向にバイアスしたナノワイヤの光学的ブロック検出器７００は、中空金属化導波路内の光信号の波長より大きい距離を置いて配置されたナノワイヤを有することができる。例えば、ナノワイヤの光学的ブロック検出器７００が、配列７０８内の領域７０２ごとにナノワイヤを１つだけ有するようにしてもよいが、通常は各領域が少なくともいくつかのナノワイヤの検出器を含む。さらに、ＰＩＮダイオードを製造する材料のタイプを、部分的に光透過性になるように選択することができる。第１の検出器の後に、さらに高い密度のナノワイヤを有する第２のナノワイヤの光学的ブロック検出器を配置することができる。後続の検出器はそれぞれ、次第に小さくなる光信号の検出を可能にするために、さらに高い密度のナノワイヤを有することができる。一実施形態では、図７ｂに示す最後の検出器７２０は、格子配列の各領域内に、実質的に最大化した検出用の領域を形成するのに十分な密度のナノワイヤを含むことができる。

ナノワイヤの光学的ブロックを中空金属化導波路内で検出器として使用することによって、光信号の選択された部分を検出するスプリッタの使用にまさる重要な利点をもたらすことができる。例えば、ブロックは中空金属化導波路内のスロットに簡単に挿入することができ、また挿入角度に対してかなり寛容である。対照的にスプリッタは、光信号を所望の角度で反射できるように、通常は比較的高い精度である角度に挿入される。ブロックは、光信号の方向に対して９０度の角度で挿入することができ、それによって、短い領域の中に多数の検出器を挿入することが可能になる。対照的にスプリッタは、通常は４５度の角度で挿入され、そのため導波路内でより大きい面積を占める。またブロックは光信号を直接検出し、それを電気チップ及びデバイスにおいて直接使用することが可能な電気信号に変換する。スプリッタでは通常、光信号を検出し、それを電気信号に変換するのに追加のレンズ及び構成要素を使用する。したがって、ナノワイヤの光学的ブロックによって、スプリッタなどの他の光学的な構成要素合に必要とされるよりも構成要素の数が少なくなり、組み立て工程が簡単になり、また許容価が大きくなることに伴い、大幅な費用削減が可能になる。

他の実施形態では、検出器７２０などのナノワイヤの光学的ブロックを光変調器として用いることができる。一実施形態では、ナノワイヤの光学的ブロックは、電界吸収型変調器として働くことができる。光学的ブロック７２０内のＰＩＮダイオード７０６は、十分に逆方向にバイアスさせ、入射光ビームの吸収を制御するようにアクティブ領域のバンドギャップをシフトすることができる。１秒あたり１０ギガビット超の伝送速度が可能な振幅変調された光信号を与えるように、バイアス信号を１０ＧＨｚ超などの高速に変調することができる。

他の実施形態では、図８のフローチャートに示すように、大コア中空金属化導波路内の光信号を増幅、変調及び検出するための方法８００が開示される。その方法は、複数のナノワイヤに結合された基板を含むナノワイヤの光学的ブロックを提供する操作８１０を含む。適切に形成されたナノワイヤはそれぞれ、これまでに論じたように、ｐドープ領域、真性領域及びｎドープ領域からなる。さらなる操作は、ナノワイヤの光学的ブロックを大コア中空金属化導波路に挿入すること８２０を含む。ブロックは導波路内のスロットに挿入し、接着剤、はんだ又は他の結合方法を用いて適所に結合することができる。もう１つの操作は、複数のナノワイヤにわたってバイアスをかけ、大コア中空金属化導波路内の光信号の増幅、変調及び検出の少なくとも１つを可能にすること８３０を含む。

前述の例は、１つ又は複数の特定の用途における本発明の原理を説明するものであるが、発明能力を発揮することなく、また本発明の原理及び概念から逸脱することなく、形態、使用及び実施の詳細について多くの変更を加えることが可能であることが当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、以下に示す特許請求の範囲による場合を除いて限定されるものではない。

Claims (10)

1. 大コア中空金属化導波路内の光信号を検出するためのシステムであって、
   ナノワイヤの複数の光学的ブロックであって、各々の光学的ブロックが、基板と該基板に結合された複数のナノワイヤとを備え、実質的にそれぞれのナノワイヤがｐドープ領域、真性領域及びｎドープ領域からなる、ナノワイヤの複数の光学的ブロックと、
   前記大コア中空金属化導波路内に該導波路に沿って形成された複数のスロットであって、前記ナノワイヤの複数の光学的ブロックの各々を前記大コア中空金属化導波路に挿入するために、前記ナノワイヤの複数の光学的ブロックの各々が前記複数のスロットの各々のスロットに挿入される、複数のスロットと、
   前記複数のナノワイヤにわたって逆方向バイアスをかけて、前記大コア中空金属化導波路内の前記光信号の検出を可能にするための手段
   を備え、
   後続のナノワイヤの光学的ブロックほどナノワイヤの密度が大きくなり、これによって、所定量の光信号を検出すると共に、光信号の残りの部分が前記大コア中空金属化導波路内を伝搬し続けることが可能であり、かつ、前記大コア中空金属化導波路に沿って進むにつれて次第に弱くなる光信号を検出することが可能であることを特徴とするシステム。
2. 前記複数のナノワイヤのそれぞれが、前記光信号の波長より小さい寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ナノワイヤの複数の光学的ブロックの各々に反射防止コーティングが施されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記ナノワイヤの複数の光学的ブロックの各々が、領域の配列からなるナノワイヤの格子配列を有して形成されており、それぞれの領域が、少なくとも１つのナノワイヤが結合された基板から構成されるフレームを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載システム。
5. 前記それぞれの領域が、隣接する領域から、前記光信号の波長より小さい距離だけ離れていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記複数のナノワイヤのそれぞれが、前記光信号の波長より小さい距離を置いて配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記ナノワイヤが異なるバンドギャップ材料から構成され、これによって、互いに異なる領域にあるナノワイヤは、互いに異なる波長の光信号を選択的に検出することを特徴とする、請求項４に記載のシステム、または、請求項５に記載のシステム、または、請求項４のみもしくは請求項５のみを引用する請求項６に記載のシステムのうちのいずれかのシステム。
8. 前記ナノワイヤの複数の光学的ブロックの各々が、領域の配列からなるナノワイヤの格子配列を有して形成されており、前記ナノワイヤの複数の光学的ブロックの各々における前記領域のうち選択された数の領域が、実質的に開放した状態とされ、全ての領域の数に対する開放した領域の数の比が、前記大コア中空金属化導波路内の前記ナノワイヤの光学的ブロックの位置に基づいて選択され、これによって、より多くの数の開放していない領域を用いて、前記大コア中空金属化導波路に沿って進むにつれて次第に弱くなる光信号を検出することが可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
9. 前記大コア中空金属化導波路に沿って進むにつれて次第に弱くなる光信号を検出するために、後続するナノワイヤの光学的ブロックほど多くのナノワイヤを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
10. 前記大コア中空金属化導波路は、該大コア中空金属化導波路内の前記光信号の波長のおよそ５０〜１５０倍、もしくは１５０倍以上の直径または幅及び／もしくは高さを有する、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。

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