特許 6139893 プラズモン量子干渉変調器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6139893

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年5月31日

(54)【発明の名称】プラズモン量子干渉変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/095 20060101AFI20170522BHJP

   G02F 1/035 20060101ALI20170522BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/095

   G02F1/035

【請求項の数】7

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-9515(P2013-9515)

(22)【出願日】2013年1月22日

(65)【公開番号】特開2014-142425(P2014-142425A)

(43)【公開日】2014年8月7日

【審査請求日】2015年8月21日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100114915

【弁理士】

【氏名又は名称】三村 治彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120363

【弁理士】

【氏名又は名称】久保田 智樹

(74)【代理人】

【識別番号】100125139

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 洋

(72)【発明者】

【氏名】森本 政仁

【審査官】 下村 一石

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−１２４５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２７２３０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ１／００−１／１２５

１／２１−７／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズモンの変調を行う変調器であって、
前記プラズモンを導波するための入力導波路と、
それぞれの入力端が前記入力導波路の出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための２つのアーム導波路と、
入力端が前記２つのアーム導波路のそれぞれの出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための出力導波路と、
前記２つのアーム導波路に囲まれている領域に磁場を発生させるための磁場発生手段と、
前記入力導波路と、前記２つのアーム導波路と、前記出力導波路とを冷却するための冷却装置と、
を備え、
前記入力導波路と、前記２つのアーム導波路と、前記出力導波路との少なくとも一部が超伝導体材料を用いて形成されており、
前記冷却装置は、前記超伝導体材料が超伝導状態になる温度に冷却可能であり、
前記プラズモンを構成する電子は、コヒーレントな状態であることを特徴とする変調器。

【請求項2】

前記２つのアーム導波路をそれぞれ通る前記プラズモンを構成する電子の波に所定の位相差を与えるように、前記磁場発生手段が前記磁場を制御する磁場制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の変調器。

【請求項3】

前記入力導波路の入力端から所定の長さの領域が、前記超伝導体材料とは異なる材料を用いて形成されており、
前記出力導波路の出力端から所定の長さの領域が、前記超伝導体材料とは異なる材料を用いて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の変調器。

【請求項4】

前記入力導波路と、前記２つのアーム導波路と、前記出力導波路とに電流を流す電流源をさらに備え、
前記電流の流れる方向は、前記プラズモンの進行する方向と逆方向である
ことを特徴とする請求項１に記載の変調器。

【請求項5】

前記入力導波路の入力端に接続されている、前記変調器に入力される光信号を導波するための入力光導波路と、
前記出力導波路の出力端に接続されている、前記変調器から出力される光信号を導波するための出力光導波路と、
をさらに備え、
前記プラズモンは、前記変調器に入力される前記光信号が前記入力光導波路から前記入力導波路に入射されることによって生成され、
前記変調器から出力される前記光信号は、前記プラズモンが前記出力導波路から前記出力光導波路に入射されることによって生成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の変調器。

【請求項6】

前記２つのアーム導波路の少なくとも一方に電圧を印加するための電圧印加手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の変調器。

【請求項7】

プラズモンの変調を行う変調器であって、
前記プラズモンを導波するための入力導波路と、
それぞれの入力端が前記入力導波路の出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための２つのアーム導波路と、
入力端が前記２つのアーム導波路のそれぞれの出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための出力導波路と、
前記２つのアーム導波路の少なくとも一方に電圧を印加するための電圧印加手段と、
前記入力導波路と、前記２つのアーム導波路と、前記出力導波路とを冷却するための冷却装置と、
を備え、
前記入力導波路と、前記２つのアーム導波路と、前記出力導波路との少なくとも一部が超伝導体材料を用いて形成されており、
前記冷却装置は、前記超伝導体材料が超伝導状態になる温度に冷却可能であり、
前記プラズモンを構成する電子は、コヒーレントな状態であることを特徴とする変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズモンを用いた変調器、より詳細には、干渉効果によってプラズモンの強度変調を行う変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信装置において、入力された光信号の強度を変調するための光変調器が用いられており、光変調器として、従来、例えばマッハツェンダ干渉計型の光変調器が知られている。マッハツェンダ干渉計型の光変調器は、入力導波路と、入力導波路から分岐する２つのアーム導波路と、２つのアーム導波路が合流する出力導波路とを有する。マッハツェンダ型光変調器においては、２つのアーム導波路の少なくとも一方の屈折率を変化させる、すなわち光の伝搬定数を変調させることによって、２つのアーム導波路を通った光の干渉を制御して強度変調を行うことができる。

【0003】

導波路の屈折率を変化させるために、例えば、電気光学効果（ＥＯ効果）が用いられる。導波路の材料には、ＥＯ効果が大きく、かつ応答速度が高いリチウムナイオベート（ＬＮ）が好適に用いられる。しかしながら、導波路にＬＮを用いる場合であっても、πラジアンの位相差に相当する屈折率変化を発生させるには、光変調器を数ｃｍ程度のサイズで構成する必要がある。また、ＬＮの材料分散のため、変調速度は数十〜１００Ｇｂｐｓ程度が限界となっている。

【0004】

さらに、光変調器は、光を用いているため光の回折限界に制約されてしまうことから、光変調器の小型化には自ずと限界がある。そこで、光通信装置の高集積化のために、近年、光の代わりにプラズモンを用いるマッハツェンダ干渉計型の変調器（プラズモン変調器という）が研究されている。プラズモン変調器は、上述のマッハツェンダ型光変調器とは、入力導波路と、２つのアーム導波路と、出力導波路とを有する点で共通する。ところが、プラズモン変調器の導波路を通過するのは光信号から生成されたプラズモンであり、２つのアーム導波路を通過したプラズモン同士の干渉を用いて強度変調を行う点でマッハツェンダ型光変調器と異なる。プラズモンには光の回折限界が適用されないため、プラズモン変調器は光の回折限界を超えた小型化が可能となる。

【0005】

非特許文献１〜３には、マッハツェンダ干渉計型のプラズモン変調器が記載されている。非特許文献１〜３に記載のプラズモン変調器は、熱光学効果（ＴＯ効果）を利用し、アーム導波路の少なくとも一方を加熱してプラズモンの伝搬定数を変化させることによって、２つのアーム導波路を通ったプラズモンの干渉を制御して強度変調を行う。特に非特許文献３では、６０μｍという小さいサイズのプラズモン変調器を実現している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】T. Nikolajsen et al., "Surface plasmon polariton based modulators and switches operating at telecom wavelengths", Appl. Phys. Lett., 2004, Vol. 85, No. 24, pp. 5833-5835

【非特許文献2】D. Kalavrouziotis et al., "First demonstration of active plasmonic device in true data traffic conditions: ON/OFF thermo-optic modulation using a hybrid silicon-plasmonic asymmetric MZI", Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2012, 2012, OW3E.3

【非特許文献3】S. Papaioannou et al., "WDM Switching Employing a Hybrid Silicon-Plasmonic A-MZI", European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC) 2012, 2012, P2.10

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、非特許文献１〜３に記載のプラズモン変調器はＴＯ効果を用いているため、熱の上昇および下降に時間を要し、応答速度の向上には限界がある。上述のＬＮを用いた光変調器では変調速度が数十〜１００Ｇｂｐｓ程度であるのに対して、非特許文献１〜３に記載のプラズモン変調器では数十Ｋｂｐｓ程度である。実用的には、より高い変調速度が求められる。

【0008】

さらに、将来的に実現が期待されている光電子集積化チップにおいては、数μｍ以下の小さいサイズの変調器が必要と考えられる。このため、非特許文献３の６０μｍのサイズでもまだ不十分であり、プラズモン変調器のさらなる小型化が求められる。

【0009】

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、従来よりも小型化が可能であり、かつ変調の高速化が可能なプラズモン変調器、およびそれを含む光変調器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の第１の態様は、プラズモンの変調を行う変調器であって、前記プラズモンを導波するための入力導波路と、それぞれの入力端が前記入力導波路の出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための２つのアーム導波路と、入力端が前記２つのアーム導波路のそれぞれの出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための出力導波路と、前記２つのアーム導波路に囲まれている領域に磁場を発生させるための磁場発生手段と、を備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の第２の態様は、プラズモンの変調を行う変調器であって、前記プラズモンを導波するための入力導波路と、それぞれの入力端が前記入力導波路の出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための２つのアーム導波路と、入力端が前記２つのアーム導波路のそれぞれの出力端に接続されている、前記プラズモンを導波するための出力導波路と、前記２つのアーム導波路の少なくとも一方に電圧を印加するための電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係るプラズモン変調器は、光から生成されたプラズモンを構成する電子波に対して磁場または電圧を印加することによって変調を行うため、従来のプラズモン変調器よりも小型化することが可能であり、さらには光の回折限界を超えた小型化が可能である。また、小型化の結果、従来のプラズモン変調器よりも高速に変調を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】プラズモンおよび電子波の波形を説明するための模式図である。

【図2】本発明の動作原理を説明するための模式図である。

【図3】第１の実施形態に係るプラズモン変調器の平面図および断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る磁場発生手段の平面図および斜視図である。

【図5】π位相変調を発生させるために必要な電流の計算方法を説明するための模式図である。

【図6】π位相変調を発生させるために必要な電流のグラフを示す図である。

【図7】プラズモンおよび電子波の波形を説明するための模式図である。

【図8】第２の実施形態に係るプラズモン変調器の平面図である。

【図9】第３の実施形態に係るプラズモン変調器の平面図である。

【図10】第４の実施形態に係るプラズモン変調器の平面図である。

【図11】第５の実施形態に係るプラズモン変調器の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

【0015】

（動作原理）
最初に、本発明の動作原理を説明する。誘電体と金属との界面に光を入射すると、光の電界振動により金属中の自由電子が集団的に振動し、電子密度の疎密波として界面方向に伝搬することが知られている。この電子密度の疎密波をプラズモンという。プラズモンは、光の回折限界の拘束を受けないため、光の波長よりも小さい領域に閉じ込めることが可能となる。

【0016】

図１（ａ）は、光の波形１を示す模式図である。図１（ｂ）は、光の入射前の金属中の電子の波形２を示す模式図である。ここでは、簡略化のため、図１（ｂ）は、個々の電子の波（電子波ともいう）は位相が揃った状態（すなわち、コヒーレントな状態）を示している。そのため、図１（ｂ）に示す波形１は、多数の電子波が重畳されたものであって、１つの電子波の振幅のみが大きくなった形状となっている。

【0017】

金属に光が入射すると、入射光の電界振動により電子密度に疎密が発生するため、図１（ａ）に示す光の波形１にしたがって図１（ｂ）に示す金属中の電子の波形２の振幅が変化する。図１（ｃ）は、光の入射後の金属中の電子の波形２’を示している。このように入射光により変化した電子の波形２’の包絡線（波形１’）が、電子密度の疎密波であるプラズモンの波形を示す。なお、図１（ａ）〜（ｃ）は、見やすさを考慮し、実際の波長とは異なる波長を示している。実際の電子密度の疎密波（波形１’）の波長はμmオーダーの長さであるのに対して、電子の波（波形２’）の波長はその千分の一以下（サブｎｍオーダー、例えば０．５ｎｍ程度）の長さである。すなわち、波形１’の一の波の中には、波形２’の千以上の波が含まれることになる。

【0018】

プラズモンを構成する個々の電子には、量子干渉効果によって位相変化を起こすことができる。本発明は、プラズモンの干渉に、従来のようなＥＯ効果やＴＯ効果による伝搬定数変化を用いるのではなく、プラズモンを構成する個々の電子の量子力学的波動の位相を変化させる量子干渉効果を用いる。従来のプラズモン変調器は電子の疎密波であるプラズモンの波（図１（ｃ）の波形１’に対応）の伝搬定数を変化させるものであった。それに対して、本発明では電子波（図１（ｃ）の波形２’に対応）の位相を変化させる。そのため、本発明では変調の対象が波長の小さい電子波であるため、従来よりも変調器の小型化が可能になる。また、変調器のサイズを小さくすることによって回路のＣＲ時定数が小さくなるため、変調速度の高速化が可能になる。

【0019】

本発明で利用する量子干渉効果を以下に説明する。この量子干渉効果は、アハラノフ＝ボーム効果としても知られている。図２は、プラズモンを用いるマッハツェンダ干渉計３の模式図である。マッハツェンダ干渉計３は、入力導波路４と、入力導波路４から分岐する２つのアーム導波路５ａ、５ｂと、２つのアーム導波路５ａ、５ｂが合流する出力導波路６とを有する。このようなマッハツェンダ干渉計３をプラズモンが通過する際に、２つのアーム導波路５ａ、５ｂに対して磁場および電場を印加すると、各導波路におけるプラズモンを構成する電子波の波動関数の関係を以下のように表すことができる。

【0020】

【数1】

【0021】

【数2】

【0022】

【数3】

【0023】

ψ_１およびψ_２はそれぞれ２つのアーム導波路５ａ、５ｂに分岐した直後の電子波の波動関数、ψ_１’およびψ_２’はそれぞれ２つのアーム導波路５ａ、５ｂにおいて磁場および電場の影響を受けた後の電子波の波動関数、ψ’は出力導波路６における電子波の波動関数である。

【0024】

φは電場に対応するスカラーポテンシャルであり、Ａ（ｘ）は磁場に対応するベクトルポテンシャルである。式（１）および式（２）の積分はそれぞれアーム導波路５ａおよび５ｂの経路に沿った積分であり、式（３）の積分はアーム導波路５ａ、５ｂに囲まれた領域の面積分である。

【0025】

式（３）中のベクトルポテンシャルＡ（ｘ）の積分は、以下の式（４）により表されるように、アーム導波路５ａ、５ｂに囲まれた領域を貫通する全磁束Φに等しい。

【0026】

【数4】

【0027】

以上の式（１）〜（４）より、出力導波路６における電子波の波動関数ψ’は、スカラーポテンシャルφおよびベクトルポテンシャルＡ（ｘ）の少なくとも一方を変化させることにより、変化させることができることがわかる。すなわち、アーム導波路５ａ、５ｂに印加する電圧（スカラーポテンシャルφに対応）およびアーム導波路５ａ、５ｂに囲まれた領域の磁場（ベクトルポテンシャルＡ（ｘ）に対応）の少なくとも一方を変化させることによって、電子波の変調を行うことができる。

【0028】

（第１の実施形態）
本実施形態では、式（１）〜式（４）を用いて説明した量子干渉効果において、ベクトルポテンシャルＡ（ｘ）を変化させる、すなわち磁場を変化させることによって電子波の変調を行う。本実施形態では、式（３）においてスカラーポテンシャルφ成分を０とする。そのため、ベクトルポテンシャルＡ（ｘ）を変化させることによって出力される電子波が変調されることになる。ここで、式（３）の積分値に磁束量子単位ｈ／２ｅを代入すると、ｈ（エイチバー）＝ｈ／２πの関係から以下の式（５）が得られる。

【0029】

【数5】

【0030】

したがって、２つのアーム導波路５ａ、５ｂに囲まれた領域における磁場を磁束量子単位の分だけ変化させることによって、２つのアーム導波路５ａ、５ｂを通る電子波を打ち消し合う位相差にする、すなわちπラジアンの位相シフト（π位相シフトともいう）を起こすことができる。したがって、磁束量子単位の磁場変動を起こすために必要な非常に小さい電力で十分な位相干渉を起こすことができるため、プラズモン変調器の消費電力を大きく低減することができる。

【0031】

図３（ａ）は、本実施形態に係るプラズモン変調器１０の平面図である。プラズモン変調器１０（プラズモン量子干渉変調器ともいう）は、基板１１中に、入力光導波路１２と、入力光導波路１２に接続されている入力プラズモン導波路１３と、入力プラズモン導波路１３から分岐する２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂと、アーム導波路１４ａ、１４ｂが合流する出力プラズモン導波路１５と、出力プラズモン導波路１５に接続されている出力光導波路１６と、を備える。各導波路は、光信号またはプラズモンが入力（入射）される入力端と、光信号またはプラズモンが出力（出射）される出力端とを有する。

【0032】

さらに、プラズモン変調器１０は、２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂに囲まれた領域に磁場を発生させるための磁場発生手段としての導電性ワイヤ１７と、導電性ワイヤ１７に電流を供給するための磁場制御装置１８とを備える。

【0033】

基板１１は、誘電体材料（例えば、ＳｉＯ_２）を用いて形成されている。入力光導波路１２は、光信号を導波するための伝送路であり、基板１１よりも屈折率が高い誘電体材料（例えば、不純物をドーピングしたＳｉＯ_２）で形成されている。入力光導波路１２の入力端からは、光が入力される。このような構成により、基板１１がクラッド、入力光導波路１２がコアとして働き、光信号が導波される。

【0034】

入力プラズモン導波路１３は、プラズモンを導波するための伝送路である。入力プラズモン導波路１３の入力端は、入力光導波路１２の出力端に接続されている。入力プラズモン導波路１３は、プラズモンが励起および伝搬されやすい材料（例えば、金、銀等の金属材料）で形成されており、薄膜状の形状を有する。入力プラズモン導波路１３の表面に光信号が入射されるとプラズモンが励起され、励起されたプラズモンは入力プラズモン導波路１３の表面を伝搬される。

【0035】

図３（ｂ）は、本実施形態に係るプラズモン変調器１０の断面図であり、入力光導波路１２と入力プラズモン導波路１３との接続部分（図３（ａ）のＡ−Ａ’線）におけるプラズモン変調器１０の断面を表している。入力光導波路１２と入力プラズモン導波路１３とは、それらの接続部分において、光信号およびプラズモンの伝搬方向に所定の面積をもって接触している。このような構成により、入力光導波路１２と入力プラズモン導波路１３とを端面同士で接続するよりも広い接触面積が確保されるため、入力光導波路１２を通る光信号が入力プラズモン導波路１３に十分に入射される。その結果、光信号によって入力プラズモン導波路１３の表面にプラズモンが励起されやすくなる。

【0036】

アーム導波路１４ａ、１４ｂは、それぞれプラズモンを導波するための伝送路である。アーム導波路１４ａ、１４ｂのそれぞれの入力端は、入力プラズモン導波路１３の出力端に接続されている。アーム導波路１４ａ、１４ｂは、プラズモンが励起および伝搬されやすい金属材料（例えば、金、銀）で形成されており、薄膜状の形状を有する。入力プラズモン導波路１３上を伝搬されるプラズモンは、入力プラズモン導波路１３がアーム導波路１４ａ、１４ｂに接続されている部分で２つに分岐され、それぞれアーム導波路１４ａ、１４ｂの表面を伝搬される。

【0037】

出力プラズモン導波路１５は、プラズモンを導波するための伝送路である。出力プラズモン導波路１５の入力端は、アーム導波路１４ａ、１４ｂのそれぞれの出力端に接続されている。出力プラズモン導波路１５は、プラズモンが励起および伝搬されやすい材料（例えば、金、銀等の金属材料）で形成されており、薄膜状の形状を有する。アーム導波路１４ａ、１４ｂ上を伝搬されたプラズモンは、アーム導波路１４ａ、１４ｂが出力プラズモン導波路１５に接続されている部分で１つに合流され、出力プラズモン導波路１５の表面を伝搬される。

【0038】

出力光導波路１６は、光信号を導波するための伝送路であり、基板１１よりも屈折率が高い誘電体材料（例えば、不純物をドーピングしたＳｉＯ_２）で形成されている。出力光導波路１６の入力端は、出力プラズモン導波路１５の出力端に接続されている。出力プラズモン導波路１５上を伝搬されたプラズモンは、出力プラズモン導波路１５と出力光導波路１６との接続部分で光信号に変換され、出力光導波路１６に入力される。このような構成により、基板１１がクラッド、出力光導波路１６がコアとして働き、光信号が導波される。出力光導波路１６の出力端からは、光が出力される。

【0039】

図３（ｃ）は、本実施形態に係るプラズモン変調器１０の断面図であり、出力プラズモン導波路１５と出力光導波路１６との接続部分（図３（ａ）のＢ−Ｂ’線）における断面を表している。出力プラズモン導波路１５と出力光導波路１６とは、それらの接続部分において、光信号およびプラズモンの伝搬方向に所定の面積をもって接触している。このような構成により、出力プラズモン導波路１５と出力光導波路１６とを端面同士で接続するよりも広い接触面積が確保されるため、出力プラズモン導波路１５を通るプラズモンが光信号に変換されて出力光導波路１６に出力されやすくなる。

【0040】

導電性ワイヤ１７は、任意の導電体材料を用いて形成され、光信号およびプラズモンの伝搬方向に沿って直線状に設けられている。磁場制御装置１８は、導電性ワイヤ１７に接続されており、導電性ワイヤ１７に対して電流Ｃを供給し、電流Ｃの大きさおよびタイミングを制御する。磁場制御装置１８から導電性ワイヤ１７に電流Ｃを供給すると、導電性ワイヤ１７の周囲に磁場が発生し、その結果２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂにより囲まれた領域にも磁場が発生する。したがって、磁場制御装置１８から導電性ワイヤ１７に供給する電流Ｃを制御することによって、アーム導波路１４ａ、１４ｂを通るプラズモンを構成する電子への量子干渉効果を制御することができ、その結果出力プラズモン導波路１５に出力されるプラズモンの強度を変調することができる。

【0041】

磁場発生手段としての導電性ワイヤ１７は、図３（ａ）に示すような直線状の形状に限らず、２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂにより囲まれた領域に磁場を発生させることができる任意の形状でよい。図４（ａ）、（ｂ）は、磁場発生手段としての導電性ワイヤ１７の別の形態を示す平面図および斜視図である。図４（ａ）、（ｂ）に示す導電性ワイヤ１７は、単周回コイルであり、基板１１の表面に平行に、２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂに沿って設けられている。導電性ワイヤ１７に電流Ｃを流すと、２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂにより囲まれた領域に磁束Φが発生する。

【0042】

本実施形態では、導電性ワイヤ１７および磁場制御装置１８は基板１１とは別に設けられているが、導電性ワイヤ１７および磁場制御装置１８の少なくとも一部が基板１１中に設けられてもよい。

【0043】

本実施形態に係るプラズモン変調器１０において、位相変調に必要な電流を算出した。図５は、電流の計算方法を説明するための図である。図５に示すように、２つのアーム導波路１４ａ、１４および導電性ワイヤ１７は同一平面上に存在するものとし、２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂで囲まれた領域を半径Ｒの円Ｄとみなす。２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂで囲まれた領域の総磁束Φは、以下の式（６）で表すことができる。

【0044】

【数6】

【0045】

ｒは導電性ワイヤ１７に垂直な方向の座標（導電性ワイヤ１７の位置をゼロとする）であり、ｌは導電性ワイヤ１７に沿った方向の座標（円Ｄの中心をゼロとする）である。θは円Ｄの中心に関する角度である。ｄは導電性ワイヤ１７と、導電性ワイヤ１７に近い方のアーム導波路１４ｂとの間の距離である。μは透磁率（１．２７５×１０^−６Ｈ／ｍとする）である。Ｉは導電性ワイヤ１７を流れる直流電流の値である。

【0046】

式（５）を用いて説明したように、π位相シフトを起こすことは、２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂで囲まれた領域の磁束を磁束量子単位ｈ／２ｅ変化させることに対応する。したがって、式（６）において、Φに磁束量子単位ｈ／２ｅを代入することによって、π位相シフトを起こすのに必要な電流Ｉの値を算出することができる。

【0047】

図６は、式（６）を用いて算出した、円Ｄの半径Ｒと、π位相シフトを起こすのに必要なＩの値との関係のグラフを示す図である。導電性ワイヤ１７とアーム導波路１４ｂとの間の距離ｄは１μｍ、２μｍ、３μｍの３通りに設定した。

【0048】

図６より、半径Ｒが大きいほど、すなわち２つのアーム導波路１４ａ、１４ｂで囲まれた領域が大きいほど、小さい電流でπ位相シフトを起こすことができることがわかる。また、図６より、導電性ワイヤ１７とアーム導波路１４ｂとの間の距離ｄが近いほど、小さい電流でπ位相シフトを起こすことができることがわかる。

【0049】

具体的には、図６によれば、導電性ワイヤ１７とアーム導波路１４ｂとの間の距離ｄが３μｍ以下であり、半径Ｒが１０μｍ以下であり、π位相シフトを発生させる電流値が数ｍＡ以下のプラズモン変調器を実現することができる。この場合、導電性ワイヤ１７の抵抗値を数Ω程度と仮定すると、消費電力は１ｍＷより小さい値となる。このように、プラズモン変調器１０は非常に小さいサイズで構成可能であり、磁束量子単位の磁束変動でπ位相シフトを起こすことができるため消費電力を大きく低減することが可能である。

【0050】

本実施形態に係るプラズモン変調器１０は、波長の小さい電子波に対して変調を行うため、従来のプラズモン変調器よりもサイズを小さくすることが可能になる。また、プラズモン変調器のサイズを小さくすることで回路としてのＣＲ時定数が小さくなるため、変調速度の高速化が可能になる。さらに、磁束量子単位の磁束変動でπ位相シフトを起こすことができるため、消費電力を大きく低減することが可能となる。

【0051】

（第２の実施形態）
図１（ａ）〜（ｃ）の説明では、各電子波はコヒーレントな状態であることを仮定した。しかしながら、一般的に常温において、各電子波の位相は揃っていない状態（インコヒーレントな状態）にある。

【0052】

図７（ａ）は、各電子波がインコヒーレントな状態にある場合における、光の入射後の金属中の電子の波形を示す模式図である。図７（ａ）では、個々の電子波の位相が揃っておらず、重畳されると波の形状をとらないため、電子の波形８を斜線で示している。

【0053】

電子がインコヒーレントな状態であってもプラズモン励起は発生するため、プラズモンの波形である電子の波形８の包絡線である波形７は、図１（ｃ）の波形１’と同じである。しかしながら、電子がインコヒーレントな状態では、各電子に係る量子干渉効果が平均化されるため、干渉強度が低下する、すなわち強度変調の分解能が低下する。したがって、干渉強度を向上させ、強度変調の分解能を向上させるためには、電子のコヒーレント性を高めることが望ましい。

【0054】

電子をコヒーレントな状態に近づけるためには、電子波の導波路を超伝導体で構成すればよい。電子は常温ではフェルミ粒子としてふるまうため、それぞれ異なる状態を占める。それに対して、超伝導状態においては、電子の対がボース粒子としてふるまい、ボース＝アインシュタイン凝縮が発生するため、複数の電子対が同じ状態を占めてコヒーレントな状態となる。

【0055】

図８は、本実施形態に係るプラズモン変調器２０の平面図である。プラズモン変調器２０は、基板１１中に、入力光導波路１２と、入力光導波路１２に接続されている入力プラズモン導波路１３と、入力プラズモン導波路１３に接続されている入力超伝導導波路２３と、入力超伝導導波路２３から分岐する２つのアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂと、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂが合流する出力超伝導導波路２５と、出力超伝導導波路２５に接続されている出力プラズモン導波路１５と、出力プラズモン導波路１５に接続されている出力光導波路１６と、を備える。各導波路は、光信号またはプラズモンが入力（入射）される入力端と、光信号またはプラズモンが出力（出射）される出力端とを有する。

【0056】

さらに、プラズモン変調器２０は、２つのアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂに囲まれた領域に磁場を発生させるための磁場発生手段としての導電性ワイヤ１７と、導電性ワイヤ１７に電流を供給するための磁場制御装置１８と、部材を冷却するための冷却装置２１と、を備える。

【0057】

入力光導波路１２、入力プラズモン導波路１３、出力プラズモン導波路１５および出力光導波路１６は、第１の実施形態と同様の構成を有する。

【0058】

冷却装置２１は、プラズモン変調器２０の少なくとも超伝導体の部分、すなわち、入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂおよび出力超伝導導波路２５を冷却する。金属や化合物を超伝導状態にするには、その物質により異なる所定の温度以下に冷却が必要である。所定の温度とは、例えば、Ａｌであれば１Ｋ程度であり、ＹＢＣＯであれば９０Ｋ程度である。冷却装置２１としては、入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂおよび出力超伝導導波路２５を構成する超伝導体材料が超伝導状態になる低温まで冷却することが可能な任意の構成を用いることができる。冷却装置２１は、プラズモン変調器２０の全体を冷却するように冷却するように構成されてもよく、またはプラズモン変調器２０の少なくとも超伝導体材料で構成されている部分のみを冷却するように構成されてもよい。

【0059】

プラズモン変調器２０を用いて変調動作を行う際には、冷却装置２１を作動させて入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂおよび出力超伝導導波路２５を超伝導状態に維持しておく。

【0060】

入力超伝導導波路２３は、入力プラズモン導波路１３から伝搬されるプラズモンを導波するための伝送路である。入力超伝導導波路２３の入力端は、入力プラズモン導波路１３の出力端に接続されている。入力超伝導導波路２３は、超伝導体材料（例えば、Ａｌ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ等の金属や、ＹＢＣＯ等の化合物）で形成されており、薄膜状の形状を有する。入力プラズモン導波路１３から伝搬されたプラズモンは、入力超伝導導波路２３の表面を超伝導状態で伝搬される。

【0061】

アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂは、プラズモンを導波するための伝送路である。アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂのそれぞれの入力端は、入力超伝導導波路２３の出力端に接続されている。アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂは、超伝導体材料（例えば、Ａｌ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ等の金属や、ＹＢＣＯ等の化合物）で形成されており、薄膜状の形状を有する。入力超伝導導波路２３上を伝搬されるプラズモンは、入力超伝導導波路２３がアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂに接続されている部分で２つに分岐され、それぞれアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂの表面を超伝導状態で伝搬される。

【0062】

出力超伝導導波路２５は、プラズモンを導波するための伝送路である。出力超伝導導波路２５の入力端は、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂのそれぞれの出力端に接続されている。出力超伝導導波路２５は、超伝導体材料（例えば、Ａｌ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ等の金属や、ＹＢＣＯ等の化合物）で形成されており、薄膜状の形状を有する。アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂ上を伝搬されたプラズモンは、超伝導導波路２４ａ、２４ｂが出力超伝導導波路２５に接続されている部分で１つに合流され、出力超伝導導波路２５の表面を超伝導状態で伝搬される。その後、伝搬されたプラズモンは、出力超伝導導波路２５の出力端から出力プラズモン導波路１５の入力端へ入力される。

【0063】

導電性ワイヤ１７および磁場制御装置１８は、第１の実施形態と同様の構成であり、２つのアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂにより囲まれた領域に磁場を発生させる。磁場制御装置１８から導電性ワイヤ１７に供給する電流Ｃを制御することによって、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂを通るプラズモンを構成する電子の量子干渉効果を制御することができ、その結果出力超伝導導波路２５に出力されるプラズモンの強度を変調することができる。

【0064】

本実施形態においては、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂを通るプラズモンは超伝導状態であるので、プラズモンを構成する個々の電子はコヒーレントな状態にある。そのため、第１の実施形態よりも干渉強度を向上させ、変調の分解能を向上させることができる。さらに、超伝導状態においては、電子の対が一体となって電子波干渉を引き起こすため、磁束量子単位ｈ／２ｅの半分の磁束変動でπ位相シフトを行うことができる。その結果、磁束量子単位ｈ／２ｅの磁束変動でπ位相シフトを行う第１の実施形態よりも、プラズモン変調器の消費電力をさらに低減可能である。

【0065】

超伝導体材料においては、光を入射した際のプラズモンの励起効率が低い場合がある。そのため、プラズモンが伝搬される導波路の全てを超伝導材料で構成すると、プラズモンの励起効率が低下し、プラズモン変調器としての変調効率が悪化しうる。それに対して、本実施形態では、入力プラズモン導波路１３および出力プラズモン導波路１５はプラズモンが励起および伝搬されやすい材料で構成され、入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂ、および出力超伝導導波路２５は超伝導体材料で構成されている。このため、プラズモンの励起効率の低下を抑えて、導波路の特定の部分のみを超伝導状態にすることができる。

【0066】

さらに、本実施形態に係るプラズモン変調器２０は、第１の実施形態と同様に、波長の小さい電子波に対して変調を行うため、従来のプラズモン変調器よりもサイズを小さくすることが可能になる。また、プラズモン変調器のサイズを小さくすることで回路としてのＣＲ時定数が小さくなるため、変調速度の高速化が可能になる。

【0067】

本実施形態では入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂおよび出力超伝導導波路２５が超伝導体で構成されているが、必ずしもこれらの全てを超伝導体にする必要はなく、プラズモンが伝搬される導波路の少なくとも一部が超伝導体で構成されていれば、電子のコヒーレント性を高めて干渉強度を向上させることができる。

【0068】

本実施形態ではプラズモン導波路が超伝導体で構成されているが、必ずしも超伝導体を用いる必要はなく、単にプラズモン導波路を低温にすることによっても電子のコヒーレント性を高めて干渉強度を向上させることができる。例えば、第１の実施形態において冷却装置２１をさらに設け、プラズモン変調器１０の各プラズモン導波路の温度を低下させてもよい。

【0069】

（第３の実施形態）
第２の実施形態ではプラズモンの通る導波路を超伝導体で構成することによって、プラズモンを構成する電子のコヒーレント性を高めている。それに対して、本実施形態では、導波路にコヒーレントな電流を流すことによって、導波路中の電子のコヒーレント性をさらに高める。具体的には、導波路にコヒーレントな電流を流し、プラズモンの波によって該コヒーレントな電流を振幅変調し、振幅変調された該コヒーレントな電流に対して磁場による変調を行っている。これにより、量子干渉効果の干渉強度を向上させ、変調の分解能を向上させることができる。

【0070】

ここで、コヒーレントな電流とは、電流を構成する電子がコヒーレントな状態にあることをいう。図７（ｂ）は、コヒーレントな電流を構成する電子の波形９を示す模式図である。波形９は、図１（ｂ）に示す波形１と同様に、多数のコヒーレントな電子波が重畳されたものであって、１つの電子波の振幅のみが大きくなった形状となっている。

【0071】

このようなコヒーレントな電流を構成する電子の波形９に対して、図７（ａ）に示す波形７を有するプラズモンを重畳させると、該プラズモンの波によってコヒーレントな電流を構成する電子の波が振幅変調される。図７（ｃ）は、プラズモンによって振幅変調されたコヒーレントな電流を構成する電子の波形９’を示す模式図である。このように振幅変調された波形９’の包絡線（波形７’）は、図７（ａ）に示すプラズモンの波形７に対応する。

【0072】

本実施形態においては、プラズモンを構成する電子ではなく、コヒーレントな電流を構成する電子に対して量子干渉効果を用いた変調を行う。第１および第２の実施形態と同様に波長の小さい電子波の位相を変化させるため、非常に小さなサイズで素子が構成可能であり、かつ変調速度の高速化が可能である。

【0073】

図９は、本実施形態に係るプラズモン変調器３０の平面図である。プラズモン変調器３０は、第２の実施形態（図８）のプラズモン変調器２０の構成に加え、導波路に電流を流すための電流源３１をさらに備える。

【0074】

電流源３１は、入力プラズモン導波路１３および出力プラズモン導波路１５に接続されており、入力プラズモン導波路１３、入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂ、出力超伝導導波路２５および出力プラズモン導波路１５に、プラズモンが進行する方向とは逆方向に直流電流Ｅを供給する。電流Ｅを構成する電子の電子波Ｅ’は電流Ｅとは逆方向に進行するため、電子波Ｅ’の進行方向はプラズモンの進行方向と同じになる。

【0075】

入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂ、および出力超伝導導波路２５は、第２の実施形態と同様の構成を有する。電流Ｅは、超伝導体で構成されている入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂ、出力超伝導導波路２５を通るため、コヒーレントな電流となる。すなわち、電流Ｅを構成する電子の電子波Ｅ’はコヒーレントな状態となる。

【0076】

入力プラズモン導波路１３上を伝搬されたプラズモンは、入力超伝導導波路２３に入力されると、入力超伝導導波路２３を流れるコヒーレントな電子波Ｅ’に重畳される。その結果、プラズモンの波によって電子波Ｅ’が振幅変調を受ける。

【0077】

電子波Ｅ’は２分岐されてアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂを通った後、出力超伝導導波路２５に合流される。その際に、導電性ワイヤ１７および磁場制御装置１８によりアーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂに囲まれた領域の磁場が変化されることによって、出力超伝導導波路２５に出力される電子波Ｅ’の強度が変調される。結果として、電子波Ｅ’は、プラズモンによる変調の情報に加え、磁場を用いた量子干渉効果による変調の情報が付加された状態となる。

【0078】

その後、電子波Ｅ’は、出力超伝導導波路２５からプラズモン導波路１５に入力されると再度プラズモンに変換される。このプラズモンを構成する電子は、量子干渉効果によって変調を受けた状態となっている。

【0079】

本実施形態においては、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂを通る電流は超伝導状態であるので、電流を構成する個々の電子はコヒーレントな状態にある。そのため、第１の実施形態よりも干渉強度を向上させ、変調の分解能を向上させることができる。さらに、超伝導状態においては、電子の対が一体となって電子波干渉を引き起こすため、磁束量子単位ｈ／２ｅの半分の磁束変動でπ位相シフトを行うことができる。その結果、磁束量子単位ｈ／２ｅの磁束変動でπ位相シフトを行う第１の実施形態よりも、プラズモン変調器の消費電力をさらに低減可能である。

【0080】

超伝導体材料においては、光を入射した際のプラズモンの励起効率が低い場合がある。そのため、プラズモンが伝搬される導波路の全てを超伝導材料で構成すると、プラズモンの励起効率が低下し、プラズモン変調器としての変調効率が悪化しうる。それに対して、本実施形態では、入力プラズモン導波路１３および出力プラズモン導波路１５はプラズモンが励起および伝搬されやすい材料で構成され、入力超伝導導波路２３、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂ、および出力超伝導導波路２５は超伝導体材料で構成されているため、プラズモンの励起効率の低下を抑えて、導波路の特定の部分のみを超伝導状態にすることができる。

【0081】

さらに、本実施形態に係るプラズモン変調器２０は、第１の実施形態と同様に、波長の小さい電子波に対して変調を行うため、従来のプラズモン変調器よりもサイズを小さくすることが可能になる。また、プラズモン変調器のサイズを小さくすることで回路としてのＣＲ時定数が小さくなるため、変調速度の高速化が可能になる。

【0082】

本実施形態では入力超伝導導波路２３ｂ、アーム超伝導導波路２４ａ、２４ｂおよび出力超伝導導波路２５が超伝導体で構成されているが、必ずしもこれらの全てを超伝導体にする必要はなく、プラズモンが伝搬される導波路の少なくとも一部が超伝導体で構成されていれば、電子のコヒーレント性を高めて干渉強度を向上させることができる。

【0083】

（第４の実施形態）
本実施形態では、式（１）〜式（４）を用いて説明した量子干渉効果において、スカラーポテンシャルφを変化させる。すなわち、電場を変化させることによって電子波の変調を行う。本実施形態では、式（３）においてベクトルポテンシャルＡ（ｘ）成分を０とする。そのため、スカラーポテンシャルφを変化させることによって出力される電子波が変調されることになる。

【0084】

図１０は、本実施形態に係るプラズモン変調器４０の平面図である。プラズモン変調器４０は、第１の実施形態（図３（ａ））のプラズモン変調器１０から導電性ワイヤ１７および磁場制御装置１８をなくし、その代わりにアーム導波路１４ａに電圧を印加するための電圧印加手段としての電極４１と、電極４１に電圧を与えるための電圧制御装置４２とを備える構成を有する。その他の構成については第１の実施形態のプラズモン変調器１０と同様である。

【0085】

電極４１は、任意の導電体材料を用いて形成された形成された電極であり、アーム導波路１４ａの近傍に設けられている。電圧制御装置４２は、電極４１に接続されており、電極４１に対して所定の電圧を与え、電圧の大きさおよびタイミングを制御する。電圧制御装置４２から電極４１に電圧を供給すると、その近傍に存在するアーム導波路１４ａに対して電圧が印加される。したがって、電圧制御装置４２から電極４１に供給する電圧を制御することによって、アーム導波路１４ａ、１４ｂを通るプラズモンの量子干渉効果を制御することができ、その結果出力プラズモン導波路１５に出力される電子波の強度を変調することができる。

【0086】

本実施形態においても第１の実施形態と同様に、波長の小さい電子波に対して変調を行うため、従来のプラズモン変調器よりもサイズを小さくすることが可能になる。また、プラズモン変調器のサイズを小さくすることで回路としてのＣＲ時定数が小さくなるため、変調速度の高速化が可能になる。

【0087】

図１０において電極４１はアーム導波路１４ａの近傍に設けられているが、電極４１はアーム導波路１４ａおよび１４ｂの少なくとも一方の近傍に設けられていればよく、また複数設けられてもよい。

【0088】

本実施形態においても、第２の実施形態のように、プラズモンが伝搬される導波路の少なくとも一部が超伝導体で構成されてもよい。そのような構成により、プラズモンを構成する電子波のコヒーレント性が向上するため、量子干渉効果の干渉強度を向上させることができる。さらに、第３の実施形態のように、導波路にコヒーレントな電流を流し、プラズモンにより該コヒーレントな電流を振幅変調し、振幅変調された該コヒーレントな電流に対して電場による変調をかけてもよい。そのような構成により、プラズモンの伝搬効率の悪化を抑えて量子干渉効果の干渉強度を向上させることができる。

【0089】

（第５の実施形態）
本実施形態では、式（１）〜式（４）を用いて説明した量子干渉効果において、スカラーポテンシャルφとベクトルポテンシャルＡ（ｘ）の両方を変化させる。すなわち、電場および磁場を変化させることによって電子波の変調を行う。

【0090】

図１１は、本実施形態に係るプラズモン変調器５０の平面図である。プラズモン変調器５０は、第１の実施形態（図３（ａ））のプラズモン変調器１０に加え、アーム導波路１４ａに電圧を印加するための電圧印加手段としての電極４１と、電極４１に電圧を与えるための電圧制御装置４２とを備える。電極４１および電圧制御装置４２は、第４の実施形態と同様の構成を有する。その他の構成については第１の実施形態のプラズモン変調器１０と同様である。

【0091】

本実施形態では、導電性ワイヤ１７に供給される電流による磁場を変調に用い、電極４１に供給される電圧を補助的に用いる。すなわち、例えば、アーム導波路１４ａおよび１４ｂの間に光路長差がある場合に、電極４１に供給される電圧を該光路長差の影響を吸収するように制御することによって、導電性ワイヤ１７に供給される電流を変調のためだけに制御することができるため、制御を容易にすることができる。

【0092】

さらに、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、波長の小さい電子波に対して変調を行うため、従来のプラズモン変調器よりもサイズを小さくすることが可能になる。また、プラズモン変調器のサイズを小さくすることで回路としてのＣＲ時定数が小さくなるため、変調速度の高速化が可能になる。

【0093】

本実施形態とは逆に、電極４１に供給される電圧を変調に用い、導電性ワイヤ１７に供給される電流による磁場を補助的に用いてもよい。

【0094】

本実施形態においても、第２の実施形態のように、プラズモンが伝搬される導波路の少なくとも一部が超伝導体で構成されてもよい。そのような構成により、プラズモンを構成する電子波のコヒーレント性が向上するため、量子干渉効果の干渉強度を向上させることができる。さらに、第３の実施形態のように、導波路にコヒーレントな電流を流し、プラズモンにより該コヒーレントな電流を振幅変調し、振幅変調された該コヒーレントな電流に対して電場による変調をかけてもよい。そのような構成により、プラズモンの伝搬効率の悪化を抑えて量子干渉効果の干渉強度を向上させることができる。

【0095】

本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

【0096】

上述の各実施形態は基板中に導波路を設ける平面光導波路（ＰＬＣ）として作製されているが、プラズモンを分岐および合流させて干渉させるマッハツェンダ干渉計型の構成であれば、光信号またはプラズモンを伝搬可能な任意の形態の導波路を用いてよい。例えば、光信号またはプラズモンを伝搬する導波路の少なくとも一部を、ワイヤ状（ファイバ状）にしてもよい。

【符号の説明】

【0097】

１０、２０、３０、４０、５０ プラズモン変調器（プラズモン量子干渉変調器）
１１ 基板
１２ 入力光導波路
１３ 入力プラズモン導波路
１４ａ、１４ｂ アーム導波路
１５ 出力プラズモン導波路
１６ 出力光導波路
１７ 導電性ワイヤ（磁場発生手段）
１８ 磁場制御装置
２１ 冷却装置
２３ 入力超伝導導波路
２４ａ、２４ｂ アーム超伝導導波路
２５ 出力超伝導導波路
３１ 電流源
４１ 電極（電圧印加手段）
４２ 電圧制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】