ワイヤレス無線周波数信号を用いた光信号の符号化
【課題】半導体デバイスにおいて、光信号を変調する方法を提供する。
【解決手段】ワイヤレス無線周波数変調信号は半導体ナノ構造領域における時間依存電界を提供し、それは半導体デバイスにおいて吸収を変化させる。半導体デバイスにおいて伝搬する光信号はワイヤレス無線周波数変調信号の特性に従って変調され、そして情報をワイヤレス無線周波数信号から光キャリアへと符号化する方法を提供する。
【解決手段】ワイヤレス無線周波数変調信号は半導体ナノ構造領域における時間依存電界を提供し、それは半導体デバイスにおいて吸収を変化させる。半導体デバイスにおいて伝搬する光信号はワイヤレス無線周波数変調信号の特性に従って変調され、そして情報をワイヤレス無線周波数信号から光キャリアへと符号化する方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスＲＦ信号と実質的に同一量の情報を運ぶ光信号を供給するために、ＧＨｚ（ＧＨｚ）やＴＨｚ（ＴＨｚ）周波数信号といった、ワイヤレス無線周波数（ＲＦ）信号を使用することに関連する。ＲＦ信号によって運ばれる情報は、本発明に従った方法及びデバイスを用いることで、光信号に伝えられる。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信システム技術は、毎秒約１テラビット(Ｔｂｉｔ／ｓ)の伝送速度にすることを可能にしている。このようなシステムは、光信号に基づいている。複数のギガビット（Ｇｂｉｔ／ｓ）エミッタが合わさって、光時分割多重化（ＯＴＤＭ）を経由してこの速い伝送速度を生み出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第１４１６３１６号明細書
【特許文献２】英国特許第２３８６９６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一つのエミッタを使用して高い伝送速度を生み出すために障害となっているのは、基本的な問題である。すなわち、例えば、半導体レーザーダイオードでの直接のＴＨｚ電流変調や、位相シフトベースのスイッチにおける電圧制御は、そのようなデバイスが本質的に有する「大きい」ＲＣ時定数に起因して、満足な効果を生むことがないということだ。ここでいう「大きい」とは、関連する充放電速度が、おそらく１ＴＨｚよりは一桁小さい１０ＧＨｚから４０ＧＨｚに変調速度を制限するという意味である。レーザーダイオードの超高速光誘導スイッチングは可能だ。しかし、低温の電子群の復旧が遅いために、最終的にはＴＨｚ変調速度を達成することが困難である。このプロセスは、１００ＧＨｚ以上の変調速度を供給するには遅過ぎる。
【０００５】
光時分割多重化は、それぞれでは（毎秒１０ギガビットといった）「低い」反復速度のエミッタを組み合わせることで、高い光波長伝送速度を獲得することができるが、ＴＨｚ信号の光信号へのデジタル符号化は今のところ不可能である。
【０００６】
特許文献１（欧州特許第１４１６３１６号明細書）及び特許文献２（英国特許第２３８６９６５号明細書）は、それぞれのブランチにおいて電気的に応答する光移相器又は変調器を使用することで、光信号を変調する干渉計を開示している。上記の移相器は、量子ドットを含む層を有する。変調信号は、電気配線を介して受信されるＲＦハードワイヤード電圧信号であり、蒸着された電極又は金属接触層によって移相器に印加される。
【０００７】
移相器にハードワイヤ（有線）信号を供給する駆動回路が、移相器の変調速度を約１００ＧＨｚに制限するＲＣ定数をもたらすことは不利な点である。
【０００８】
本発明の目的は、数百ＧＨｚからＴＨｚに達する周波数のワイヤレス高周波無線（ＲＦ）信号のコヒーレント検出及び／又は光キャリア信号への瞬間的な符号化のための方法及びデバイスを供給することにある。
【０００９】
また、本発明のもう一つの目的は、電気回路内のＲＣ時定数によって得られる速度が制限されない、光信号を変調する方法及びデバイスを提供することである。さらに本発明のもう一つの目的は、ワイヤレス高周波ＲＦ信号から光信号へ（直接）符号化するための方法及びデバイスを提供することである。これによって、公知の方法で検出される光信号にワイヤレスＲＦ信号を符号化することにより、ワイヤレスＲＦ信号のコヒーレント検出が可能になる。
【００１０】
したがって、本発明は、これらの目的に対応する先行技術の課題を解決する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様においては、第１周波数を有する光入力信号を変調する方法であって、
（ａ）半導体ナノ構造領域であって、前記半導体ナノ構造領域へと結合される前記光入力信号の一部を吸収できる複数の半導体ナノ構造部を有する前記半導体ナノ構造領域と、
（ｂ）第１光インターフェイスと、
（ｃ）変調光出力信号の形で、前記光入力信号の吸収されなかった部分が前記半導体ナノ構造領域から外に結合される第２光インターフェイスと、
（ｄ）第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部と
を有する半導体構造における半導体ナノ構造領域に、前記第１光インターフェイスを通して前記光入力信号を結合する手段と、
前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記無線周波数受信部へと供給し、かつ、一時的に前記光入力信号とオーバーラップして前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域に結合させて、前記半導体ナノ構造領域を越えて時間依存電界を供給し、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって前記光入力信号の前記第１周波数における前記半導体ナノ構造領域における吸収を変化させる手段と、
前記光入力信号の吸収されなかった部分を、前記第２光インターフェイスを通して結合して前記変調光出力信号を供給する手段と
を備える方法を提供する。
【００１２】
ＲＦ信号によって生じた第１周波数での吸収及び恐らく位相における変化は、ＲＦ信号から光入力信号へとデータを変調することに用いられうる。あるいは、光入力信号へこれらを転移させることで、光出力信号の検出によってＲＦ信号の特性を検出することに用いられうる。
【００１３】
本発明の第２態様においては、信号変調器又はＲＦ−光符号化装置が提供される。信号変調器は、第１の周波数を有する光出力信号を、光入力信号と第２の周波数を有するワイヤレス無線周波数変調信号とに基づいて供給することができる。信号変調器は、前記光入力信号の一部を吸収する複数の半導体ナノ構造部を有する半導体ナノ構造領域と、前記光入力信号を前記半導体ナノ構造領域へと結合する第１光インターフェイスと、前記光入力信号の吸収されなかった部分を前記半導体ナノ構造領域から外に結合させて前記光出力信号を生成する第２光インターフェイスと、前記第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部と を有する半導体構造を備える。
【００１４】
以下では、多数の望ましい、及び／又は任意の特性、要素、例示、実施、効果がまとめられる。ある実施形態又は態様に関連して記述された特性又は要素は、適用可能な他の実施形態や態様に結合されたり、適用されたりする場合がある。例えば、実施の方法に関連して適用される構造的、機能的特性はまた、デバイスに関する特性としても使用され、逆の場合も同様である。また、発明者によって理解されるような本発明の基本的なメカニズムに関する説明は、説明の目的のために存在するのであり、発明を推論するための事後的な分析に用いられるべきではない。
【００１５】
例えば量子井戸、量子細線、量子ドット等といった、量子閉じ込めシステムへの量子閉じ込めの方向に沿った電界の印加は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）として知られる効果につながる。電界Ｆを印加した結果、電子と正孔の電荷キャリアの閉じ込めポテンシャルは、バンド構造の傾きによって、光遷移エネルギーの確率が減少する方向へと修正される。そして、電子と正孔の間の波動関数に空間的に大きな乖離が生じた結果、光遷移の確率は減少する。光遷移の確率は、概ね光吸収係数と比例する。
【００１６】
本願発明の動作原理に基づけば、量子閉じ込めの方向に沿っての半導体ナノ構造領域への電界印加は、とりわけ、光入力信号の波長におけるナノ構造の光吸収係数の減少をもたらすことになる。
【００１７】
そして、仮に電界が静的にではなく、むしろ時間によって変化するように印加されるならば、それに応じた半導体ナノ構造の閉じ込めポテンシャルの変更は、時間変化する電界に瞬時に追随することになる。
【００１８】
したがって、例えば時間によって変化する電界の影響を受けて閉じ込めポテンシャルが変化し、それに応じて光吸収係数が時間によって変化する。
【００１９】
本発明によれば、時間変化する電界が、ワイヤレス高周波数無線信号によって半導体ナノ構造を含む構造に供給されることで、特に、入射ＲＦ信号における電界の変化に応じた割合で、半導体ナノ構造領域の光吸収係数が変化する。我々はそこで、ＲＦワイヤレス信号によって誘導されるＱＣＳＥの瞬間的な性質を用いて、半導体ナノ構造領域を通じて伝送される、又はそこから反射する光入力信号の変調を提供する。
【００２０】
この方法によって、ＲＦ信号によって伝送された情報は、光入力信号に伝えられる。ＲＦ信号の変調が光信号に伝えられることによる効果はほとんど瞬間的であり、変調はサブピコ秒のタイムスケール又はそれより長いタイムスケールで変化し、その結果として光入力信号へと伝えられる。
【００２１】
他の方法においては、ＱＣＳＥの効果は以下のように説明することができる。すなわち、変調ＲＦ信号が無線周波数受信部に供給されるとき、変調ＲＦ信号は第１半導体ナノ構造部を越えて時間依存性がある電界を供給する。その結果、第１価電子帯状態(Ｅh,Ψh)から第２価電子帯状態(Ｅ’h,Ψ’h)までの第１半導体ナノ構造部の価電子帯状態の変化、第一伝導帯状態(Ｅe,Ψe)から第２伝導帯状態(Ｅ’e,Ψ’e）までの第１半導体ナノ構造部の伝導帯状態の変化をもたらす。
【００２２】
それによって、半導体ナノ構造部の波動関数オーバーラップが＜Ψh｜Ψe＞から＜Ψ’h｜Ψ’e＞へと変化する。そして、この変化は、結果として半導体ナノ構造領域における光入力信号の第１周波数における吸収の変化となる。したがって、光入力信号に生じた吸収を変化させるには、第１周波数は第１価電子帯状態から第１伝導帯状態へ、又は、第２価電子帯状態から第２伝導帯状態へと電荷キャリアを励起させるために十分な光子エネルギーに対応しなければならない。
【００２３】
したがって、この方法及び変調器は入射ＲＦ信号と同じ情報を持った光信号データを提供するのに使用されうる。そして、この方法は光通信システムの中では非常に有利なものである。なぜなら、対応する光信号へ変換することでワイヤレス無線周波数信号を受信する方法を提供するからである。
【００２４】
本発明は入射されたワイヤレスＲＦ信号を、電子回路が介在することなく直接光入力信号へ変調するという効果を奏する。その結果、変調は瞬間的で、より高い変調速度を提供しうる。
【００２５】
この方法及び変調器は、無線信号及び光信号の両方の偏向状態に関係なく、同様に、無線周波数信号及び光信号の互いの偏向方向、並びに半導体ナノ構造部の方向にも関係なく、無線周波信号を光信号へ符号化することを可能にする。光信号の互いの偏向方向や半導体ナノ構造部の方向に関して比較的弱い偏向依存性が、半導体ナノ構造の光吸収の異方性の結果として存在するかもしれないが、光信号の瞬間的な変調の効果が全くなくなるというわけではない。また、半導体ナノ構造の空間的な異方性に起因する、瞬間的な変調の効果の比較的弱い依存性も存在するかもしれないが、これもまた変調の効果が全くないというわけではない。変調方法が偏向に依存しないことは、光伝導検出や自由空間電気光学サンプリングといった他の方法に比べて有利な点である。そこでは、ＲＦ信号検出又は光信号へのＲＦ信号の符号化をできないＲＦと光信号のお互いの偏向方向及びＲＦ受信部の方向を見つけることが常に可能である。
【００２６】
通信システムでの利用とは異なるが、ＲＦから光へのコヒーレント符号化と同じ原理が、高周波数ＲＦ分光法や検出／イメージングシステムにおいて非常に効果的に用いられている。そこでは、分光法／検出／イメージングシステム（又はほかのＲＦ信号ソース）からのＲＦ信号と入力する光入力信号とで、センサーの一部を形成しうる。本発明を用いることで得られる光出力信号は、ＲＦ信号からの特性を含み、ＲＦ信号自体を分析する代わりに分析されうる。ＴＨｚ周波数における様々なイメージング、センシングそして分光法が、例えば以下の著作物で議論されている。Ｂ.ファーグソン／Ｘ．Ｃ．チャン著「ＴＨｚサイエンスのマテリアルとテクノロジー」、ネイチャーマテリアル第１号、２６-３３ページ、２００２年。
【００２７】
本発明はＲＦ分光出力信号のスペクトル特性に対応するスペクトル特性を持つ光出力信号を作る。そのため、適切な装置を用いた光出力信号の検出は、ＲＦ信号の中に含まれる分光情報を明らかにするために用いられる。
【００２８】
半導体ナノ構造は本発明の核心部である。本発明で使われている半導体ナノ構造は、１マイクロメーターより小さな次元を少なくとも１つ持つ半導体素子である。電子と正孔はこの次元に沿って制限された動きをすることになる。それが、量子閉じ込めである。光遷移エネルギーや光遷移確率といった、量子閉じ込め電子及び正孔に関連のある光学的特性は、量子閉じ込めポテンシャル並びに電子及び正孔の質量（しばしば「有効質量」と言われる）の影響を受ける。そのような半導体ナノ構造では、量子閉じ込めのこの次元に沿って印加された外部電界によって、基本的に瞬時に、例えば光遷移エネルギーや光遷移確率といった電子及び正孔の光遷移パラメータが修正される。
【００２９】
このようにして、光遷移に関連する半導体構造の光学的特性は、外部電界の印加を受けて基本的に瞬時に変化する。入射されたワイヤレス電磁ＲＦ信号の電界成分によって外部電界が供給されると、半導体部の光学的特性は入射ＲＦ信号の電界強度の関数として変調される。光入力信号が半導体構造を通じて入射ＲＦ信号と同時に伝送されると、光入力信号の伝送は入射ＲＦ信号によって変調され、入射ＲＦ信号によって伝送された情報を光入力信号へ符号化することになる。これは、ＧＨｚやＴＨｚといった非常に高い周波数を持ったＲＦ信号からの情報を光信号へ符号化する手段をもたらす。
【００３０】
半導体ナノ構造は、「量子井戸」（１次元での量子閉じ込め）及び／又は「量子細線」（２次元での量子閉じ込め）、及び／又は「量子ドット」（三次元での量子閉じ込め）を含む。しかしながら、半導体ナノ構造は、さらに複雑な他の形状を有してもよい。本発明の基本原理は、どの種類の半導体ナノ構造に対しても同じである。
【００３１】
以下では、本発明の原理を、半導体ナノ構造の一例として量子ドットに基づいて説明する。
【００３２】
半導体構造は、有利なことに、半導体構造の第１導波路インターフェイスから第２導波路インターフェイスへ光入力信号を誘導するように適合された導波路構造を備え、光入力信号の少なくとも一部が導波路構造にて誘導された際に半導体ナノ構造領域とのオーバーラップを有するべく、導波路構造と半導体ナノ構造領域とは光学的に結合されている。
【００３３】
有利なことに、変調無線周波数信号は、無線周波数遠隔通信又はデータ伝送プロセス、無線周波数分光プロセス、無線周波数検出プロセス、無線周波数イメージングプロセスといった、光入力信号へ符号化されるべき情報を含む信号である。他の応用例も想定することができる。ＲＦ信号へ変調され、そこで光信号へと伝送されるデータは、アナログ及び／又はデジタルのいずれであってもよい。
【００３４】
ワイヤレスＲＦ信号の周波数、つまり、第２周波数は、５ＧＨｚから２０ＴＨｚの範囲といったように、５ＧＨｚから５０ＴＨｚの間の範囲にあるのが好ましい。この範囲の最も高域の周波数は、電気有線（ハードワイヤード）信号では不可能なため、ＲＦ信号が電磁放射信号であることは当業者には明らかである。
【００３５】
量子ドットは、バンドギャップの狭い半導体の３次元片で、バンドギャップが大きい半導体、誘導体又は真空空間に取り囲まれている。量子ドットの寸法は、通常は１００ナノメートルを超えない。量子ドットは、球体、円盤状、レンズ状、ピラミッド状、立方体などの異なる形をしていてもよい。円盤状の量子ドットの概略図が図４に示されおり、円盤状の量子ドットでの重要な寸法である、半径（Ｒ）と高さ（ｄ）が示されている。量子ドットでの電荷キャリアは３次元に閉じ込められ、その結果、キャリアの加熱や量子ドットからのキャリアの離脱に関連する効果の影響を受けないか、又は少なくとも非常に限られた影響しか受けない。例えばＧＨｚ又はＴＨｚ周波数での電界になり得る入射ＲＦ信号は、量子ドットにおいて、基本的に瞬時に量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を引き起こす。ＲＦ信号の電界は電子と正孔の波動関数の変位を引き起こし、そして今度は電子-正孔の波動関数オーバーラップ（重なり積分）の（動作環境に依存する減少のような）変化を生む。電子を価電子帯から伝導帯へ励起させる（それによって電子-正孔のペアを作り出す）遷移確率は、この光遷移に関わる光子の吸収確率（つまり吸収強度）に影響し、又は生成された電子−正孔のペアの組み換え効率に影響し、重なり積分の２乗に比例する。このように、光入力信号の吸収を変化させるのは、直接的にはキャリアの供給ではなく、むしろＱＣＳＥを通してもたらされる光遷移確率（つまり吸収強度）の変化である。ＱＣＳＥは、（基本的に）瞬間的な効果であり、一時的にＲＦ信号とコヒーレントであるので、本発明は直接ＲＦ変調を光キャリアへＴＨｚのレートで符号化することを可能にし、したがって例えば遠隔通信システムにおいてテラビット／秒のデータ伝送速度にすることを可能にする。
【００３６】
ここで、いくつかの例において、非常に短い自由キャリアの寿命を有し、入射信号の電界に依存し、量子井戸層と平行に偏向している量子井戸は、量子ドットの代わりに用いられうる。非常に短い自由キャリアの寿命は、バンドギャップの下での数多いトラップ状態を導くことによってもたらされる。このような配置はまた、結果として、フランツ・ケルデシュ効果又はバルク・シュタルク効果によって、入射ワイヤレスＲＦ信号の電界によって量子井戸吸収のほぼ瞬間的な変調を引き起こす。吸収リカバリ速度は、量子井戸において光励起された電子及び／又は正孔が、十分に効率的に早くトラップ状態にキャプチャーされることによって決まる。
【００３７】
半導体構造に導波路構造（１２０）を含めることで、光出力信号の変調は増加しうる。なぜなら光信号と半導体ナノ構造領域の間のオーバーラップが増加するからである。導波路構造は第１導波路インターフェイス（１２１）から第２導波路インターフェイス（１２２）へ光入力信号を少なくとも部分的に導くことに適合されており、少なくとも光入力信号の一部は、導波路構造（１２０）に誘導されたときに半導体ナノ構造領域（１１２)とのオーバーラップを有するべく、導波路構造（１２０）と半導体ナノ構造領域（１１２）は光学的に結合されている。
【００３８】
上述したように、本発明は、変調が、主として量子状態を満たしたり空にしたりすることを通じてもたらされるのではなく、ＲＦ信号が引き起こす波動関数オーバーラップの変化を通じてもたらされるという点で優位性を有する。
【００３９】
本発明に係る変調器は、半導体光増幅器又は電気吸収変調器に類似しているかもしれないが、ＲＦ変調信号の構造への低損失結合を提供することで、できるだけ多くのＲＦ変調信号を半導体ナノ構造領域へ入らせるように適合されている。この理由は、多くの応用例や実際的事例において、ＲＦ変調信号がすでにきわめて弱いからである。いくつかの実施形態では、本発明の第２態様に係る変調器は、特定の半導体光増幅器に用いられるものと同じ装置を使って製作されうる。当該製造方法は、半導体ナノ構造領域へのＲＦ変調信号の低損失結合を達成できるよう適合されていることだけが必要である。
【００４０】
入射無線変調信号のナノ構造領域への低損失結合は、入射無線ＲＦ信号の電界による半導体ナノ構造において量子閉じ込めシュタルク効果の発生の高い効率をもたらす点で重要な役割を果たしている。低損失結合は、好ましくは入射ＲＦ信号にとって効率的なインピーダンス整合を提供することで、ＲＦから光への符号化デバイスの表面で入射無線ＲＦ信号の反射損失を低減又は除外するために重要である。ＲＦ変調信号の低損失結合への適応方法はいくつかの異なる方法でなされるかもしれない。
【００４１】
比較的損失が低い結合は、半導体ナノ構造領域とＲＦ受信部との間に、十分に低い１つの（又は複数の）ドーピングレベルを持つ層のみを設けることで得られうる。ドーピングレベルがＲＦ信号のインピーダンス整合を提供するように選択されない限り、自由キャリア吸収効果及びドープされた半導体のインターフェイス反射率の増加によって、半導体構造でのＲＦ信号の吸収を減らす。通常、ドーピング密度は、わずか１立方センチメートルあたり約１０15キャリアしか供給しない。この数字は使われている素材の種類や層の厚みに強く依存する。
【００４２】
しかしながら、下記で述べるが、特定の最適なドーピングレベルはその構造の表面でＲＦ信号結合の強化を促す場合がある。当業者は、ＲＦ変調信号が低損失で半導体ナノ構造領域へ結合されるべきであるという知識を与えられて、そのような層を適切に設計することが可能だ。
【００４３】
ＲＦ信号の低損失結合は無線周波数受信部での反射防止コーティング及び／又はインピーダンス整合層を供給することで強化される。
【００４４】
ワイヤレスＲＦ信号の偏向が広い範囲で線形である場合に、ワイヤレスＲＦ信号のこの装置への入射角度が、ＲＦから光符号化装置の表面に入るブリュースター角であるという一般的な形態が使用される。
【００４５】
上述したように、半導体構造は、有利なことに、第１導波インターフェイスから第２導波インターフェイスへ光入力信号を少なくとも部分的に導くことに適合しており、少なくとも光入力信号の一部が、導波路構造に誘導されたときに半導体ナノ構造領域とのオーバーラップを生じるように、導波路構造と半導体ナノ構造領域は光学的に結合された導波路構造を有する。
【００４６】
有利なことには、光入力信号と無線周波数変調信号とはともに伝搬する。このことは、オーバーラップと、そして変調効率、つまり無線周波数変調信号からの情報が光入力信号に伝えられる効率とを増加させる。
【００４７】
有利なことには、光入力信号と無線周波数変調信号が半導体構造の中でともに伝搬するとき、空間的及び時間的なオーバーラップを最適化し、それによって変調効率を増加させるために、それらの群速度は同一であるか又は少なくとも非常に似ている。
【００４８】
第３の実施態様においては、第２の態様に従った半導体変調器が、光入力信号をワイヤレス無線周波数変調信号で符号化する干渉計光符号器の一部として使用される。符号器は、第２実施態様の信号変調器を有する第１の干渉計アームと、内部で光信号の大きさを調整することができる光減衰器又は光増幅器に結合され、内部で光信号の位相を調整することができる光移相器を有する第２の干渉計アームと、入力信号を第１信号部及び第２信号部に分割して、それぞれを第１アーム及び第２アームに入力させる入力ポート及びスプリッターと、第１アームからの出力と第２アームからの出力と結合させる光出力ポートとを備える。
【００４９】
このような符号器は無線周波数変調信号を用いて光入力信号の、（ほぼ）バックグラウンドフリーな符号化を可能にする。
【００５０】
信号変調器に適用されるのと同じ考察が、干渉器に基づく光符号器に対してもあてはまる。例えば、無線周波数変調信号の結合が有利なことに低損失で起こる。同様に、光入力信号と無線周波数変調信号がともに伝搬することで、変調効率を増加しうる、等が挙げられる。
【００５１】
ここで留意すべきは、本発明が光入力信号の吸収の増減に依存しないということである。本発明は、（変化がないことの反対に）とにかく変化があるという事実に依存する。上述の議論は、価電子帯及び伝導帯の両方における基底状態及び励起状態の両方にあてはまる。そして、光入力信号の吸収において変化をもたらすことに関与する状態は、基底状態である必要はなく、好ましくは励起状態である方がよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明に使われる半導体構造の概略図を示す。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に関する方法を実現するための配置を概略的に示す。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、電界が領域を越えて印加される場合の量子閉じ込め領域における波動関数の変化を概略的に示す。
【図４】図４は、本発明の一部として用いられる、半導体ナノ構造部及び量子ドットを概略的に示す。
【図５】図５は、ｚ座標方向に電界が印加されていない場合の、図４で示した量子ドットのｚ座標に沿った電子及び正孔の基底状態の波動関数の大きさを示す。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、ｘ軸方向に電界が印加されていない場合の、図４における量子ドットのｘ−ｙ平面において算出された電子及び正孔の波動関数の大きさを示す。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、ｘ軸に沿って１００ｋＶ／ｃｍの強度の電界が存在する場合の、図４におけるｘ−ｙ平面において算出された電子及び正孔の波動関数の大きさを表す。
【図８】図８は、図４で示される量子ドットに対する、電子及び正孔の波動関数の重なり積分と、ｘ軸に沿って印加された電界における電子及び正孔の波動関数の重なり積分の２乗との依存性を示している。
【図９】図９は、図４で示される量子ドットに対する、ｘ軸に沿って印加された電界における、電子及び正孔の波動関数の重なり積分の２乗の微分を示す。
【図１０】図１０Ａは、図４で示される量子ドットに対する、ｘ軸に沿って印加された電界へのシュタルクシフトの依存性を示す。図１０Ｂは、図４で示される量子ドットがｘ軸に沿って印加した電界における、シュタルクシフトの微分係数を示す。
【図１１】図１１は量子閉じ込めシュタルク効果の影響を示す。
【図１２】図１２は、ＲＦ−光符号器を示す。ここでは、干渉器を含む形態でのＲＦ−光符号器を示す。
【図１３】図１３Ａ〜図１３Ｃは、ＲＦ−光符号器のプレバイアス電界を半導体ナノ構造領域へ印加するさまざまな電極の形態、例えば、図１２で示した形態を示す。
【図１４】図１４は、ＲＦパルス単体とパルス列を表したＲＦ信号を示す。
【図１５】図１５は、図１２で示されるＲＦ−光符号器を用いて、図１４の上部及び下部からＲＦパルス及びパルス列をそれぞれ光キャリアに符号化することで得られた出力信号を示す。
【図１６】図１６は、図１５で示される計算に用いられる光キャリアの一部を示す。図１６の上部は、図１５の上部（単一パルス）から符号化された光信号の対応する一部を表している。
【図１７】図１７は、図１６の下部で示される光キャリアのパワースペクトルと図１５で示される光出力信号を表している。
【図１８】図１８は、図１４で示される単独のＲＦパルスに対応するスペクトルの大きさを示し、それは図１４で示されるパルス列に対応するスペクトルの大きさを示す。
【図１９】図１９から図２５は、本発明に関する実施形態と同様に原理を証明する実験に関連する。図１９は、原理証明実験の設備を概略的に描いた図である。
【図２０】図２０は、原理証明実験における半導体構造を示すサンプルの概略図である。
【図２１】図２１は、（上のグラフは）サンプルでの、ＱＤによってもたらされたＲＦ信号の電界のグラフを示しており、（下のグラフは）入力結合されたＲＦ信号の電界によってサンプルのＱＤ領域において吸収の変調による光反射性における変化を示す。シーケンスでの個々のＲＦ信号パルスと関連する個々の反射性変調信号は、示されている大きさである必要はない。
【図２２】図２２は、サンプルの小信号反射性スペクトルと、サンプルに入射ＲＦ信号によって入射されたときのサンプルの反射性の変化を調べるために用いられる光パルスのスペクトルを示す。
【図２３】図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、入射ＲＦ信号の電界と、レーザーパルスによってもたらされるサンプルのナノ構造領域の反射性ΔＲにおける変化とを示す。
【図２４】図２４は、この実験でサンプルとして使用されたＱＤデバイスにおけるＲＦパルスの多重反射によって引き起こされたＱＤデバイスの反射性における測定された変化を示す。
【図２５】図２５は、図２３及び図２４で示された時間領域データのフーリエ変換の結果としてのスペクトル応答を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、実施例により本発明を説明する。実施例は、特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲に制限を課すと解されるものではない。
【００５４】
図１（ａ）は、本発明に用いられる半導体構造１１０の概略図を示す。半導体構造１１０は、半導体ナノ構造部１１２ａ及び１１２ｂを含む半導体ナノ構造領域１１２を有する材料領域１３１及び１３２を備える。図１（ａ）に示す半導体構造は、当該構造を伝搬する光入力信号と、吸収を生じさせるナノ構造領域との間に相互作用を及ぼす。構造１１０は、光入力信号を当該構造に結合させるための第１の光入力インターフェイス１２１と、光入力信号のうち吸収されなかった部分を当該構造の外部に結合させるための光出力インターフェイス１２２とを有する。当該構造は、ここでは平面状の部材として示されている、無線周波数信号を受信してナノ構造領域１１２にＲＦ信号を低損失で結合させやすくするための受信部１１４をも有する。受信部１１４は、半導体構造の残りの部分とともに、少なくとも１つの波長において無線周波数信号を効率的に受信するように設計されており、受信した信号をナノ構造領域に結合してＲＦ信号によって生じる電界をナノ構造領域１１２又は少なくともその一部に供給する。第１の光入力インターフェイス１２１及び第２の光出力インターフェイス１２２は、同一の部材であってよく、後述の原理証明実験で用いられるように、光信号が当該インターフェイスを通って構造１１０に入ると、構造１１０内で反射して、同じインターフェイスを通って出ていく。
【００５５】
図１（ａ）の部材は、１１２ａ及び１１２ｂのようなナノ構造部を表出させることを目的の一部として、透明に示されている。図１（ｂ）は図１（ａ）に示した構造を側面から描いた図である。
【００５６】
受信部１１４は分離された部材である必要はない。半導体構造自身が受信部として機能してもよい。プリズム又は他の適切な光学部材が受信部として用いられてもよい。半導体構造の表面にコーティングが施されてもよい。これは設計事項である。
【００５７】
受信部１１４は、全ての実施形態において、入射ワイヤレスＲＦ信号に対する効率的なインピーダンス整合を提供することで、入射ワイヤレスＲＦ信号の反射損失を低減又は除去する役割を有する。以下に、半導体構造１１０の表面に特殊なコーティングを用いた受信部１１４の好ましい実施形態を示す。
・クレール等の著作「高性能ＴＨｚ電子的光学的検出器」エレクトロンレター、第４０巻、７６３−７６４ページ（２００４年）にあるような、特殊な金属性反射防止コーティング
・フェケテ等の著作「高抵抗半導体のＴＨｚ反射性のアクティブ光制御」光学レター、第３０巻、１９９２−１９９４ページ（２００５年）にあるような、ドーピングによる供給又は光励起による自由キャリアが最適に集中している半導体層
・トゥチノーヴィチ等の著作「ＴＨｚ範囲でのフレキシブルなオールプラスティックミラー」材料科学とプロセス、第７４巻、２９１−２９３ページ（２００２年）及び米国特許第６９５４３０９号公報（Ｂ２）における高反射性を示すものと同様であるが、反射防止コーティングにより実現しているインターフェイスをベースにした誘電コーティング層又は複合層構造。
【００５８】
場合によっては、光入力信号と同じ方向又は実質的に同じ方向に、無線周波数信号を半導体構造に結合することが望ましいかもしれない。そのような実施形態においては、第１の光インターフェイスが、受信部１１４として機能するべく適合されてもよい。受信部として、例えば第１光インターフェイスに形成された、半導体構造上の適切なコーティング又は構造が用いられてもよい。
【００５９】
ＲＦ信号と光信号とを同じ方向に入力する利点は、ＲＦと光信号が、図２Ｂに示した半導体ナノ構造を含む構造を伝搬する間に相互作用を及ぼす長さを大きくすることができることである。この場合、受信部１１４は最適化された導波路又はその一部となり得る。導波路は、光信号及びＲＦ信号の強度の十分な部分が半導体ナノ構造領域に閉じ込められるようにして、両信号が半導体ナノ構造に沿って誘導されることを確実にする。ＲＦ信号及び光信号が同一の又は十分に近い群速度で、より長い距離を伝搬されればされるほど、相互作用の効率の向上が達成される。デュアル導波構造が用いられてもよく、例えば、そこでは光信号及びＲＦ信号は、互いに重なり合い、それぞれがＲＦ信号又は光信号の伝搬に最適化された個別の導波路によって同じ方向に誘導される。そのようなデュアル導波路構造は図２Ｃに示される。ここでは、１１５ａ及び１１５ｂはＲＦ信号２０２及び光信号２０１を伝搬する導波路の境界である。
【００６０】
図２Ａは構造１１０に入る光入力信号２０１、及び、光入力信号が当該構造を伝搬した結果である光出力信号（２０３）を示す。２０２ａ又は２０２ｂのような無線周波数信号は受信部１１４によって受信され、それぞれ信号２１０ａ及び２１０ｂとして示されるように、半導体構造に結合される。それは、既に述べたように、ナノ構造領域に到達し、ナノ構造領域の少なくとも一部において光の吸収に変化を及ぼす。光入力信号２０１（本例においては誘導された信号２０５としても示されている）は、入力インターフェイス１２１から出力インターフェイス１２２へと伝搬し、ＲＦ信号２１０ａ及び２１０ｂの電界の影響がある中で当該構造への吸収の変化がもたらされる。
【００６１】
図２Ｂはナノ構造領域で信号２１０ｃとなる光入力信号２０１と同じ方向に、半導体構造へ入力されるＲＦ信号２０２ｃを示す。
【００６２】
半導体ナノ構造部に印加された入射ワイヤレスＲＦ信号の電界は、半導体ナノ構造において局部的な電界の集中を生じさせるために、少なくとも１つの金属製ナノスリットを含み、半導体ナノ構造の十分に近くに設けられた受信部１１４によって局部的に強められてもよい。この原理はセオ等の著作「スキン深度限界を超えて作用する金属製ナノスリットを用いたＴＨｚ界の強化」、ネイチャーフォトニクス、第３巻、１５２−１６５ページ（２００９年）に示されている。この場合、我々のワイヤレスＲＦ信号の電界による半導体ナノ構造の光特性を変調する方法の効率がさらに向上し、より弱い無線ＲＦ信号によって、半導体ナノ構造の光特性のより大きな変調を提供することができる。金属製ナノスリットを有する結合部１１４を用いた１つの可能な実施形態が、図２Ｄに示される。ここでは、半導体構造は図１と同じである。入射無線ＲＦ信号２０２は、少なくとも１つの金属製ナノスリットを有する受信部１１４によって局部的に強められ、ナノスリットに十分に近い位置に設けられた半導体ナノ構造１１２ａ及び１１２ｂは、より強いＲＦ信号２０２ｄにされる。
【００６３】
図３Ａは、電界が存在しない場合、すなわちＦ＝０の場合のｘ軸に沿った半導体ナノ構造の伝導帯のポテンシャルＥc(ｘ)、半導体ナノ構造の価電子帯のポテンシャルＥν(ｘ)を示す。これらのポテンシャルＥc(ｘ)及びＥν(ｘ)によって、ｘ軸に沿って、それぞれ電子及び正孔の量子閉じ込めがなされる。図３Ｂは非ゼロ電界、Ｆ≠０における対応するポテンシャルＥc(ｘ)及びＥν(ｘ)を示す。図３ａの条件下において、波動関数Ψｅ及び固有エネルギーＥｅの量子ドット伝導帯状態があり、波動関数Ψh及び固有エネルギーＥhの量子ドット価電子帯状態がある。前者は（Ｅe，Ψe）として示され、後者は（Ｅh，Ψh）として示される。対応する遷移エネルギーはＥe−Ｅhである。このエネルギーを有するフォトンは量子ドット価電子帯状態（Ｅh，Ψh）から量子ドット伝導帯状態（Ｅe，Ψe）へと電子を励起することができて、波動関数Ψe及びΨhの重なり積分の２乗に比例する確率で吸収される。
【００６４】
図３Ｂは非ゼロ電界、Ｆ≠０の状態を示す。ｘ軸に沿った伝導帯エネルギーはＥ’c(ｘ)であり、ｘ軸に沿った価電子帯エネルギーはＥ’ν(ｘ)である。量子ドット伝導帯状態は波動関数Ψ’e及び固有エネルギーＥ’eを有し、量子ドット価電子帯状態は波動関数Ψ’h及び固有エネルギーＥ’hを有する。対応する遷移エネルギーはＥ’e−Ｅ’hである。このエネルギーを有するフォトンは量子ドット価電子帯状態(Ｅ’h，Ψ’h）から量子ドット伝導帯状態(Ｅ’e，Ψ’e）へと電子を励起することができ、波動関数Ψ’e及びΨ’hの重なり積分の２乗に比例する確率で吸収される。
【００６５】
図３Ａ及び図３Ｂは概略図であり、量子ドットは１次元ポテンシャル井戸として描かれている。以前述べたように、量子ドットは材料の一部が、量子ドットのバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する材料で完全に囲まれているという特徴を有しており、ポテンシャル井戸は３次元である。必要な特徴は、ナノ構造の少なくとも１つの量子閉じ込め次元を越えて印加された電界が変化による（電子及び正孔の波動関数間のオーバーラップの変化によって生じる）電子−正孔遷移エネルギーのシフト及び／又は光遷移確率のシフトである。
【００６６】
以下では、円盤状の量子ドットについて量子閉じ込めシュタルク効果が示される。量子ドット材料は、バンドギャップエネルギーが０．７４ｅＶのＩｎ0.54Ｇａ0.46Ａｓであり、障壁材料は、バンドギャップエネルギーが１．４２ｅＶのＧａＡｓである。量子ドットは円筒形であり、半径７．５ｎｍ及び高さ５ｎｍを有する。量子ドット内の電子及び正孔の実効質量は、それぞれ０．０４５ｍ0から０．３８ｍ0だと推定され、ここでｍ0は電子の残りの質量である。障壁材料の実効質量は、電子に対しては０．０６７ｍ0であり、正孔に対しては０．５１ｍ0であると推定される。量子ドット材料及び障壁材料の間の、伝導帯オフセットと価電子帯オフセットとの間の比は、６０：４０であると推定される。
【００６７】
図４は、そのような量子ドットの概略図を示す。円筒は量子ドット材料を示し、その外周は障壁材料を示す。印加された電界は量子ドット平面上、すなわち方向ｄに垂直に存在すると推定される。以下では、直交するｘ座標及びｙ座標にこの平面を割り当てる。図４において電界Ｆと示されるように、電界はｘ軸に沿って印加される。
【００６８】
電界がない場合と電界が存在する場合とにおける量子ドット内の電子及び正孔の基底状態の波動関数及び固有エネルギーは、シュレーディンガー方程式を解くことで求められる。シュレーディンガー方程式を解く方法はシュン・リエン・シュアンの「オプトエレクトロニクス・デバイスの物理」ジョン・ウィリー＆サン株式会社、９４−９５ページ（１９９５年）に記載されている。電子及び正孔の波動関数が障壁にまで貫通することが、以下の近似によって考慮に入れられている。電子と正孔とで異なる量子ドットの実効半径が導入され、無限のポテンシャル障壁を持っているが、より大きな実効寸法を有する量子ドットに対してシュレーディンガー方程式が解かれる。このように計算するアプローチのために特別な選択をすることは、本発明の範囲において必須ではない。計算は単に基礎になっている原理をわかりやすく説明するために用いられたに過ぎない。
【００６９】
図５は、ｚ座標方向に電界が存在しない場合の、ｚ座標に沿った電子及び正孔の基底状態の波動関数の大きさ（単位は任意）を示す。現状の近似と配置のもとでは、これらの大きさはｘ−ｙ座標平面、すなわちｚ方向に垂直な平面における電界とは独立しており、量子ドットのバンドオフセット、電子及び正孔に対する実効質量、及び高さｄによってのみ定められる。
【００７０】
図６Ａ及び図６Ｂは、ｘ軸方向に電界が印加されていない場合において算出されたｘ−ｙ平面における電子及びホールの波動関数の大きさ（単位は任意）を表す。図７Ａ及び図７Ｂは、図４に示されるようにｘ軸に沿って１００ｋＶ／ｃｍの強度の電界（バイアス電界Ｆbias）が存在する場合において算出された電子及び正孔の波動関数の大きさ（単位は任意）を表す。電界が印加されると、電子及び正孔の波動関数の変位が観測される（電界がゼロの場合の図６Ａ及び図６Ｂと比較のこと）。
【００７１】
電子及び正孔の波動関数の重なり積分は
である。これは電界が印加されると、電子及び正孔の波動関数の変位によって減少する。ゼロ電界及び非ゼロ電界における波動関数は、それぞれ２つの場合について重なり積分を計算するために上記の等式に挿入される。
【００７２】
吸収及び再結合速度が強く依存する光遷移強度は、重なり積分Ｍの２乗Ｍ2に比例する。図８は、上記の量子ドットに印加された電界にＭ及びＭ2が依存することを示している。電界は、上記の構成において印加される。明らかにわかるように、Ｍ及びＭ2は印加電界の増加に伴って減少する。
【００７３】
図９は、重なり積分の２乗Ｍ2を電界について微分したｄ(Ｍ2)/ｄＦbiasを示す。この微分はＭ2に比例する光遷移強度の変化を表し、印加電界の関数として印加電界の変化によって導出される。図９に見られるように、微分ｄ(Ｍ2)/ｄＦbiasは印加電界の値が２４ｋＶ／ｃｍである場合に最小値を有する。量子ドットがこのレベル（「プレバイアスされた」レベル）にあるならば、（プレバイアスされた電界とともに偏向された）電界を持つさらなる小さな外部ＲＦ信号を付加することにより、光遷移強度の可能な範囲で最強の変調がなされる。そのようなプレバイアスは、エネルギーＥe−Ｅh及びＥ’e−Ｅ’hに対応する周波数付近の周波数を有する光信号に対してＲＦ信号が引き起こす変調を最適化することを手助けする。プレバイアスは、静的であってもよく時間によって変化してもよい。
【００７４】
もう１つＱＣＳＥを明白に示すのは、電界が印加されることによる変化（通常は減少）である。電界がない場合における光遷移エネルギーに対する印加電界に伴う光遷移エネルギーのこのシフトは、シュタルクシフトと称される。図１０Ａは、シュタルクシフトの印加電界への依存性を示す。図１０Ｂは、印加された電界の関数として、印加された電界についてのシュタルクシフトの微分を示す。これらの計算は上記の量子ドットシステムに対して行われた。シュタルクシフトは印加電界に対して単調増加する。印加電界におけるシュタルクシフトの微分もまた、印加電界の関数として単調増加する。これは、量子ドットシステムが、既に、ＲＦ信号と同じに偏向されている強電界でプレバイアスされているならば、量子ドットシステムのシュタルクシフトのより強い変化が得られる（少なくとも弱いＲＦ信号に対して）ことを意味している。
【００７５】
図１１は量子ドットシステムへのＱＣＳＥの影響を示す。簡単にするために、この例において存在する唯一の２つの状態である価電子帯グランド状態及び伝導帯グランド状態の間での遷移という１つの電子遷移のみが存在すると仮定されている。量子ドットシステムにおいて実際に常に存在する、量子ドットシステムの内の均質及び不均質な広がりによって、半導体構造の光吸収スペクトラムが広がる。これは、ＲＦ信号及び／又は光入力信号がスペクトラム的に広いときの変調にとって有利な点である。光吸収スペクトラムの広がりは、例えば近くに存在する電子的遷移、温度、光励起強度、ナノ構造領域内の量子ドットの大きさのばらつき等が原因となり得る。
【００７６】
一般に、量子ドットシステムにおける光遷移強度を変調するＲＦ信号２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、図２Ａ及び図２Ｂにおいて（２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃとして）示される、自由空間を伝搬してきて入射するＲＦ変調信号として印加されうる。発明の主な応用例は、半導体ナノ構造と受信部１１４とを有する構造に自由空間から入射されるＲＦワイヤレス信号の直接的な符号化である。しかし、ＲＦ信号は、並列な板状の導波路、ストリップライン、ファイバー等のような何らかの種類のＲＦ導波路から印加された、時間によって変化する電界として上記の構造に供給されてもよい。これらのいずれかで誘導されるＲＦ信号は、ＲＦ信号の電磁波が内部反射又は同様のメカニズムによって導波路で誘導されるだけなので、本発明の意味においてはワイヤレスであると考えられる。先行技術文献において用いられているような電気信号は、電荷の移動によって伝搬し、導電材料内での伝搬に制限されている。したがって、これらはワイヤレスではなく、ハードワイヤード信号と称される。他方、電磁気信号は電荷の移動によって放出されるが、ワイヤーに閉じ込められることなく、どのような誘電性媒体内であっても伝搬する。つまり、無線ＲＦ信号は変動している電界又は変動している磁界を含む電磁気信号でなければならない。電磁気信号は、電圧又は電気的に伝導性がある材料を伝搬する電流信号が内在している（ＲＣ定数のような）制限の影響を受けない。しかし、電気的に伝導性がある材料は、より良い電力伝送を実現するために、電磁波の誘導に用いられてもよい。
【００７７】
光半導体構造のような構造にワイヤレス信号を印加する方法と有線（ハードワイヤード）信号を印加する方法との間には基本的な違いもある。欧州特許１４１６３１６号公報及び英国特許２８３６９６５号公報等に示されているように、有線（ハードワイヤード）信号の印加は半導体構造を挟む２つの電極を必要とし、設計と半導体構造の材料選択における制約があることを示唆する。
【００７８】
無線信号の印加は、受信部１１４によって半導体構造１１０に信号が、なるべく低損失で入射されることを必要とする。既に受信部１１４のいくつかの実施形態を記載しており、それらの中には、半導体構造１１０におけるワイヤレスＲＦを受信する側に設けられた金属製の反射防止コーティングを含む。
【００７９】
さらなる実施形態においては、半導体ナノ構造領域における受信部１１４の反対側に位置する導電性材料からなる反射体を含むことが好ましい。そのような反射体は、ナノ構造領域を既に横断したＲＦ放射をナノ構造領域に向けて反射することができる。表面と反射体との間の距離は非常に小さくすることができるので、ＲＦ信号と（表面と反射体との間に配置される）ＱＤとの間の相互作用は、相互作用間の十分な時間遅延につながることはなく、効果的に「一点相互作用」に類似している。そのような反射体は、ＲＦ信号がナノ構造領域に入力結合する効果の増大をもたらす。
【００８０】
したがって、受信部１１４に含まれるどの金属層も、好ましくは低損失で無線変調ＲＦ信号を受信して半導体構造１１０に入力する機能を果たすだけであることが好ましい。同様に、受信部１１４の反対側の金属反射体は、ＲＦ放射をナノ構造領域に反射する機能を果たすだけであることが好ましい。したがって、そのようなどの導電性層も、有線変調信号を供給するための電気回路に有線（ハードワイヤ）で接続されていないことが好ましい。当業者であれば、制御できない電気的なバイアスを回避するために、そのような導電性層をグランドに接続するか、代わりに、他の箇所で記述した直流バイアス電界の印加に用いる２個又はそれ以上の電極の１つとして用いられるかが必要であるということを知っているであろう。しかしながら、そのようなグランド又はバイアス接続は、変調信号を供給するための電気回路への接続を表しているわけではない。量子ドットシステムは、上述のようにプレバイアスされてもよい。プレバイアス電界は、他の入射ＲＦ信号又はそれ以外に（例えば、電極、ＲＦ導波路などを通じて）供給される電界のようなＲＦ変調信号とちょうど同じように、静的に又は時間変化をさせて供給されることができる。これらのアプローチの組み合わせは、より複雑なプレバイアス電界が引き起こされる非線形ミキシングに用いることができる。
【００８１】
プレバイアス電界もＲＦ変調信号も、半導体ナノ構造領域において、吸収条件を変化させるので、ＲＦ変調信号の非線形ミキシング及びプレバイアス電界（静的又は時間変化するもの両方）が得られ、それに伴う光入力信号の変調を可能にする。
【００８２】
量子閉じ込めシステムに電界を印加する他の効果は、電気屈折効果であり、電界が印加されたときに発生する局部的な屈折率の変化である。この効果は、ＱＣＳＥのようにほとんど瞬間的であり、印加された電界に非常に短時間（多分、数フェムト秒）で追随する。これは、半導体構造１１０を伝搬する光入力信号の位相シフトに寄与する。このようにして、伝送される光信号は、外部から印加された電界（ＲＦ変調信号又はプレバイアス電界）によって位相変調もされ、光入力信号のさらなる変調に寄与する。
【００８３】
図１２は信号変換器の一例を示し、より具体的には、上述の原理を用いるＲＦ−光符号器１２０１の一例を示す。この符号器は、ほぼ光信号のバックグラウンドフリー変調を可能にする。この場合、（不完全な変調の場合には）入力信号の変調されていない部分がデバイスを通って伝搬することを許さない。入力ポート１２１１から入った光入力信号１２３１は、２つの部分に分割される。第１の部分は、本発明の第１の態様に係る半導体変調器１２０２を有する第１アーム１２１２を通って伝送される。第２の部分は、光移相器１２０６及び光減衰器／増幅器１２０４を有する第２アーム１２１３を通して伝送される。
【００８４】
この並びにおける位相器と変調器との相対的位置（つまり、どのデバイスが最初に位置し、どのデバイスが２番目に位置するか）は任意の設計事項であり、最適化の目的の一例に過ぎない。第１アーム及び第２アーム（１２１２、１２１３）は、デバイスの出力ポート１２１４（第１アーム及び第２アームの結合点）で一緒に結合されて、出力信号１２３２を生成する。
【００８５】
ＲＦ−光符号器１２０１はワイヤレスＲＦ変調信号が第１アームにおいて半導体変調器１２０２へ印加する前に最初に調整されるべきである。移相器１２０６は光信号の第１の部分と第２の部分との間の位相差が結合ポイント１２１４において１８０度（又は現実に可能な限りこれに近い角度）だけ異なるようにするために、光信号の第２の部分の調整可能な位相変化を提供できる。光減衰器／増幅器は、（ほぼ完璧に近い）相殺的干渉によって結合ポイント１２１４での（ほぼ完璧に近い）信号消滅を得ることを可能にするために、２つのアーム１２１２、１２１３の出力における光信号の強度をできるだけ近くに持ってくることに用いられる。この場合、第１アームでのワイヤレスＲＦ変調信号の半導体変調器１２０２への印加の前に、符号器１２０１を通じた光キャリアの全伝送がゼロ（若しくは限りなくゼロに近い状態）になる。光アイソレータ（図示していない）は、反射光１２３３が入力ポートを通じて反対の方向へ脱出するのを防ぐことができる。
【００８６】
さて、上記の説明にしたがって、ＲＦ変調信号１２２２が第１アームの半導体変調器に印加されるとき、第１アームを通じた伝送は、前述したように得られる変調によって変化する。これは、第１光信号と第２光信号（第１アーム（１２１２）及び第２アーム（１２１３）を通過する信号）の間の強度差の一因となる。第１アームの光信号と第２アームの光信号の間の光位相差は、依然として１８０度（又はもっと近い）であるが、半導体変調器による吸収のために、第１アームと第２アームの出力において信号間の不完全な相殺的干渉が起こるだろう。このようにして、入力された光信号の強度の一部は、たとえ相殺的干渉が一番高まった時であってもそのデバイスを通じて伝送される。伝送のレベルは、印加されたＲＦ変調信号に起因する半導体変調器における光信号の変調強度と関連がある。だから、ワイヤレスＲＦ変調信号は第１アームでの半導体変調器１２０２へ印加されるのみであり、第２アーム内の光移相器１２０６や減退器／増幅器１２０４にはＲＦ変調信号が印加されない。
【００８７】
光入力信号の吸収における変化は、本来屈折率の変化に関連しているため、本発明は修正されうる。この場合、半導体ナノ構造領域は光入力信号の位相を変化させ、光入力信号の強度をそれほど変化させない。ＲＦ変調信号はナノ構造領域部のバンドギャップの下方ですら、屈折率の変化をもたらす。それゆえ、この場合、第１周波数が第１価電子帯状態と第１伝導帯状態の間のエネルギー差より低く、また第２価電子帯状態と第２伝導帯状態の間のエネルギー差よりも低くなりうる。このことは、光入力信号の変調が主に位相の変調であって、圧倒的に強度の変調ではないということを意味している。たとえ電子屈折効果が支配的であったとしても、同様のアレンジメントが用いられうる。この場合、変調するＲＦ信号が存在しない場合には、出力ポート１２３２を通じた伝送は、減衰器／増幅器１２０４を用いて第１アーム１２１２及び第２アーム１２１３を通じて伝送された伝送強度の適切な等化によってゼロ又は限りなくゼロに近い状態へもたらされなければならない。そして、第１アーム１２１２及び第２アーム１２１３における信号の位相は、移相器１２０６による適切な調整によって、位相差が１８０度（又は限りなくそれに近い状態）にもたらされなければならない。この場合に、第１アーム（１２１２）及び第２アーム（１２１３）を通じて伝搬する信号には、完璧な（又は限りなくそれに近い）相殺的干渉が生じる。そして、出力ポート１２３２を通じたすべての伝送が限りなくゼロに近い状態になる。そして、変調ＲＦ信号が変調器１２１２へ印加される場合、電子屈折効果によって第１アーム１２１２を通じた光信号の位相が、ＲＦ変調信号によって供給された電界強度に応じて変位する。この場合、第１アーム１２１２及び第２アーム１２１３を通じた光信号の相殺的干渉は不完全となり、光強度が出力ポート１２３２を通じて伝搬することを可能にする。この光信号は、ＲＦ信号によって時間変調され、そして再びゼロ又はゼロに近いバックグラウンドを持つ。
【００８８】
一般に、ＱＣＳＥと電子屈折効果の組み合わせは、デバイス全体及び／又はその構成要素の最適化を用いて、出力ポート１２３２での伝送された光信号における望ましいＲＦ変調強度を得るために用いられうる。
【００８９】
減衰器/増幅器１２０４は半導体変調器と同じ材料で作られてもよい。第２アームにおける第１光信号の減衰（又は増幅）は印加された電界によって調整されてもよい。これは、公知であり、半導体電子吸収変調器又は半導体光増幅器はこの目的に適っている。移相器１２０６としては、ニオブ酸リチウム移相器、又は他の適当な移相器が用いられてもよい。当業者は、他の減衰器（増幅器）及び移相器が適していることを容易に理解するであろう。
【００９０】
導波路、移相器、そして減衰器は同じ基板の上に実現されてもよく（図１２にて、概略的に示されている）、又は他の方法で光学的に統合されてもよい。あるいは、パーツが分割され、個々のコンポーネンツは、それらの間の必要な光結合を供給する中間の導波路に組み込むことができる。当業者は、このような様々な方法を心得ているであろう。
【００９１】
図１２は、概略図のみである。干渉器アーム、半導体変調器、位相器、減衰器等は、個々に及び相互の関係を測るためのものではない。
【００９２】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、上述したように変調器の最適化を可能にする、図１２の信号変調器１２０２の半導体ナノ構造領域にプレバイアスをかける可能性について概略的に示している。プレバイアスをかけることに用いられる電極は、ワイヤレス変調ＲＦ信号を受信する受信部１１４とは関連しないことを理解することは重要だ。プレバイアスに用いられる電極は、ハードワイヤでＤＣバイアス信号を受信するように適合され、ＲＦ信号を受信するのではない。
【００９３】
図１３Ａにおいては、プレバイアス電界の、図１２からの変調器１２０２の半導体ナノ構造領域への印加のため、２つの電極１３１２及び１３１４が示されている。光信号は、図２Ａ及び２Ｂで示された半導体ナノ構造領域を通じて伝搬され、インターフェイス１２１に入り、インターフェイス１２２において出て行く。この場合、電界は変調器の半導体ナノ構造領域の全ての長さに沿って印加される。
【００９４】
図１３Ｂでは、変調器の半導体ナノ構造領域へのプレバイアス電界の印加のための一連の電極１３２２及び１３２４が示されている。この場合、プレバイアス電界は、バイアス電圧（又は異なるバイアス電圧）をいくつかの、又は全ての電極１３２２及び１３２４に印加することで、変調器の異なる部分へ局部的に印加することが可能となる。
【００９５】
図１３Ｃでは、電極１３３２の円形パターンが、変調器の半導体ナノ構造領域の周りに配置されている。円形パターンは、電極１３３２の中から適した一組の電極を選択することで、ＲＦ変調電界の方向についてプレバイアス電界偏向の最適な方向をもたらす。したがって、プレバイアス電界の偏向をＲＦ変調電界の偏向に一致させることができるだろう。
【００９６】
図１４〜１８は本発明の数値計算について示している。図１４は（０．３３Ｔｂｉｔ／秒の伝送速度で送られたデータに対応した）単一のＲＦパルス及びパルス列を表すＲＦ信号を示している。最大の電界強度は、１０Ｖ／ｃｍである。
【００９７】
図１５は、図１２で示されたデバイスを用いて、それぞれ１３００ｎｍの中心波長（およそ２３３ＴＨｚの光周波数に対応）の光キャリアに図１４の上部と下部に描かれたシングルＲＦパルス及ＲＦパルス列を符号化したことで得られる出力信号を示している。バックグラウンドフリー信号はこのデバイスによって生み出される。量子ドットパラメータは、上述したものと同一である。ＲＦ電界は、２４ｋＶ／ｃｍのプレバイアスＤＣ電界（詳細については図２Ｂとその説明を参照）と同じに偏向している。
【００９８】
図１６の下部は、図１５で示された計算に用いられた光キャリアの一部を示す。図１６の上部は、図１５の上部（単一パルス）の符号化された光信号の対応する一部を示す。
【００９９】
図１７は、図１６の下部で示された光キャリアと、図１５で示された光出力信号のパワースペクトル（単位は任意）を示す。
【０１００】
図１８の実線は、図１４で示された単一ＲＦパルスに対応した振幅スペクトルを示す。そして、図１８の破線は、図１４で示されたパルス列に対応した振幅スペクトルを示す。これらのＲＦ振幅スペクトルのスペクトル特性は、明らかに図１７でのバックグラウンドフリーの光出力信号のパワースペクトルに反映されている。
以下では、原理証明実験の説明と結果について述べる。
【０１０１】
この実験では、ＲＦ放射（ＲＦ信号）の単一サイクルに近いパルスが、光−ＲＦ変換段階においてパルス状レーザーによって供給される、中心波長８００ｎｍの８０−ｆｓ長のレーザーパルスの変換によって、０．１−３ＴＨｚの範囲をカバーする周波数スペクトルで生成された。ＲＦ信号の持続期間は３ｐｓより短かった。パルス状レーザーは１ｋＨｚの繰り返し率で動作した。レーザー出力の一部は、光学的パラメトリック増幅器を使用して概ね１０４０ｎｍの中心波長（光信号）に周波数変換された。光信号の持続期間は、１００ｆｓより短かった。ＲＦ信号は、半導体構造１１０を示すサンプルの上へ垂直入射で入射された。光信号は、小さい角度でサンプルへと入射され、サンプルに入射されて反射された光信号のパワーは、ＲＦと光信号との間の遅延時間の関数として測定された。ＲＦと光信号との間の制御された遅延時間は、可変光ディレイラインを用いて導入された。サンプルの上に入射して反射した光信号のパワーの絶対値は、２つの光検出器、すなわち、サンプルへ向かう途中の光信号伝送損失を考慮に入れた、基準光検出器とサンプル光検出器とを用いて測定された。実験の装置の概略が図１９で示される。実験は室温で行われ、ＲＦ信号はその環境を通じて伝搬した。例えば、サンプルは入射ワイヤレス周波数信号によって供給された電界以外のほかの電界以外は受けないといったように、プレバイアスはサンプルに印加されていなかった。また、例えば、受信部がサンプルの表面そのものであるといった、入射ＲＦ信号にとって特別な受信部は用いられなかった。
【０１０２】
この実験でのサンプルは、図２０に示されたＱＤ（量子ドット）構造であった。サンプルのすべての半導体部分はドープされていない。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットのいくつかの層から構成されるサンプルは、誘電体反射鏡の上部に位置させた。誘電体反射鏡は、バルクＧａＡｓウェハの上部に成長させた。そして、そのウェハは、ＲＦ信号の反射材として役割を果たす研磨金属のバルク片に取り付けられた。誘電体反射鏡は、そのように成長し、ほぼ１００％の効率で、概ね１０４０ｎｍの中心波長で光信号を反射する。翻って、量子ドットは、光信号がサンプル表面から誘導体反射鏡に向かって、及びその逆で誘導体反射鏡からサンプルの表面に向かって伝搬する間に、光信号の一部を吸収する。サンプルの表面は光信号が反射しないようコーティングされており、そのためサンプル表面では反射損失がなかった。サンプル表面と誘導体反射鏡の間の構造の部分、例えば量子ドットを含む部分の厚みは光信号の波長と同程度であった。したがって、誘導体反射鏡に向けて、及び、誘導体反射鏡からの往復における量子ドットでの光信号の相互作用は、１点での相互作用として考えられうる。つまり、サンプルにおける光信号の伝搬時間は無視できるほど小さい。
【０１０３】
自由空間からサンプルに入射するＲＦ信号は、サンプルの表面で反射損失を生じて、量子ドット領域を通じて伝搬し、誘導体反射鏡を通じて伝搬し（ＲＦ周波数とは共鳴しない）、厚いＧａＡｓウェハを通じて伝搬し、最終的にはサンプルの終端で金属反射器に反射し、そしてそこに及んだ後に、再び量子ドット領域を通じて伝搬し、そしてサンプル表面でサンプルへ部分的に反射して戻る。サンプル表面の反射係数が１よりも少ないので、この反射が起きると、その構造に再び入るＲＦ信号の電界は、小さくなる。ＲＦ信号はまた、その構造を通じて伝搬するときに分散したり、散乱したり、減衰したりしうる。同様に、デバイスの表面が光パルスの波長のために反射コーティングされていないので、光パルスがデバイスへ入り、ＱＤ領域を通過して、誘導体反射鏡に反射し（ＲＦ信号に影響はしない）、ＱＤ領域を通過して、そしてデバイスを離れる。ＱＤ領域と誘導体反射鏡の間の距離は、光信号波長と同程度であり、その結果、構造を出入りする道中のＱＤでの光パルス相互作用（１点の相互作用）に対しては無視できるほど小さな遅延時間しか生じない。図２１は、光信号の周波数における、ＱＤでの吸収の変化に結びつくＲＦ信号とＱＤとの間の相互作用のタイミングを示している。
【０１０４】
図２２においては、ＱＤサンプルの小信号反射スペクトル及び光信号の強度スペクトルが示されている。１０４０ｎｍの波長付近における反射でのくぼみは、ＱＤにおける光吸収によるものである。我々の実験において、１０４０ｎｍの波長付近でのＱＤサンプルの反射性は、ＱＤがＲＦ信号の電界の影響下にあるときに増加することを示す。言い換えると、ＱＤ吸収は、ＲＦ信号での電界とＱＤの相互作用の結果として減少する。
【０１０５】
我々の原理証明実験の第１の結果は、図２３に示されている。持続期間が概ね２．８ｐｓの単一サイクルに近いＲＦパルスの電界の一時的な依存状態が図２３（ａ）に示されている。１０４０ｎｍの波長付近の光信号に生じる、ＱＤの最大吸収波長付近におけるＱＤデバイスの反射性の変調ΔＲが、時間の関数として図２３（ｂ）に示されている。ここで強調したいのは、ＲＦ信号が存在する状態における光反射性の変化は正であるということだ。つまり、ＱＤでの光吸収は、電界が印加されない時の状況と比べて減少している。図２３（ａ）からのＲＦ信号の電界の絶対値もまたこのグラフに示されている。ＱＤサンプルの光反射の時間的な動特性は、明確に入射ＲＦ信号の電界の絶対値の主な特性を再生しており、反射変調信号は入射ＲＦ信号とほぼ同じ持続期間を持つ。上記で、我々は初期の電気的プレバイアスがない場合（つまり入射ＲＦ信号の電界を除くほかの電界がＱＤに印加されない場合）のＱＤサンプルにおける光吸収の変調は、光吸収の減少をもたらし、そしてその光吸収はＲＦ信号における電界強度の極性によってではなく、その絶対値にのみ依存することの概要を説明した。そのため、ＲＦ信号の電界の一時的な依存状態における図２３（ａ）と異なる極性の特性は、図２３（ｂ）で示される、サンプルの反射性における正の変化（つまりＱＤ光吸収の減少）をもたらす。我々はここで、高周波ＲＦ無線信号の光信号への符号化の瞬間的な特性を、ＱＤサンプルの光学的特性における対応する変調を導き出すことで示した。効果は、予見されたように、ＲＦ信号の電界とコヒーレントであり、ＲＦ信号の時間的なダイナミックスにおけるサブｐｓという長さの特徴は、ＱＤにおける光信号吸収の変調に関連した信号によって再生されうる。この実験において、我々が示したＲＦ−光符号化効果は、ＲＦ信号及び光信号の電界の相互の方向とは実質的には無関係であり、サンプルの結晶軸に関連した光信号の偏向の相互の方向において、ＱＤの光吸収の小さな異方性を反映して、とても弱い依存性を持つことを確認した。
【０１０６】
図２４においては、図２３で表示したものと同じ測定を示しているが、より長いタイムスケールが採用されており、サンプルのＱＤ領域は、図２０と図２１で示されるような構造でのＲＦ信号の多重反射の結果として、ＱＤデバイスの中で概ね１１．３ｐｓの時間の間隔のＲＦパルスの多重反射を受けている。我々は、図２１の略図のような相互作用タイミングに従った、ＲＦ信号がデバイスのＱＤ領域を通過するたびに生じるＱＤサンプルの光反射における明らかな変調に気づく。１１．３ｐｓの時間間隔が置かれた、個々の反射性変調パルスは、ＲＦ信号がその構造の中で受けた分散、散乱、減衰の結果として、わずかに形が変わるという特徴を有する。しかしながら、反射性変調信号のおおよその持続期間は常に２．８ｐｓのオーダーである。図２４で示された結果は、それぞれのデータビットが単一のＲＦ信号パルスで表される（シーケンスにＲＦパルスが存在する時は「１」、シーケンスにＲＦパルスが存在しない時は「０」）シリアルデジタルデータストリームの符号化は、「１１１１」のシーケンスが伝送されたと仮定すると、１１．３ｐｓのデータパルスの間の時間間隔に対応して、少なくとも８９Ｇｂｉｔ／秒のビットレートで可能であるという証拠をもたらす。１１．３ｐｓのパルス間隔の、２．８ｐｓの個々の反射性変調パルスのおおよその持続時間に対する比率は、１１．３÷２．８＝４．０３となり、このことは、ＲＦデータシーケンスにおけるデータビットを表す光反射性信号間のクロストークがない状態において、実証したビットレートの８９Ｇｂｉｔ／秒の４倍の速さ、つまり３５６Ｇｂｉｔ／秒＝０．３５６Ｔｂｉｔ／秒でのデータの光信号への符号化の可能性を示唆する。
【０１０７】
最後に、図２５において、我々は図２３（ａ）からの個別のＲＦ電界信号、図２３（ｂ）からの単一ＲＦ信号によるＱＤサンプルの光反射性の変調、及び、同じ変調だが図２４からのＲＦ信号シーケンスによって引き起こされた光反射性の変調の周波数スペクトル（時間領域信号のフーリエ変換の結果）を示す。我々の実験で用いられた個々のＲＦパルスの周波数スペクトルは、上で述べた符号化方法を使用した情報の光信号への符号化に対して、概ね３ＴＨｚのバンド幅が用いられうることを示唆している。一連のＲＦパルスによって生成された反射性変調スペクトルにおいて、この実験で示された８９Ｇｂｉｔ／秒のビットレートの可能性に対応する概ね９０ＧＨｚの間隔で、複数の頂点が明確に確認できる。単一ＲＦパルス及びＲＦパルスのシーケンスによって引き起こされた反射性変調の周波数スペクトルは、図１８で示された振幅スペクトルのＲＦ信号によって生み出された、図１７で示された光信号の周波数スペクトルにおけるモデル化されたサイドバンドに相当する。
【０１０８】
本発明の好ましい実施形態による変調器又はＲＦ−光符号化デバイスは、ＴＨｚレンジまでの範囲の高周波放射のための超高速コヒーレント検出器として用いられうる。このデバイスは室温で動作し、そのデバイスを伝送する又は反射した（又はデバイスをプローブする）入射ＴＨｚ信号の光信号への瞬間的な符号化を可能にする。そして、この光信号は、従来通りに分析され又は扱われ、検出されたＴＨｚ信号の情報／特性を運ぶ。
【０１０９】
自由空間電気光学サンプリング（ＦＥＯＳ）や光伝導性サンプリング（ＰＣＳ）といった他のコヒーレント検出方法と比べて、光学的信号及びＴＨｚ信号の偏向の相互の方向、及び、半導体の結晶軸とは実質的には無関係であるという利点をもたらす。それゆえに、本発明に係るデバイスは、実質的に偏向に関係がない。
【０１１０】
本発明は、多くの異なるアプリケーションのために有利に適用されうる。そしてそれぞれのアプリケーションにおいて適用できる的確な設定は、当業者の能力の範囲内である。想定されるいくつかのアプリケーションを以下に示す。
（１）Ｔｂｉｔ／秒及びサブＴｂｉｔ／秒の自由空間ＲＦシリアル通信
サブＴｂｉｔ／秒又は数Ｔｂｉｔ／秒のビットレートのデジタルデータストリームは、一連のＲＦ信号として伝送され、そしてシーケンスにおけるそれぞれの信号は単一のデータビットを示す。本発明は、ワイヤレス信号によるデジタルデータシリアルストリームキャリアを光信号へ検出／コヒーレント符号化することを可能にする。そしてそれは、公知の方法で扱われ、そのためデータはこの光信号から読み出される。
（２）高周波数光通信
一般に、ＴＨｚの範囲までの高周波ワイヤレスＲＦ信号は直接光信号へ符号化されてよく、それらはファイバーでの有線ネットワークにおいて伝送される。通信プロトコルはアナログであってもデジタルであってもよい。このように、中間での信号変換が必要ない。
（３）ＴＨｚ分光法及び検出
ＴＨｚ分光情報は、ＴＨｚスペクトルに簡単に変換して分析できる「サイドバンド」の形の光「プローブ」信号に符号化される。
（４）軍事的利用
秘密通信やＴＨｚソースの検出等。
（５）ＴＨｚ放射の汎用室温検出器
本発明に基づいて、汎用ＴＨｚ検出器は簡単に製造されうる。そして、内部構成のクリティカルな配置を必要としない。
（６）ＴＨｚ信号移相検出器
プレバイアスの印加によって、入力されるＴＨｚ信号の絶対値だけではなく、位相をも検出することができる（が、そのときは偏向依存となる）。ここで、デバイスは、入力されるＴＨｚ信号の偏向を測定することにも用いられうる。図１３Ｃに関して記述された実施形態の説明を参照のこと。
（７）ＴＨｚソースへの光ソースの同期
提案された方法は、例えばモードロックされたレーザー（固体レーザー、ガスレーザー、ファイバーレーザー等）の半導体可飽和吸収体における、例えば自由電子レーザー（ＦＥＬ）やシンクロトロン（マスターソース）といったＴＨｚソースからのＴＨｚ入力による損失の瞬間的な変調に用いられてもよい。
【０１１１】
このように、効果はモードロックされたレーザーの「モード引抜き」によるモードロックレーザーのＦＥＬ又はシンクトロンへの同期（スレーブ化）に用いられる。それゆえ、ＦＥＬ又はシンクトロンからのＴＨｚパルスは、ＴＨｚマスターソースの与えられた繰り返し率によって、時間同期される。そして、スレーブのモードロックレーザーは十分に同一に近くなる。このような時間同期は、ＦＥＬとシンクロトロンの多くの科学的な実験にとって重要である。
【０１１２】
望ましい実施形態において、本発明は、これらのアプリケーションの一つ以上に適合された信号変調器を提供すると同様に、これらのアプリケーションの一つ以上の目的の発明に係る信号変調器の使用を提供する。
【０１１３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１１４】
１１０・・・半導体構造、１１２・・・半導体ナノ構造部、１１４・・・無線周波数受信部、１２０・・・導波路構造、１２１・・・第１光入力インターフェイス、１２２・・・第２光入力インターフェイス、２０１・・・光信号、２０２・・・ＲＦ信号、２０３・・・光出力信号、２０５・・・光信号、２１０・・・ＲＦ信号、１２０１・・・光符号器、１２０２・・・変調器、１２０４・・・増幅器、１２０６・・・光移相器、１２１１・・・入力ポート、１２１２・・・第１アーム、１２１３・・・第２アーム、１２１４・・・結合ポイント、１２２２・・・ＲＦ変調信号、１２３１・・・光入力信号、１２３２・・・出力ポート、１２３３・・・反射光、１３１２・・・電極、１３２２・・・電極、１３３２・・・電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスＲＦ信号と実質的に同一量の情報を運ぶ光信号を供給するために、ＧＨｚ（ＧＨｚ）やＴＨｚ（ＴＨｚ）周波数信号といった、ワイヤレス無線周波数（ＲＦ）信号を使用することに関連する。ＲＦ信号によって運ばれる情報は、本発明に従った方法及びデバイスを用いることで、光信号に伝えられる。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信システム技術は、毎秒約１テラビット(Ｔｂｉｔ／ｓ)の伝送速度にすることを可能にしている。このようなシステムは、光信号に基づいている。複数のギガビット（Ｇｂｉｔ／ｓ）エミッタが合わさって、光時分割多重化（ＯＴＤＭ）を経由してこの速い伝送速度を生み出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第１４１６３１６号明細書
【特許文献２】英国特許第２３８６９６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一つのエミッタを使用して高い伝送速度を生み出すために障害となっているのは、基本的な問題である。すなわち、例えば、半導体レーザーダイオードでの直接のＴＨｚ電流変調や、位相シフトベースのスイッチにおける電圧制御は、そのようなデバイスが本質的に有する「大きい」ＲＣ時定数に起因して、満足な効果を生むことがないということだ。ここでいう「大きい」とは、関連する充放電速度が、おそらく１ＴＨｚよりは一桁小さい１０ＧＨｚから４０ＧＨｚに変調速度を制限するという意味である。レーザーダイオードの超高速光誘導スイッチングは可能だ。しかし、低温の電子群の復旧が遅いために、最終的にはＴＨｚ変調速度を達成することが困難である。このプロセスは、１００ＧＨｚ以上の変調速度を供給するには遅過ぎる。
【０００５】
光時分割多重化は、それぞれでは（毎秒１０ギガビットといった）「低い」反復速度のエミッタを組み合わせることで、高い光波長伝送速度を獲得することができるが、ＴＨｚ信号の光信号へのデジタル符号化は今のところ不可能である。
【０００６】
特許文献１（欧州特許第１４１６３１６号明細書）及び特許文献２（英国特許第２３８６９６５号明細書）は、それぞれのブランチにおいて電気的に応答する光移相器又は変調器を使用することで、光信号を変調する干渉計を開示している。上記の移相器は、量子ドットを含む層を有する。変調信号は、電気配線を介して受信されるＲＦハードワイヤード電圧信号であり、蒸着された電極又は金属接触層によって移相器に印加される。
【０００７】
移相器にハードワイヤ（有線）信号を供給する駆動回路が、移相器の変調速度を約１００ＧＨｚに制限するＲＣ定数をもたらすことは不利な点である。
【０００８】
本発明の目的は、数百ＧＨｚからＴＨｚに達する周波数のワイヤレス高周波無線（ＲＦ）信号のコヒーレント検出及び／又は光キャリア信号への瞬間的な符号化のための方法及びデバイスを供給することにある。
【０００９】
また、本発明のもう一つの目的は、電気回路内のＲＣ時定数によって得られる速度が制限されない、光信号を変調する方法及びデバイスを提供することである。さらに本発明のもう一つの目的は、ワイヤレス高周波ＲＦ信号から光信号へ（直接）符号化するための方法及びデバイスを提供することである。これによって、公知の方法で検出される光信号にワイヤレスＲＦ信号を符号化することにより、ワイヤレスＲＦ信号のコヒーレント検出が可能になる。
【００１０】
したがって、本発明は、これらの目的に対応する先行技術の課題を解決する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様においては、第１周波数を有する光入力信号を変調する方法であって、
（ａ）半導体ナノ構造領域であって、前記半導体ナノ構造領域へと結合される前記光入力信号の一部を吸収できる複数の半導体ナノ構造部を有する前記半導体ナノ構造領域と、
（ｂ）第１光インターフェイスと、
（ｃ）変調光出力信号の形で、前記光入力信号の吸収されなかった部分が前記半導体ナノ構造領域から外に結合される第２光インターフェイスと、
（ｄ）第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部と
を有する半導体構造における半導体ナノ構造領域に、前記第１光インターフェイスを通して前記光入力信号を結合する手段と、
前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記無線周波数受信部へと供給し、かつ、一時的に前記光入力信号とオーバーラップして前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域に結合させて、前記半導体ナノ構造領域を越えて時間依存電界を供給し、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって前記光入力信号の前記第１周波数における前記半導体ナノ構造領域における吸収を変化させる手段と、
前記光入力信号の吸収されなかった部分を、前記第２光インターフェイスを通して結合して前記変調光出力信号を供給する手段と
を備える方法を提供する。
【００１２】
ＲＦ信号によって生じた第１周波数での吸収及び恐らく位相における変化は、ＲＦ信号から光入力信号へとデータを変調することに用いられうる。あるいは、光入力信号へこれらを転移させることで、光出力信号の検出によってＲＦ信号の特性を検出することに用いられうる。
【００１３】
本発明の第２態様においては、信号変調器又はＲＦ−光符号化装置が提供される。信号変調器は、第１の周波数を有する光出力信号を、光入力信号と第２の周波数を有するワイヤレス無線周波数変調信号とに基づいて供給することができる。信号変調器は、前記光入力信号の一部を吸収する複数の半導体ナノ構造部を有する半導体ナノ構造領域と、前記光入力信号を前記半導体ナノ構造領域へと結合する第１光インターフェイスと、前記光入力信号の吸収されなかった部分を前記半導体ナノ構造領域から外に結合させて前記光出力信号を生成する第２光インターフェイスと、前記第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部と を有する半導体構造を備える。
【００１４】
以下では、多数の望ましい、及び／又は任意の特性、要素、例示、実施、効果がまとめられる。ある実施形態又は態様に関連して記述された特性又は要素は、適用可能な他の実施形態や態様に結合されたり、適用されたりする場合がある。例えば、実施の方法に関連して適用される構造的、機能的特性はまた、デバイスに関する特性としても使用され、逆の場合も同様である。また、発明者によって理解されるような本発明の基本的なメカニズムに関する説明は、説明の目的のために存在するのであり、発明を推論するための事後的な分析に用いられるべきではない。
【００１５】
例えば量子井戸、量子細線、量子ドット等といった、量子閉じ込めシステムへの量子閉じ込めの方向に沿った電界の印加は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）として知られる効果につながる。電界Ｆを印加した結果、電子と正孔の電荷キャリアの閉じ込めポテンシャルは、バンド構造の傾きによって、光遷移エネルギーの確率が減少する方向へと修正される。そして、電子と正孔の間の波動関数に空間的に大きな乖離が生じた結果、光遷移の確率は減少する。光遷移の確率は、概ね光吸収係数と比例する。
【００１６】
本願発明の動作原理に基づけば、量子閉じ込めの方向に沿っての半導体ナノ構造領域への電界印加は、とりわけ、光入力信号の波長におけるナノ構造の光吸収係数の減少をもたらすことになる。
【００１７】
そして、仮に電界が静的にではなく、むしろ時間によって変化するように印加されるならば、それに応じた半導体ナノ構造の閉じ込めポテンシャルの変更は、時間変化する電界に瞬時に追随することになる。
【００１８】
したがって、例えば時間によって変化する電界の影響を受けて閉じ込めポテンシャルが変化し、それに応じて光吸収係数が時間によって変化する。
【００１９】
本発明によれば、時間変化する電界が、ワイヤレス高周波数無線信号によって半導体ナノ構造を含む構造に供給されることで、特に、入射ＲＦ信号における電界の変化に応じた割合で、半導体ナノ構造領域の光吸収係数が変化する。我々はそこで、ＲＦワイヤレス信号によって誘導されるＱＣＳＥの瞬間的な性質を用いて、半導体ナノ構造領域を通じて伝送される、又はそこから反射する光入力信号の変調を提供する。
【００２０】
この方法によって、ＲＦ信号によって伝送された情報は、光入力信号に伝えられる。ＲＦ信号の変調が光信号に伝えられることによる効果はほとんど瞬間的であり、変調はサブピコ秒のタイムスケール又はそれより長いタイムスケールで変化し、その結果として光入力信号へと伝えられる。
【００２１】
他の方法においては、ＱＣＳＥの効果は以下のように説明することができる。すなわち、変調ＲＦ信号が無線周波数受信部に供給されるとき、変調ＲＦ信号は第１半導体ナノ構造部を越えて時間依存性がある電界を供給する。その結果、第１価電子帯状態(Ｅh,Ψh)から第２価電子帯状態(Ｅ’h,Ψ’h)までの第１半導体ナノ構造部の価電子帯状態の変化、第一伝導帯状態(Ｅe,Ψe)から第２伝導帯状態(Ｅ’e,Ψ’e）までの第１半導体ナノ構造部の伝導帯状態の変化をもたらす。
【００２２】
それによって、半導体ナノ構造部の波動関数オーバーラップが＜Ψh｜Ψe＞から＜Ψ’h｜Ψ’e＞へと変化する。そして、この変化は、結果として半導体ナノ構造領域における光入力信号の第１周波数における吸収の変化となる。したがって、光入力信号に生じた吸収を変化させるには、第１周波数は第１価電子帯状態から第１伝導帯状態へ、又は、第２価電子帯状態から第２伝導帯状態へと電荷キャリアを励起させるために十分な光子エネルギーに対応しなければならない。
【００２３】
したがって、この方法及び変調器は入射ＲＦ信号と同じ情報を持った光信号データを提供するのに使用されうる。そして、この方法は光通信システムの中では非常に有利なものである。なぜなら、対応する光信号へ変換することでワイヤレス無線周波数信号を受信する方法を提供するからである。
【００２４】
本発明は入射されたワイヤレスＲＦ信号を、電子回路が介在することなく直接光入力信号へ変調するという効果を奏する。その結果、変調は瞬間的で、より高い変調速度を提供しうる。
【００２５】
この方法及び変調器は、無線信号及び光信号の両方の偏向状態に関係なく、同様に、無線周波数信号及び光信号の互いの偏向方向、並びに半導体ナノ構造部の方向にも関係なく、無線周波信号を光信号へ符号化することを可能にする。光信号の互いの偏向方向や半導体ナノ構造部の方向に関して比較的弱い偏向依存性が、半導体ナノ構造の光吸収の異方性の結果として存在するかもしれないが、光信号の瞬間的な変調の効果が全くなくなるというわけではない。また、半導体ナノ構造の空間的な異方性に起因する、瞬間的な変調の効果の比較的弱い依存性も存在するかもしれないが、これもまた変調の効果が全くないというわけではない。変調方法が偏向に依存しないことは、光伝導検出や自由空間電気光学サンプリングといった他の方法に比べて有利な点である。そこでは、ＲＦ信号検出又は光信号へのＲＦ信号の符号化をできないＲＦと光信号のお互いの偏向方向及びＲＦ受信部の方向を見つけることが常に可能である。
【００２６】
通信システムでの利用とは異なるが、ＲＦから光へのコヒーレント符号化と同じ原理が、高周波数ＲＦ分光法や検出／イメージングシステムにおいて非常に効果的に用いられている。そこでは、分光法／検出／イメージングシステム（又はほかのＲＦ信号ソース）からのＲＦ信号と入力する光入力信号とで、センサーの一部を形成しうる。本発明を用いることで得られる光出力信号は、ＲＦ信号からの特性を含み、ＲＦ信号自体を分析する代わりに分析されうる。ＴＨｚ周波数における様々なイメージング、センシングそして分光法が、例えば以下の著作物で議論されている。Ｂ.ファーグソン／Ｘ．Ｃ．チャン著「ＴＨｚサイエンスのマテリアルとテクノロジー」、ネイチャーマテリアル第１号、２６-３３ページ、２００２年。
【００２７】
本発明はＲＦ分光出力信号のスペクトル特性に対応するスペクトル特性を持つ光出力信号を作る。そのため、適切な装置を用いた光出力信号の検出は、ＲＦ信号の中に含まれる分光情報を明らかにするために用いられる。
【００２８】
半導体ナノ構造は本発明の核心部である。本発明で使われている半導体ナノ構造は、１マイクロメーターより小さな次元を少なくとも１つ持つ半導体素子である。電子と正孔はこの次元に沿って制限された動きをすることになる。それが、量子閉じ込めである。光遷移エネルギーや光遷移確率といった、量子閉じ込め電子及び正孔に関連のある光学的特性は、量子閉じ込めポテンシャル並びに電子及び正孔の質量（しばしば「有効質量」と言われる）の影響を受ける。そのような半導体ナノ構造では、量子閉じ込めのこの次元に沿って印加された外部電界によって、基本的に瞬時に、例えば光遷移エネルギーや光遷移確率といった電子及び正孔の光遷移パラメータが修正される。
【００２９】
このようにして、光遷移に関連する半導体構造の光学的特性は、外部電界の印加を受けて基本的に瞬時に変化する。入射されたワイヤレス電磁ＲＦ信号の電界成分によって外部電界が供給されると、半導体部の光学的特性は入射ＲＦ信号の電界強度の関数として変調される。光入力信号が半導体構造を通じて入射ＲＦ信号と同時に伝送されると、光入力信号の伝送は入射ＲＦ信号によって変調され、入射ＲＦ信号によって伝送された情報を光入力信号へ符号化することになる。これは、ＧＨｚやＴＨｚといった非常に高い周波数を持ったＲＦ信号からの情報を光信号へ符号化する手段をもたらす。
【００３０】
半導体ナノ構造は、「量子井戸」（１次元での量子閉じ込め）及び／又は「量子細線」（２次元での量子閉じ込め）、及び／又は「量子ドット」（三次元での量子閉じ込め）を含む。しかしながら、半導体ナノ構造は、さらに複雑な他の形状を有してもよい。本発明の基本原理は、どの種類の半導体ナノ構造に対しても同じである。
【００３１】
以下では、本発明の原理を、半導体ナノ構造の一例として量子ドットに基づいて説明する。
【００３２】
半導体構造は、有利なことに、半導体構造の第１導波路インターフェイスから第２導波路インターフェイスへ光入力信号を誘導するように適合された導波路構造を備え、光入力信号の少なくとも一部が導波路構造にて誘導された際に半導体ナノ構造領域とのオーバーラップを有するべく、導波路構造と半導体ナノ構造領域とは光学的に結合されている。
【００３３】
有利なことに、変調無線周波数信号は、無線周波数遠隔通信又はデータ伝送プロセス、無線周波数分光プロセス、無線周波数検出プロセス、無線周波数イメージングプロセスといった、光入力信号へ符号化されるべき情報を含む信号である。他の応用例も想定することができる。ＲＦ信号へ変調され、そこで光信号へと伝送されるデータは、アナログ及び／又はデジタルのいずれであってもよい。
【００３４】
ワイヤレスＲＦ信号の周波数、つまり、第２周波数は、５ＧＨｚから２０ＴＨｚの範囲といったように、５ＧＨｚから５０ＴＨｚの間の範囲にあるのが好ましい。この範囲の最も高域の周波数は、電気有線（ハードワイヤード）信号では不可能なため、ＲＦ信号が電磁放射信号であることは当業者には明らかである。
【００３５】
量子ドットは、バンドギャップの狭い半導体の３次元片で、バンドギャップが大きい半導体、誘導体又は真空空間に取り囲まれている。量子ドットの寸法は、通常は１００ナノメートルを超えない。量子ドットは、球体、円盤状、レンズ状、ピラミッド状、立方体などの異なる形をしていてもよい。円盤状の量子ドットの概略図が図４に示されおり、円盤状の量子ドットでの重要な寸法である、半径（Ｒ）と高さ（ｄ）が示されている。量子ドットでの電荷キャリアは３次元に閉じ込められ、その結果、キャリアの加熱や量子ドットからのキャリアの離脱に関連する効果の影響を受けないか、又は少なくとも非常に限られた影響しか受けない。例えばＧＨｚ又はＴＨｚ周波数での電界になり得る入射ＲＦ信号は、量子ドットにおいて、基本的に瞬時に量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を引き起こす。ＲＦ信号の電界は電子と正孔の波動関数の変位を引き起こし、そして今度は電子-正孔の波動関数オーバーラップ（重なり積分）の（動作環境に依存する減少のような）変化を生む。電子を価電子帯から伝導帯へ励起させる（それによって電子-正孔のペアを作り出す）遷移確率は、この光遷移に関わる光子の吸収確率（つまり吸収強度）に影響し、又は生成された電子−正孔のペアの組み換え効率に影響し、重なり積分の２乗に比例する。このように、光入力信号の吸収を変化させるのは、直接的にはキャリアの供給ではなく、むしろＱＣＳＥを通してもたらされる光遷移確率（つまり吸収強度）の変化である。ＱＣＳＥは、（基本的に）瞬間的な効果であり、一時的にＲＦ信号とコヒーレントであるので、本発明は直接ＲＦ変調を光キャリアへＴＨｚのレートで符号化することを可能にし、したがって例えば遠隔通信システムにおいてテラビット／秒のデータ伝送速度にすることを可能にする。
【００３６】
ここで、いくつかの例において、非常に短い自由キャリアの寿命を有し、入射信号の電界に依存し、量子井戸層と平行に偏向している量子井戸は、量子ドットの代わりに用いられうる。非常に短い自由キャリアの寿命は、バンドギャップの下での数多いトラップ状態を導くことによってもたらされる。このような配置はまた、結果として、フランツ・ケルデシュ効果又はバルク・シュタルク効果によって、入射ワイヤレスＲＦ信号の電界によって量子井戸吸収のほぼ瞬間的な変調を引き起こす。吸収リカバリ速度は、量子井戸において光励起された電子及び／又は正孔が、十分に効率的に早くトラップ状態にキャプチャーされることによって決まる。
【００３７】
半導体構造に導波路構造（１２０）を含めることで、光出力信号の変調は増加しうる。なぜなら光信号と半導体ナノ構造領域の間のオーバーラップが増加するからである。導波路構造は第１導波路インターフェイス（１２１）から第２導波路インターフェイス（１２２）へ光入力信号を少なくとも部分的に導くことに適合されており、少なくとも光入力信号の一部は、導波路構造（１２０）に誘導されたときに半導体ナノ構造領域（１１２)とのオーバーラップを有するべく、導波路構造（１２０）と半導体ナノ構造領域（１１２）は光学的に結合されている。
【００３８】
上述したように、本発明は、変調が、主として量子状態を満たしたり空にしたりすることを通じてもたらされるのではなく、ＲＦ信号が引き起こす波動関数オーバーラップの変化を通じてもたらされるという点で優位性を有する。
【００３９】
本発明に係る変調器は、半導体光増幅器又は電気吸収変調器に類似しているかもしれないが、ＲＦ変調信号の構造への低損失結合を提供することで、できるだけ多くのＲＦ変調信号を半導体ナノ構造領域へ入らせるように適合されている。この理由は、多くの応用例や実際的事例において、ＲＦ変調信号がすでにきわめて弱いからである。いくつかの実施形態では、本発明の第２態様に係る変調器は、特定の半導体光増幅器に用いられるものと同じ装置を使って製作されうる。当該製造方法は、半導体ナノ構造領域へのＲＦ変調信号の低損失結合を達成できるよう適合されていることだけが必要である。
【００４０】
入射無線変調信号のナノ構造領域への低損失結合は、入射無線ＲＦ信号の電界による半導体ナノ構造において量子閉じ込めシュタルク効果の発生の高い効率をもたらす点で重要な役割を果たしている。低損失結合は、好ましくは入射ＲＦ信号にとって効率的なインピーダンス整合を提供することで、ＲＦから光への符号化デバイスの表面で入射無線ＲＦ信号の反射損失を低減又は除外するために重要である。ＲＦ変調信号の低損失結合への適応方法はいくつかの異なる方法でなされるかもしれない。
【００４１】
比較的損失が低い結合は、半導体ナノ構造領域とＲＦ受信部との間に、十分に低い１つの（又は複数の）ドーピングレベルを持つ層のみを設けることで得られうる。ドーピングレベルがＲＦ信号のインピーダンス整合を提供するように選択されない限り、自由キャリア吸収効果及びドープされた半導体のインターフェイス反射率の増加によって、半導体構造でのＲＦ信号の吸収を減らす。通常、ドーピング密度は、わずか１立方センチメートルあたり約１０15キャリアしか供給しない。この数字は使われている素材の種類や層の厚みに強く依存する。
【００４２】
しかしながら、下記で述べるが、特定の最適なドーピングレベルはその構造の表面でＲＦ信号結合の強化を促す場合がある。当業者は、ＲＦ変調信号が低損失で半導体ナノ構造領域へ結合されるべきであるという知識を与えられて、そのような層を適切に設計することが可能だ。
【００４３】
ＲＦ信号の低損失結合は無線周波数受信部での反射防止コーティング及び／又はインピーダンス整合層を供給することで強化される。
【００４４】
ワイヤレスＲＦ信号の偏向が広い範囲で線形である場合に、ワイヤレスＲＦ信号のこの装置への入射角度が、ＲＦから光符号化装置の表面に入るブリュースター角であるという一般的な形態が使用される。
【００４５】
上述したように、半導体構造は、有利なことに、第１導波インターフェイスから第２導波インターフェイスへ光入力信号を少なくとも部分的に導くことに適合しており、少なくとも光入力信号の一部が、導波路構造に誘導されたときに半導体ナノ構造領域とのオーバーラップを生じるように、導波路構造と半導体ナノ構造領域は光学的に結合された導波路構造を有する。
【００４６】
有利なことには、光入力信号と無線周波数変調信号とはともに伝搬する。このことは、オーバーラップと、そして変調効率、つまり無線周波数変調信号からの情報が光入力信号に伝えられる効率とを増加させる。
【００４７】
有利なことには、光入力信号と無線周波数変調信号が半導体構造の中でともに伝搬するとき、空間的及び時間的なオーバーラップを最適化し、それによって変調効率を増加させるために、それらの群速度は同一であるか又は少なくとも非常に似ている。
【００４８】
第３の実施態様においては、第２の態様に従った半導体変調器が、光入力信号をワイヤレス無線周波数変調信号で符号化する干渉計光符号器の一部として使用される。符号器は、第２実施態様の信号変調器を有する第１の干渉計アームと、内部で光信号の大きさを調整することができる光減衰器又は光増幅器に結合され、内部で光信号の位相を調整することができる光移相器を有する第２の干渉計アームと、入力信号を第１信号部及び第２信号部に分割して、それぞれを第１アーム及び第２アームに入力させる入力ポート及びスプリッターと、第１アームからの出力と第２アームからの出力と結合させる光出力ポートとを備える。
【００４９】
このような符号器は無線周波数変調信号を用いて光入力信号の、（ほぼ）バックグラウンドフリーな符号化を可能にする。
【００５０】
信号変調器に適用されるのと同じ考察が、干渉器に基づく光符号器に対してもあてはまる。例えば、無線周波数変調信号の結合が有利なことに低損失で起こる。同様に、光入力信号と無線周波数変調信号がともに伝搬することで、変調効率を増加しうる、等が挙げられる。
【００５１】
ここで留意すべきは、本発明が光入力信号の吸収の増減に依存しないということである。本発明は、（変化がないことの反対に）とにかく変化があるという事実に依存する。上述の議論は、価電子帯及び伝導帯の両方における基底状態及び励起状態の両方にあてはまる。そして、光入力信号の吸収において変化をもたらすことに関与する状態は、基底状態である必要はなく、好ましくは励起状態である方がよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明に使われる半導体構造の概略図を示す。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に関する方法を実現するための配置を概略的に示す。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、電界が領域を越えて印加される場合の量子閉じ込め領域における波動関数の変化を概略的に示す。
【図４】図４は、本発明の一部として用いられる、半導体ナノ構造部及び量子ドットを概略的に示す。
【図５】図５は、ｚ座標方向に電界が印加されていない場合の、図４で示した量子ドットのｚ座標に沿った電子及び正孔の基底状態の波動関数の大きさを示す。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、ｘ軸方向に電界が印加されていない場合の、図４における量子ドットのｘ−ｙ平面において算出された電子及び正孔の波動関数の大きさを示す。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、ｘ軸に沿って１００ｋＶ／ｃｍの強度の電界が存在する場合の、図４におけるｘ−ｙ平面において算出された電子及び正孔の波動関数の大きさを表す。
【図８】図８は、図４で示される量子ドットに対する、電子及び正孔の波動関数の重なり積分と、ｘ軸に沿って印加された電界における電子及び正孔の波動関数の重なり積分の２乗との依存性を示している。
【図９】図９は、図４で示される量子ドットに対する、ｘ軸に沿って印加された電界における、電子及び正孔の波動関数の重なり積分の２乗の微分を示す。
【図１０】図１０Ａは、図４で示される量子ドットに対する、ｘ軸に沿って印加された電界へのシュタルクシフトの依存性を示す。図１０Ｂは、図４で示される量子ドットがｘ軸に沿って印加した電界における、シュタルクシフトの微分係数を示す。
【図１１】図１１は量子閉じ込めシュタルク効果の影響を示す。
【図１２】図１２は、ＲＦ−光符号器を示す。ここでは、干渉器を含む形態でのＲＦ−光符号器を示す。
【図１３】図１３Ａ〜図１３Ｃは、ＲＦ−光符号器のプレバイアス電界を半導体ナノ構造領域へ印加するさまざまな電極の形態、例えば、図１２で示した形態を示す。
【図１４】図１４は、ＲＦパルス単体とパルス列を表したＲＦ信号を示す。
【図１５】図１５は、図１２で示されるＲＦ−光符号器を用いて、図１４の上部及び下部からＲＦパルス及びパルス列をそれぞれ光キャリアに符号化することで得られた出力信号を示す。
【図１６】図１６は、図１５で示される計算に用いられる光キャリアの一部を示す。図１６の上部は、図１５の上部（単一パルス）から符号化された光信号の対応する一部を表している。
【図１７】図１７は、図１６の下部で示される光キャリアのパワースペクトルと図１５で示される光出力信号を表している。
【図１８】図１８は、図１４で示される単独のＲＦパルスに対応するスペクトルの大きさを示し、それは図１４で示されるパルス列に対応するスペクトルの大きさを示す。
【図１９】図１９から図２５は、本発明に関する実施形態と同様に原理を証明する実験に関連する。図１９は、原理証明実験の設備を概略的に描いた図である。
【図２０】図２０は、原理証明実験における半導体構造を示すサンプルの概略図である。
【図２１】図２１は、（上のグラフは）サンプルでの、ＱＤによってもたらされたＲＦ信号の電界のグラフを示しており、（下のグラフは）入力結合されたＲＦ信号の電界によってサンプルのＱＤ領域において吸収の変調による光反射性における変化を示す。シーケンスでの個々のＲＦ信号パルスと関連する個々の反射性変調信号は、示されている大きさである必要はない。
【図２２】図２２は、サンプルの小信号反射性スペクトルと、サンプルに入射ＲＦ信号によって入射されたときのサンプルの反射性の変化を調べるために用いられる光パルスのスペクトルを示す。
【図２３】図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、入射ＲＦ信号の電界と、レーザーパルスによってもたらされるサンプルのナノ構造領域の反射性ΔＲにおける変化とを示す。
【図２４】図２４は、この実験でサンプルとして使用されたＱＤデバイスにおけるＲＦパルスの多重反射によって引き起こされたＱＤデバイスの反射性における測定された変化を示す。
【図２５】図２５は、図２３及び図２４で示された時間領域データのフーリエ変換の結果としてのスペクトル応答を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、実施例により本発明を説明する。実施例は、特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲に制限を課すと解されるものではない。
【００５４】
図１（ａ）は、本発明に用いられる半導体構造１１０の概略図を示す。半導体構造１１０は、半導体ナノ構造部１１２ａ及び１１２ｂを含む半導体ナノ構造領域１１２を有する材料領域１３１及び１３２を備える。図１（ａ）に示す半導体構造は、当該構造を伝搬する光入力信号と、吸収を生じさせるナノ構造領域との間に相互作用を及ぼす。構造１１０は、光入力信号を当該構造に結合させるための第１の光入力インターフェイス１２１と、光入力信号のうち吸収されなかった部分を当該構造の外部に結合させるための光出力インターフェイス１２２とを有する。当該構造は、ここでは平面状の部材として示されている、無線周波数信号を受信してナノ構造領域１１２にＲＦ信号を低損失で結合させやすくするための受信部１１４をも有する。受信部１１４は、半導体構造の残りの部分とともに、少なくとも１つの波長において無線周波数信号を効率的に受信するように設計されており、受信した信号をナノ構造領域に結合してＲＦ信号によって生じる電界をナノ構造領域１１２又は少なくともその一部に供給する。第１の光入力インターフェイス１２１及び第２の光出力インターフェイス１２２は、同一の部材であってよく、後述の原理証明実験で用いられるように、光信号が当該インターフェイスを通って構造１１０に入ると、構造１１０内で反射して、同じインターフェイスを通って出ていく。
【００５５】
図１（ａ）の部材は、１１２ａ及び１１２ｂのようなナノ構造部を表出させることを目的の一部として、透明に示されている。図１（ｂ）は図１（ａ）に示した構造を側面から描いた図である。
【００５６】
受信部１１４は分離された部材である必要はない。半導体構造自身が受信部として機能してもよい。プリズム又は他の適切な光学部材が受信部として用いられてもよい。半導体構造の表面にコーティングが施されてもよい。これは設計事項である。
【００５７】
受信部１１４は、全ての実施形態において、入射ワイヤレスＲＦ信号に対する効率的なインピーダンス整合を提供することで、入射ワイヤレスＲＦ信号の反射損失を低減又は除去する役割を有する。以下に、半導体構造１１０の表面に特殊なコーティングを用いた受信部１１４の好ましい実施形態を示す。
・クレール等の著作「高性能ＴＨｚ電子的光学的検出器」エレクトロンレター、第４０巻、７６３−７６４ページ（２００４年）にあるような、特殊な金属性反射防止コーティング
・フェケテ等の著作「高抵抗半導体のＴＨｚ反射性のアクティブ光制御」光学レター、第３０巻、１９９２−１９９４ページ（２００５年）にあるような、ドーピングによる供給又は光励起による自由キャリアが最適に集中している半導体層
・トゥチノーヴィチ等の著作「ＴＨｚ範囲でのフレキシブルなオールプラスティックミラー」材料科学とプロセス、第７４巻、２９１−２９３ページ（２００２年）及び米国特許第６９５４３０９号公報（Ｂ２）における高反射性を示すものと同様であるが、反射防止コーティングにより実現しているインターフェイスをベースにした誘電コーティング層又は複合層構造。
【００５８】
場合によっては、光入力信号と同じ方向又は実質的に同じ方向に、無線周波数信号を半導体構造に結合することが望ましいかもしれない。そのような実施形態においては、第１の光インターフェイスが、受信部１１４として機能するべく適合されてもよい。受信部として、例えば第１光インターフェイスに形成された、半導体構造上の適切なコーティング又は構造が用いられてもよい。
【００５９】
ＲＦ信号と光信号とを同じ方向に入力する利点は、ＲＦと光信号が、図２Ｂに示した半導体ナノ構造を含む構造を伝搬する間に相互作用を及ぼす長さを大きくすることができることである。この場合、受信部１１４は最適化された導波路又はその一部となり得る。導波路は、光信号及びＲＦ信号の強度の十分な部分が半導体ナノ構造領域に閉じ込められるようにして、両信号が半導体ナノ構造に沿って誘導されることを確実にする。ＲＦ信号及び光信号が同一の又は十分に近い群速度で、より長い距離を伝搬されればされるほど、相互作用の効率の向上が達成される。デュアル導波構造が用いられてもよく、例えば、そこでは光信号及びＲＦ信号は、互いに重なり合い、それぞれがＲＦ信号又は光信号の伝搬に最適化された個別の導波路によって同じ方向に誘導される。そのようなデュアル導波路構造は図２Ｃに示される。ここでは、１１５ａ及び１１５ｂはＲＦ信号２０２及び光信号２０１を伝搬する導波路の境界である。
【００６０】
図２Ａは構造１１０に入る光入力信号２０１、及び、光入力信号が当該構造を伝搬した結果である光出力信号（２０３）を示す。２０２ａ又は２０２ｂのような無線周波数信号は受信部１１４によって受信され、それぞれ信号２１０ａ及び２１０ｂとして示されるように、半導体構造に結合される。それは、既に述べたように、ナノ構造領域に到達し、ナノ構造領域の少なくとも一部において光の吸収に変化を及ぼす。光入力信号２０１（本例においては誘導された信号２０５としても示されている）は、入力インターフェイス１２１から出力インターフェイス１２２へと伝搬し、ＲＦ信号２１０ａ及び２１０ｂの電界の影響がある中で当該構造への吸収の変化がもたらされる。
【００６１】
図２Ｂはナノ構造領域で信号２１０ｃとなる光入力信号２０１と同じ方向に、半導体構造へ入力されるＲＦ信号２０２ｃを示す。
【００６２】
半導体ナノ構造部に印加された入射ワイヤレスＲＦ信号の電界は、半導体ナノ構造において局部的な電界の集中を生じさせるために、少なくとも１つの金属製ナノスリットを含み、半導体ナノ構造の十分に近くに設けられた受信部１１４によって局部的に強められてもよい。この原理はセオ等の著作「スキン深度限界を超えて作用する金属製ナノスリットを用いたＴＨｚ界の強化」、ネイチャーフォトニクス、第３巻、１５２−１６５ページ（２００９年）に示されている。この場合、我々のワイヤレスＲＦ信号の電界による半導体ナノ構造の光特性を変調する方法の効率がさらに向上し、より弱い無線ＲＦ信号によって、半導体ナノ構造の光特性のより大きな変調を提供することができる。金属製ナノスリットを有する結合部１１４を用いた１つの可能な実施形態が、図２Ｄに示される。ここでは、半導体構造は図１と同じである。入射無線ＲＦ信号２０２は、少なくとも１つの金属製ナノスリットを有する受信部１１４によって局部的に強められ、ナノスリットに十分に近い位置に設けられた半導体ナノ構造１１２ａ及び１１２ｂは、より強いＲＦ信号２０２ｄにされる。
【００６３】
図３Ａは、電界が存在しない場合、すなわちＦ＝０の場合のｘ軸に沿った半導体ナノ構造の伝導帯のポテンシャルＥc(ｘ)、半導体ナノ構造の価電子帯のポテンシャルＥν(ｘ)を示す。これらのポテンシャルＥc(ｘ)及びＥν(ｘ)によって、ｘ軸に沿って、それぞれ電子及び正孔の量子閉じ込めがなされる。図３Ｂは非ゼロ電界、Ｆ≠０における対応するポテンシャルＥc(ｘ)及びＥν(ｘ)を示す。図３ａの条件下において、波動関数Ψｅ及び固有エネルギーＥｅの量子ドット伝導帯状態があり、波動関数Ψh及び固有エネルギーＥhの量子ドット価電子帯状態がある。前者は（Ｅe，Ψe）として示され、後者は（Ｅh，Ψh）として示される。対応する遷移エネルギーはＥe−Ｅhである。このエネルギーを有するフォトンは量子ドット価電子帯状態（Ｅh，Ψh）から量子ドット伝導帯状態（Ｅe，Ψe）へと電子を励起することができて、波動関数Ψe及びΨhの重なり積分の２乗に比例する確率で吸収される。
【００６４】
図３Ｂは非ゼロ電界、Ｆ≠０の状態を示す。ｘ軸に沿った伝導帯エネルギーはＥ’c(ｘ)であり、ｘ軸に沿った価電子帯エネルギーはＥ’ν(ｘ)である。量子ドット伝導帯状態は波動関数Ψ’e及び固有エネルギーＥ’eを有し、量子ドット価電子帯状態は波動関数Ψ’h及び固有エネルギーＥ’hを有する。対応する遷移エネルギーはＥ’e−Ｅ’hである。このエネルギーを有するフォトンは量子ドット価電子帯状態(Ｅ’h，Ψ’h）から量子ドット伝導帯状態(Ｅ’e，Ψ’e）へと電子を励起することができ、波動関数Ψ’e及びΨ’hの重なり積分の２乗に比例する確率で吸収される。
【００６５】
図３Ａ及び図３Ｂは概略図であり、量子ドットは１次元ポテンシャル井戸として描かれている。以前述べたように、量子ドットは材料の一部が、量子ドットのバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する材料で完全に囲まれているという特徴を有しており、ポテンシャル井戸は３次元である。必要な特徴は、ナノ構造の少なくとも１つの量子閉じ込め次元を越えて印加された電界が変化による（電子及び正孔の波動関数間のオーバーラップの変化によって生じる）電子−正孔遷移エネルギーのシフト及び／又は光遷移確率のシフトである。
【００６６】
以下では、円盤状の量子ドットについて量子閉じ込めシュタルク効果が示される。量子ドット材料は、バンドギャップエネルギーが０．７４ｅＶのＩｎ0.54Ｇａ0.46Ａｓであり、障壁材料は、バンドギャップエネルギーが１．４２ｅＶのＧａＡｓである。量子ドットは円筒形であり、半径７．５ｎｍ及び高さ５ｎｍを有する。量子ドット内の電子及び正孔の実効質量は、それぞれ０．０４５ｍ0から０．３８ｍ0だと推定され、ここでｍ0は電子の残りの質量である。障壁材料の実効質量は、電子に対しては０．０６７ｍ0であり、正孔に対しては０．５１ｍ0であると推定される。量子ドット材料及び障壁材料の間の、伝導帯オフセットと価電子帯オフセットとの間の比は、６０：４０であると推定される。
【００６７】
図４は、そのような量子ドットの概略図を示す。円筒は量子ドット材料を示し、その外周は障壁材料を示す。印加された電界は量子ドット平面上、すなわち方向ｄに垂直に存在すると推定される。以下では、直交するｘ座標及びｙ座標にこの平面を割り当てる。図４において電界Ｆと示されるように、電界はｘ軸に沿って印加される。
【００６８】
電界がない場合と電界が存在する場合とにおける量子ドット内の電子及び正孔の基底状態の波動関数及び固有エネルギーは、シュレーディンガー方程式を解くことで求められる。シュレーディンガー方程式を解く方法はシュン・リエン・シュアンの「オプトエレクトロニクス・デバイスの物理」ジョン・ウィリー＆サン株式会社、９４−９５ページ（１９９５年）に記載されている。電子及び正孔の波動関数が障壁にまで貫通することが、以下の近似によって考慮に入れられている。電子と正孔とで異なる量子ドットの実効半径が導入され、無限のポテンシャル障壁を持っているが、より大きな実効寸法を有する量子ドットに対してシュレーディンガー方程式が解かれる。このように計算するアプローチのために特別な選択をすることは、本発明の範囲において必須ではない。計算は単に基礎になっている原理をわかりやすく説明するために用いられたに過ぎない。
【００６９】
図５は、ｚ座標方向に電界が存在しない場合の、ｚ座標に沿った電子及び正孔の基底状態の波動関数の大きさ（単位は任意）を示す。現状の近似と配置のもとでは、これらの大きさはｘ−ｙ座標平面、すなわちｚ方向に垂直な平面における電界とは独立しており、量子ドットのバンドオフセット、電子及び正孔に対する実効質量、及び高さｄによってのみ定められる。
【００７０】
図６Ａ及び図６Ｂは、ｘ軸方向に電界が印加されていない場合において算出されたｘ−ｙ平面における電子及びホールの波動関数の大きさ（単位は任意）を表す。図７Ａ及び図７Ｂは、図４に示されるようにｘ軸に沿って１００ｋＶ／ｃｍの強度の電界（バイアス電界Ｆbias）が存在する場合において算出された電子及び正孔の波動関数の大きさ（単位は任意）を表す。電界が印加されると、電子及び正孔の波動関数の変位が観測される（電界がゼロの場合の図６Ａ及び図６Ｂと比較のこと）。
【００７１】
電子及び正孔の波動関数の重なり積分は
である。これは電界が印加されると、電子及び正孔の波動関数の変位によって減少する。ゼロ電界及び非ゼロ電界における波動関数は、それぞれ２つの場合について重なり積分を計算するために上記の等式に挿入される。
【００７２】
吸収及び再結合速度が強く依存する光遷移強度は、重なり積分Ｍの２乗Ｍ2に比例する。図８は、上記の量子ドットに印加された電界にＭ及びＭ2が依存することを示している。電界は、上記の構成において印加される。明らかにわかるように、Ｍ及びＭ2は印加電界の増加に伴って減少する。
【００７３】
図９は、重なり積分の２乗Ｍ2を電界について微分したｄ(Ｍ2)/ｄＦbiasを示す。この微分はＭ2に比例する光遷移強度の変化を表し、印加電界の関数として印加電界の変化によって導出される。図９に見られるように、微分ｄ(Ｍ2)/ｄＦbiasは印加電界の値が２４ｋＶ／ｃｍである場合に最小値を有する。量子ドットがこのレベル（「プレバイアスされた」レベル）にあるならば、（プレバイアスされた電界とともに偏向された）電界を持つさらなる小さな外部ＲＦ信号を付加することにより、光遷移強度の可能な範囲で最強の変調がなされる。そのようなプレバイアスは、エネルギーＥe−Ｅh及びＥ’e−Ｅ’hに対応する周波数付近の周波数を有する光信号に対してＲＦ信号が引き起こす変調を最適化することを手助けする。プレバイアスは、静的であってもよく時間によって変化してもよい。
【００７４】
もう１つＱＣＳＥを明白に示すのは、電界が印加されることによる変化（通常は減少）である。電界がない場合における光遷移エネルギーに対する印加電界に伴う光遷移エネルギーのこのシフトは、シュタルクシフトと称される。図１０Ａは、シュタルクシフトの印加電界への依存性を示す。図１０Ｂは、印加された電界の関数として、印加された電界についてのシュタルクシフトの微分を示す。これらの計算は上記の量子ドットシステムに対して行われた。シュタルクシフトは印加電界に対して単調増加する。印加電界におけるシュタルクシフトの微分もまた、印加電界の関数として単調増加する。これは、量子ドットシステムが、既に、ＲＦ信号と同じに偏向されている強電界でプレバイアスされているならば、量子ドットシステムのシュタルクシフトのより強い変化が得られる（少なくとも弱いＲＦ信号に対して）ことを意味している。
【００７５】
図１１は量子ドットシステムへのＱＣＳＥの影響を示す。簡単にするために、この例において存在する唯一の２つの状態である価電子帯グランド状態及び伝導帯グランド状態の間での遷移という１つの電子遷移のみが存在すると仮定されている。量子ドットシステムにおいて実際に常に存在する、量子ドットシステムの内の均質及び不均質な広がりによって、半導体構造の光吸収スペクトラムが広がる。これは、ＲＦ信号及び／又は光入力信号がスペクトラム的に広いときの変調にとって有利な点である。光吸収スペクトラムの広がりは、例えば近くに存在する電子的遷移、温度、光励起強度、ナノ構造領域内の量子ドットの大きさのばらつき等が原因となり得る。
【００７６】
一般に、量子ドットシステムにおける光遷移強度を変調するＲＦ信号２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、図２Ａ及び図２Ｂにおいて（２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃとして）示される、自由空間を伝搬してきて入射するＲＦ変調信号として印加されうる。発明の主な応用例は、半導体ナノ構造と受信部１１４とを有する構造に自由空間から入射されるＲＦワイヤレス信号の直接的な符号化である。しかし、ＲＦ信号は、並列な板状の導波路、ストリップライン、ファイバー等のような何らかの種類のＲＦ導波路から印加された、時間によって変化する電界として上記の構造に供給されてもよい。これらのいずれかで誘導されるＲＦ信号は、ＲＦ信号の電磁波が内部反射又は同様のメカニズムによって導波路で誘導されるだけなので、本発明の意味においてはワイヤレスであると考えられる。先行技術文献において用いられているような電気信号は、電荷の移動によって伝搬し、導電材料内での伝搬に制限されている。したがって、これらはワイヤレスではなく、ハードワイヤード信号と称される。他方、電磁気信号は電荷の移動によって放出されるが、ワイヤーに閉じ込められることなく、どのような誘電性媒体内であっても伝搬する。つまり、無線ＲＦ信号は変動している電界又は変動している磁界を含む電磁気信号でなければならない。電磁気信号は、電圧又は電気的に伝導性がある材料を伝搬する電流信号が内在している（ＲＣ定数のような）制限の影響を受けない。しかし、電気的に伝導性がある材料は、より良い電力伝送を実現するために、電磁波の誘導に用いられてもよい。
【００７７】
光半導体構造のような構造にワイヤレス信号を印加する方法と有線（ハードワイヤード）信号を印加する方法との間には基本的な違いもある。欧州特許１４１６３１６号公報及び英国特許２８３６９６５号公報等に示されているように、有線（ハードワイヤード）信号の印加は半導体構造を挟む２つの電極を必要とし、設計と半導体構造の材料選択における制約があることを示唆する。
【００７８】
無線信号の印加は、受信部１１４によって半導体構造１１０に信号が、なるべく低損失で入射されることを必要とする。既に受信部１１４のいくつかの実施形態を記載しており、それらの中には、半導体構造１１０におけるワイヤレスＲＦを受信する側に設けられた金属製の反射防止コーティングを含む。
【００７９】
さらなる実施形態においては、半導体ナノ構造領域における受信部１１４の反対側に位置する導電性材料からなる反射体を含むことが好ましい。そのような反射体は、ナノ構造領域を既に横断したＲＦ放射をナノ構造領域に向けて反射することができる。表面と反射体との間の距離は非常に小さくすることができるので、ＲＦ信号と（表面と反射体との間に配置される）ＱＤとの間の相互作用は、相互作用間の十分な時間遅延につながることはなく、効果的に「一点相互作用」に類似している。そのような反射体は、ＲＦ信号がナノ構造領域に入力結合する効果の増大をもたらす。
【００８０】
したがって、受信部１１４に含まれるどの金属層も、好ましくは低損失で無線変調ＲＦ信号を受信して半導体構造１１０に入力する機能を果たすだけであることが好ましい。同様に、受信部１１４の反対側の金属反射体は、ＲＦ放射をナノ構造領域に反射する機能を果たすだけであることが好ましい。したがって、そのようなどの導電性層も、有線変調信号を供給するための電気回路に有線（ハードワイヤ）で接続されていないことが好ましい。当業者であれば、制御できない電気的なバイアスを回避するために、そのような導電性層をグランドに接続するか、代わりに、他の箇所で記述した直流バイアス電界の印加に用いる２個又はそれ以上の電極の１つとして用いられるかが必要であるということを知っているであろう。しかしながら、そのようなグランド又はバイアス接続は、変調信号を供給するための電気回路への接続を表しているわけではない。量子ドットシステムは、上述のようにプレバイアスされてもよい。プレバイアス電界は、他の入射ＲＦ信号又はそれ以外に（例えば、電極、ＲＦ導波路などを通じて）供給される電界のようなＲＦ変調信号とちょうど同じように、静的に又は時間変化をさせて供給されることができる。これらのアプローチの組み合わせは、より複雑なプレバイアス電界が引き起こされる非線形ミキシングに用いることができる。
【００８１】
プレバイアス電界もＲＦ変調信号も、半導体ナノ構造領域において、吸収条件を変化させるので、ＲＦ変調信号の非線形ミキシング及びプレバイアス電界（静的又は時間変化するもの両方）が得られ、それに伴う光入力信号の変調を可能にする。
【００８２】
量子閉じ込めシステムに電界を印加する他の効果は、電気屈折効果であり、電界が印加されたときに発生する局部的な屈折率の変化である。この効果は、ＱＣＳＥのようにほとんど瞬間的であり、印加された電界に非常に短時間（多分、数フェムト秒）で追随する。これは、半導体構造１１０を伝搬する光入力信号の位相シフトに寄与する。このようにして、伝送される光信号は、外部から印加された電界（ＲＦ変調信号又はプレバイアス電界）によって位相変調もされ、光入力信号のさらなる変調に寄与する。
【００８３】
図１２は信号変換器の一例を示し、より具体的には、上述の原理を用いるＲＦ−光符号器１２０１の一例を示す。この符号器は、ほぼ光信号のバックグラウンドフリー変調を可能にする。この場合、（不完全な変調の場合には）入力信号の変調されていない部分がデバイスを通って伝搬することを許さない。入力ポート１２１１から入った光入力信号１２３１は、２つの部分に分割される。第１の部分は、本発明の第１の態様に係る半導体変調器１２０２を有する第１アーム１２１２を通って伝送される。第２の部分は、光移相器１２０６及び光減衰器／増幅器１２０４を有する第２アーム１２１３を通して伝送される。
【００８４】
この並びにおける位相器と変調器との相対的位置（つまり、どのデバイスが最初に位置し、どのデバイスが２番目に位置するか）は任意の設計事項であり、最適化の目的の一例に過ぎない。第１アーム及び第２アーム（１２１２、１２１３）は、デバイスの出力ポート１２１４（第１アーム及び第２アームの結合点）で一緒に結合されて、出力信号１２３２を生成する。
【００８５】
ＲＦ−光符号器１２０１はワイヤレスＲＦ変調信号が第１アームにおいて半導体変調器１２０２へ印加する前に最初に調整されるべきである。移相器１２０６は光信号の第１の部分と第２の部分との間の位相差が結合ポイント１２１４において１８０度（又は現実に可能な限りこれに近い角度）だけ異なるようにするために、光信号の第２の部分の調整可能な位相変化を提供できる。光減衰器／増幅器は、（ほぼ完璧に近い）相殺的干渉によって結合ポイント１２１４での（ほぼ完璧に近い）信号消滅を得ることを可能にするために、２つのアーム１２１２、１２１３の出力における光信号の強度をできるだけ近くに持ってくることに用いられる。この場合、第１アームでのワイヤレスＲＦ変調信号の半導体変調器１２０２への印加の前に、符号器１２０１を通じた光キャリアの全伝送がゼロ（若しくは限りなくゼロに近い状態）になる。光アイソレータ（図示していない）は、反射光１２３３が入力ポートを通じて反対の方向へ脱出するのを防ぐことができる。
【００８６】
さて、上記の説明にしたがって、ＲＦ変調信号１２２２が第１アームの半導体変調器に印加されるとき、第１アームを通じた伝送は、前述したように得られる変調によって変化する。これは、第１光信号と第２光信号（第１アーム（１２１２）及び第２アーム（１２１３）を通過する信号）の間の強度差の一因となる。第１アームの光信号と第２アームの光信号の間の光位相差は、依然として１８０度（又はもっと近い）であるが、半導体変調器による吸収のために、第１アームと第２アームの出力において信号間の不完全な相殺的干渉が起こるだろう。このようにして、入力された光信号の強度の一部は、たとえ相殺的干渉が一番高まった時であってもそのデバイスを通じて伝送される。伝送のレベルは、印加されたＲＦ変調信号に起因する半導体変調器における光信号の変調強度と関連がある。だから、ワイヤレスＲＦ変調信号は第１アームでの半導体変調器１２０２へ印加されるのみであり、第２アーム内の光移相器１２０６や減退器／増幅器１２０４にはＲＦ変調信号が印加されない。
【００８７】
光入力信号の吸収における変化は、本来屈折率の変化に関連しているため、本発明は修正されうる。この場合、半導体ナノ構造領域は光入力信号の位相を変化させ、光入力信号の強度をそれほど変化させない。ＲＦ変調信号はナノ構造領域部のバンドギャップの下方ですら、屈折率の変化をもたらす。それゆえ、この場合、第１周波数が第１価電子帯状態と第１伝導帯状態の間のエネルギー差より低く、また第２価電子帯状態と第２伝導帯状態の間のエネルギー差よりも低くなりうる。このことは、光入力信号の変調が主に位相の変調であって、圧倒的に強度の変調ではないということを意味している。たとえ電子屈折効果が支配的であったとしても、同様のアレンジメントが用いられうる。この場合、変調するＲＦ信号が存在しない場合には、出力ポート１２３２を通じた伝送は、減衰器／増幅器１２０４を用いて第１アーム１２１２及び第２アーム１２１３を通じて伝送された伝送強度の適切な等化によってゼロ又は限りなくゼロに近い状態へもたらされなければならない。そして、第１アーム１２１２及び第２アーム１２１３における信号の位相は、移相器１２０６による適切な調整によって、位相差が１８０度（又は限りなくそれに近い状態）にもたらされなければならない。この場合に、第１アーム（１２１２）及び第２アーム（１２１３）を通じて伝搬する信号には、完璧な（又は限りなくそれに近い）相殺的干渉が生じる。そして、出力ポート１２３２を通じたすべての伝送が限りなくゼロに近い状態になる。そして、変調ＲＦ信号が変調器１２１２へ印加される場合、電子屈折効果によって第１アーム１２１２を通じた光信号の位相が、ＲＦ変調信号によって供給された電界強度に応じて変位する。この場合、第１アーム１２１２及び第２アーム１２１３を通じた光信号の相殺的干渉は不完全となり、光強度が出力ポート１２３２を通じて伝搬することを可能にする。この光信号は、ＲＦ信号によって時間変調され、そして再びゼロ又はゼロに近いバックグラウンドを持つ。
【００８８】
一般に、ＱＣＳＥと電子屈折効果の組み合わせは、デバイス全体及び／又はその構成要素の最適化を用いて、出力ポート１２３２での伝送された光信号における望ましいＲＦ変調強度を得るために用いられうる。
【００８９】
減衰器/増幅器１２０４は半導体変調器と同じ材料で作られてもよい。第２アームにおける第１光信号の減衰（又は増幅）は印加された電界によって調整されてもよい。これは、公知であり、半導体電子吸収変調器又は半導体光増幅器はこの目的に適っている。移相器１２０６としては、ニオブ酸リチウム移相器、又は他の適当な移相器が用いられてもよい。当業者は、他の減衰器（増幅器）及び移相器が適していることを容易に理解するであろう。
【００９０】
導波路、移相器、そして減衰器は同じ基板の上に実現されてもよく（図１２にて、概略的に示されている）、又は他の方法で光学的に統合されてもよい。あるいは、パーツが分割され、個々のコンポーネンツは、それらの間の必要な光結合を供給する中間の導波路に組み込むことができる。当業者は、このような様々な方法を心得ているであろう。
【００９１】
図１２は、概略図のみである。干渉器アーム、半導体変調器、位相器、減衰器等は、個々に及び相互の関係を測るためのものではない。
【００９２】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、上述したように変調器の最適化を可能にする、図１２の信号変調器１２０２の半導体ナノ構造領域にプレバイアスをかける可能性について概略的に示している。プレバイアスをかけることに用いられる電極は、ワイヤレス変調ＲＦ信号を受信する受信部１１４とは関連しないことを理解することは重要だ。プレバイアスに用いられる電極は、ハードワイヤでＤＣバイアス信号を受信するように適合され、ＲＦ信号を受信するのではない。
【００９３】
図１３Ａにおいては、プレバイアス電界の、図１２からの変調器１２０２の半導体ナノ構造領域への印加のため、２つの電極１３１２及び１３１４が示されている。光信号は、図２Ａ及び２Ｂで示された半導体ナノ構造領域を通じて伝搬され、インターフェイス１２１に入り、インターフェイス１２２において出て行く。この場合、電界は変調器の半導体ナノ構造領域の全ての長さに沿って印加される。
【００９４】
図１３Ｂでは、変調器の半導体ナノ構造領域へのプレバイアス電界の印加のための一連の電極１３２２及び１３２４が示されている。この場合、プレバイアス電界は、バイアス電圧（又は異なるバイアス電圧）をいくつかの、又は全ての電極１３２２及び１３２４に印加することで、変調器の異なる部分へ局部的に印加することが可能となる。
【００９５】
図１３Ｃでは、電極１３３２の円形パターンが、変調器の半導体ナノ構造領域の周りに配置されている。円形パターンは、電極１３３２の中から適した一組の電極を選択することで、ＲＦ変調電界の方向についてプレバイアス電界偏向の最適な方向をもたらす。したがって、プレバイアス電界の偏向をＲＦ変調電界の偏向に一致させることができるだろう。
【００９６】
図１４〜１８は本発明の数値計算について示している。図１４は（０．３３Ｔｂｉｔ／秒の伝送速度で送られたデータに対応した）単一のＲＦパルス及びパルス列を表すＲＦ信号を示している。最大の電界強度は、１０Ｖ／ｃｍである。
【００９７】
図１５は、図１２で示されたデバイスを用いて、それぞれ１３００ｎｍの中心波長（およそ２３３ＴＨｚの光周波数に対応）の光キャリアに図１４の上部と下部に描かれたシングルＲＦパルス及ＲＦパルス列を符号化したことで得られる出力信号を示している。バックグラウンドフリー信号はこのデバイスによって生み出される。量子ドットパラメータは、上述したものと同一である。ＲＦ電界は、２４ｋＶ／ｃｍのプレバイアスＤＣ電界（詳細については図２Ｂとその説明を参照）と同じに偏向している。
【００９８】
図１６の下部は、図１５で示された計算に用いられた光キャリアの一部を示す。図１６の上部は、図１５の上部（単一パルス）の符号化された光信号の対応する一部を示す。
【００９９】
図１７は、図１６の下部で示された光キャリアと、図１５で示された光出力信号のパワースペクトル（単位は任意）を示す。
【０１００】
図１８の実線は、図１４で示された単一ＲＦパルスに対応した振幅スペクトルを示す。そして、図１８の破線は、図１４で示されたパルス列に対応した振幅スペクトルを示す。これらのＲＦ振幅スペクトルのスペクトル特性は、明らかに図１７でのバックグラウンドフリーの光出力信号のパワースペクトルに反映されている。
以下では、原理証明実験の説明と結果について述べる。
【０１０１】
この実験では、ＲＦ放射（ＲＦ信号）の単一サイクルに近いパルスが、光−ＲＦ変換段階においてパルス状レーザーによって供給される、中心波長８００ｎｍの８０−ｆｓ長のレーザーパルスの変換によって、０．１−３ＴＨｚの範囲をカバーする周波数スペクトルで生成された。ＲＦ信号の持続期間は３ｐｓより短かった。パルス状レーザーは１ｋＨｚの繰り返し率で動作した。レーザー出力の一部は、光学的パラメトリック増幅器を使用して概ね１０４０ｎｍの中心波長（光信号）に周波数変換された。光信号の持続期間は、１００ｆｓより短かった。ＲＦ信号は、半導体構造１１０を示すサンプルの上へ垂直入射で入射された。光信号は、小さい角度でサンプルへと入射され、サンプルに入射されて反射された光信号のパワーは、ＲＦと光信号との間の遅延時間の関数として測定された。ＲＦと光信号との間の制御された遅延時間は、可変光ディレイラインを用いて導入された。サンプルの上に入射して反射した光信号のパワーの絶対値は、２つの光検出器、すなわち、サンプルへ向かう途中の光信号伝送損失を考慮に入れた、基準光検出器とサンプル光検出器とを用いて測定された。実験の装置の概略が図１９で示される。実験は室温で行われ、ＲＦ信号はその環境を通じて伝搬した。例えば、サンプルは入射ワイヤレス周波数信号によって供給された電界以外のほかの電界以外は受けないといったように、プレバイアスはサンプルに印加されていなかった。また、例えば、受信部がサンプルの表面そのものであるといった、入射ＲＦ信号にとって特別な受信部は用いられなかった。
【０１０２】
この実験でのサンプルは、図２０に示されたＱＤ（量子ドット）構造であった。サンプルのすべての半導体部分はドープされていない。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットのいくつかの層から構成されるサンプルは、誘電体反射鏡の上部に位置させた。誘電体反射鏡は、バルクＧａＡｓウェハの上部に成長させた。そして、そのウェハは、ＲＦ信号の反射材として役割を果たす研磨金属のバルク片に取り付けられた。誘電体反射鏡は、そのように成長し、ほぼ１００％の効率で、概ね１０４０ｎｍの中心波長で光信号を反射する。翻って、量子ドットは、光信号がサンプル表面から誘導体反射鏡に向かって、及びその逆で誘導体反射鏡からサンプルの表面に向かって伝搬する間に、光信号の一部を吸収する。サンプルの表面は光信号が反射しないようコーティングされており、そのためサンプル表面では反射損失がなかった。サンプル表面と誘導体反射鏡の間の構造の部分、例えば量子ドットを含む部分の厚みは光信号の波長と同程度であった。したがって、誘導体反射鏡に向けて、及び、誘導体反射鏡からの往復における量子ドットでの光信号の相互作用は、１点での相互作用として考えられうる。つまり、サンプルにおける光信号の伝搬時間は無視できるほど小さい。
【０１０３】
自由空間からサンプルに入射するＲＦ信号は、サンプルの表面で反射損失を生じて、量子ドット領域を通じて伝搬し、誘導体反射鏡を通じて伝搬し（ＲＦ周波数とは共鳴しない）、厚いＧａＡｓウェハを通じて伝搬し、最終的にはサンプルの終端で金属反射器に反射し、そしてそこに及んだ後に、再び量子ドット領域を通じて伝搬し、そしてサンプル表面でサンプルへ部分的に反射して戻る。サンプル表面の反射係数が１よりも少ないので、この反射が起きると、その構造に再び入るＲＦ信号の電界は、小さくなる。ＲＦ信号はまた、その構造を通じて伝搬するときに分散したり、散乱したり、減衰したりしうる。同様に、デバイスの表面が光パルスの波長のために反射コーティングされていないので、光パルスがデバイスへ入り、ＱＤ領域を通過して、誘導体反射鏡に反射し（ＲＦ信号に影響はしない）、ＱＤ領域を通過して、そしてデバイスを離れる。ＱＤ領域と誘導体反射鏡の間の距離は、光信号波長と同程度であり、その結果、構造を出入りする道中のＱＤでの光パルス相互作用（１点の相互作用）に対しては無視できるほど小さな遅延時間しか生じない。図２１は、光信号の周波数における、ＱＤでの吸収の変化に結びつくＲＦ信号とＱＤとの間の相互作用のタイミングを示している。
【０１０４】
図２２においては、ＱＤサンプルの小信号反射スペクトル及び光信号の強度スペクトルが示されている。１０４０ｎｍの波長付近における反射でのくぼみは、ＱＤにおける光吸収によるものである。我々の実験において、１０４０ｎｍの波長付近でのＱＤサンプルの反射性は、ＱＤがＲＦ信号の電界の影響下にあるときに増加することを示す。言い換えると、ＱＤ吸収は、ＲＦ信号での電界とＱＤの相互作用の結果として減少する。
【０１０５】
我々の原理証明実験の第１の結果は、図２３に示されている。持続期間が概ね２．８ｐｓの単一サイクルに近いＲＦパルスの電界の一時的な依存状態が図２３（ａ）に示されている。１０４０ｎｍの波長付近の光信号に生じる、ＱＤの最大吸収波長付近におけるＱＤデバイスの反射性の変調ΔＲが、時間の関数として図２３（ｂ）に示されている。ここで強調したいのは、ＲＦ信号が存在する状態における光反射性の変化は正であるということだ。つまり、ＱＤでの光吸収は、電界が印加されない時の状況と比べて減少している。図２３（ａ）からのＲＦ信号の電界の絶対値もまたこのグラフに示されている。ＱＤサンプルの光反射の時間的な動特性は、明確に入射ＲＦ信号の電界の絶対値の主な特性を再生しており、反射変調信号は入射ＲＦ信号とほぼ同じ持続期間を持つ。上記で、我々は初期の電気的プレバイアスがない場合（つまり入射ＲＦ信号の電界を除くほかの電界がＱＤに印加されない場合）のＱＤサンプルにおける光吸収の変調は、光吸収の減少をもたらし、そしてその光吸収はＲＦ信号における電界強度の極性によってではなく、その絶対値にのみ依存することの概要を説明した。そのため、ＲＦ信号の電界の一時的な依存状態における図２３（ａ）と異なる極性の特性は、図２３（ｂ）で示される、サンプルの反射性における正の変化（つまりＱＤ光吸収の減少）をもたらす。我々はここで、高周波ＲＦ無線信号の光信号への符号化の瞬間的な特性を、ＱＤサンプルの光学的特性における対応する変調を導き出すことで示した。効果は、予見されたように、ＲＦ信号の電界とコヒーレントであり、ＲＦ信号の時間的なダイナミックスにおけるサブｐｓという長さの特徴は、ＱＤにおける光信号吸収の変調に関連した信号によって再生されうる。この実験において、我々が示したＲＦ−光符号化効果は、ＲＦ信号及び光信号の電界の相互の方向とは実質的には無関係であり、サンプルの結晶軸に関連した光信号の偏向の相互の方向において、ＱＤの光吸収の小さな異方性を反映して、とても弱い依存性を持つことを確認した。
【０１０６】
図２４においては、図２３で表示したものと同じ測定を示しているが、より長いタイムスケールが採用されており、サンプルのＱＤ領域は、図２０と図２１で示されるような構造でのＲＦ信号の多重反射の結果として、ＱＤデバイスの中で概ね１１．３ｐｓの時間の間隔のＲＦパルスの多重反射を受けている。我々は、図２１の略図のような相互作用タイミングに従った、ＲＦ信号がデバイスのＱＤ領域を通過するたびに生じるＱＤサンプルの光反射における明らかな変調に気づく。１１．３ｐｓの時間間隔が置かれた、個々の反射性変調パルスは、ＲＦ信号がその構造の中で受けた分散、散乱、減衰の結果として、わずかに形が変わるという特徴を有する。しかしながら、反射性変調信号のおおよその持続期間は常に２．８ｐｓのオーダーである。図２４で示された結果は、それぞれのデータビットが単一のＲＦ信号パルスで表される（シーケンスにＲＦパルスが存在する時は「１」、シーケンスにＲＦパルスが存在しない時は「０」）シリアルデジタルデータストリームの符号化は、「１１１１」のシーケンスが伝送されたと仮定すると、１１．３ｐｓのデータパルスの間の時間間隔に対応して、少なくとも８９Ｇｂｉｔ／秒のビットレートで可能であるという証拠をもたらす。１１．３ｐｓのパルス間隔の、２．８ｐｓの個々の反射性変調パルスのおおよその持続時間に対する比率は、１１．３÷２．８＝４．０３となり、このことは、ＲＦデータシーケンスにおけるデータビットを表す光反射性信号間のクロストークがない状態において、実証したビットレートの８９Ｇｂｉｔ／秒の４倍の速さ、つまり３５６Ｇｂｉｔ／秒＝０．３５６Ｔｂｉｔ／秒でのデータの光信号への符号化の可能性を示唆する。
【０１０７】
最後に、図２５において、我々は図２３（ａ）からの個別のＲＦ電界信号、図２３（ｂ）からの単一ＲＦ信号によるＱＤサンプルの光反射性の変調、及び、同じ変調だが図２４からのＲＦ信号シーケンスによって引き起こされた光反射性の変調の周波数スペクトル（時間領域信号のフーリエ変換の結果）を示す。我々の実験で用いられた個々のＲＦパルスの周波数スペクトルは、上で述べた符号化方法を使用した情報の光信号への符号化に対して、概ね３ＴＨｚのバンド幅が用いられうることを示唆している。一連のＲＦパルスによって生成された反射性変調スペクトルにおいて、この実験で示された８９Ｇｂｉｔ／秒のビットレートの可能性に対応する概ね９０ＧＨｚの間隔で、複数の頂点が明確に確認できる。単一ＲＦパルス及びＲＦパルスのシーケンスによって引き起こされた反射性変調の周波数スペクトルは、図１８で示された振幅スペクトルのＲＦ信号によって生み出された、図１７で示された光信号の周波数スペクトルにおけるモデル化されたサイドバンドに相当する。
【０１０８】
本発明の好ましい実施形態による変調器又はＲＦ−光符号化デバイスは、ＴＨｚレンジまでの範囲の高周波放射のための超高速コヒーレント検出器として用いられうる。このデバイスは室温で動作し、そのデバイスを伝送する又は反射した（又はデバイスをプローブする）入射ＴＨｚ信号の光信号への瞬間的な符号化を可能にする。そして、この光信号は、従来通りに分析され又は扱われ、検出されたＴＨｚ信号の情報／特性を運ぶ。
【０１０９】
自由空間電気光学サンプリング（ＦＥＯＳ）や光伝導性サンプリング（ＰＣＳ）といった他のコヒーレント検出方法と比べて、光学的信号及びＴＨｚ信号の偏向の相互の方向、及び、半導体の結晶軸とは実質的には無関係であるという利点をもたらす。それゆえに、本発明に係るデバイスは、実質的に偏向に関係がない。
【０１１０】
本発明は、多くの異なるアプリケーションのために有利に適用されうる。そしてそれぞれのアプリケーションにおいて適用できる的確な設定は、当業者の能力の範囲内である。想定されるいくつかのアプリケーションを以下に示す。
（１）Ｔｂｉｔ／秒及びサブＴｂｉｔ／秒の自由空間ＲＦシリアル通信
サブＴｂｉｔ／秒又は数Ｔｂｉｔ／秒のビットレートのデジタルデータストリームは、一連のＲＦ信号として伝送され、そしてシーケンスにおけるそれぞれの信号は単一のデータビットを示す。本発明は、ワイヤレス信号によるデジタルデータシリアルストリームキャリアを光信号へ検出／コヒーレント符号化することを可能にする。そしてそれは、公知の方法で扱われ、そのためデータはこの光信号から読み出される。
（２）高周波数光通信
一般に、ＴＨｚの範囲までの高周波ワイヤレスＲＦ信号は直接光信号へ符号化されてよく、それらはファイバーでの有線ネットワークにおいて伝送される。通信プロトコルはアナログであってもデジタルであってもよい。このように、中間での信号変換が必要ない。
（３）ＴＨｚ分光法及び検出
ＴＨｚ分光情報は、ＴＨｚスペクトルに簡単に変換して分析できる「サイドバンド」の形の光「プローブ」信号に符号化される。
（４）軍事的利用
秘密通信やＴＨｚソースの検出等。
（５）ＴＨｚ放射の汎用室温検出器
本発明に基づいて、汎用ＴＨｚ検出器は簡単に製造されうる。そして、内部構成のクリティカルな配置を必要としない。
（６）ＴＨｚ信号移相検出器
プレバイアスの印加によって、入力されるＴＨｚ信号の絶対値だけではなく、位相をも検出することができる（が、そのときは偏向依存となる）。ここで、デバイスは、入力されるＴＨｚ信号の偏向を測定することにも用いられうる。図１３Ｃに関して記述された実施形態の説明を参照のこと。
（７）ＴＨｚソースへの光ソースの同期
提案された方法は、例えばモードロックされたレーザー（固体レーザー、ガスレーザー、ファイバーレーザー等）の半導体可飽和吸収体における、例えば自由電子レーザー（ＦＥＬ）やシンクロトロン（マスターソース）といったＴＨｚソースからのＴＨｚ入力による損失の瞬間的な変調に用いられてもよい。
【０１１１】
このように、効果はモードロックされたレーザーの「モード引抜き」によるモードロックレーザーのＦＥＬ又はシンクトロンへの同期（スレーブ化）に用いられる。それゆえ、ＦＥＬ又はシンクトロンからのＴＨｚパルスは、ＴＨｚマスターソースの与えられた繰り返し率によって、時間同期される。そして、スレーブのモードロックレーザーは十分に同一に近くなる。このような時間同期は、ＦＥＬとシンクロトロンの多くの科学的な実験にとって重要である。
【０１１２】
望ましい実施形態において、本発明は、これらのアプリケーションの一つ以上に適合された信号変調器を提供すると同様に、これらのアプリケーションの一つ以上の目的の発明に係る信号変調器の使用を提供する。
【０１１３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１１４】
１１０・・・半導体構造、１１２・・・半導体ナノ構造部、１１４・・・無線周波数受信部、１２０・・・導波路構造、１２１・・・第１光入力インターフェイス、１２２・・・第２光入力インターフェイス、２０１・・・光信号、２０２・・・ＲＦ信号、２０３・・・光出力信号、２０５・・・光信号、２１０・・・ＲＦ信号、１２０１・・・光符号器、１２０２・・・変調器、１２０４・・・増幅器、１２０６・・・光移相器、１２１１・・・入力ポート、１２１２・・・第１アーム、１２１３・・・第２アーム、１２１４・・・結合ポイント、１２２２・・・ＲＦ変調信号、１２３１・・・光入力信号、１２３２・・・出力ポート、１２３３・・・反射光、１３１２・・・電極、１３２２・・・電極、１３３２・・・電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数を有する光入力信号（２０１）を変調する方法であって、
（ａ）半導体ナノ構造領域であって、前記半導体ナノ構造領域へと結合される前記光入力信号の一部を吸収できる複数の半導体ナノ構造部（１１２ａ，１１２ｂ）を有する前記半導体ナノ構造領域と、
（ｂ）第１光インターフェイス（１２１）と、
（ｃ）変調光出力信号（２０３）の形で、前記光入力信号の吸収されなかった部分が前記半導体ナノ構造領域から外に結合される第２光インターフェイス（１２２）と、
（ｄ）第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号（２０２）を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部（１１４）と
を有する半導体構造（１１０）における半導体ナノ構造領域（１１２）に、前記第１光インターフェイス（１２１）を通して前記光入力信号を結合する手段と、
前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記無線周波数受信部へと供給し、かつ、一時的に前記光入力信号とオーバーラップして前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域に結合させて、前記半導体ナノ構造領域を越えて時間依存電界（２１０）を供給し、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって前記光入力信号の前記第１周波数における前記半導体ナノ構造領域における吸収を変化させる手段と、
前記光入力信号の吸収されなかった部分を、前記第２光インターフェイスを通して結合して前記変調光出力信号を供給する手段と
を備える方法。
【請求項２】
前記半導体構造１１０はハードワイヤードＲＦ変調信号を受信するために接続された電極を含まない請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記無線周波数受信部によって促進される低損失結合は、前記無線周波数受信部における反射防止コーティング又はインピーダンス整合層を設けることによって得られる請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記変調無線周波数信号は、無線周波数分光プロセス、無線周波数センシングプロセス、又は、無線周波数イメージングプロセスからの出力である請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２周波数は５ＧＨｚから５０ＴＨｚの範囲である請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２周波数は５ＧＨｚから２０ＴＨｚの範囲である請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記光入力信号及び前記無線周波数変調信号は、前記半導体構造の中を共に伝搬する請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体構造における前記光入力信号の群速度は、前記無線周波数変調信号の群速度と同一又は実質的に同一である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
第１周波数を有する光出力信号（２０３）を、光入力信号（２０１）と第２周波数を有するワイヤレス無線周波数変調信号（２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ）とに基づいて供給する信号変調器であって、
前記光入力信号の一部を吸収する複数の半導体ナノ構造部（１１２ａ，１１２ｂ）を有する半導体ナノ構造領域（１１２）と、
前記光入力信号を前記半導体ナノ構造領域へと結合する第１光インターフェイス（１２１）と、
前記光入力信号の吸収されなかった部分を前記半導体ナノ構造領域から外に結合させて前記光出力信号を生成する第２光インターフェイス（１２２）と、
前記第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号（２０２）を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部（１１４）と
を有する半導体構造１１０を備える信号変調器。
【請求項１０】
前記低損失結合は、前記半導体ナノ構造領域と前記無線周波数受信部との間に一の低ドーピングレベル又は複数の低ドーピングレベルを有する層のみを設けることで得られる請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１１】
前記低損失結合は、前記無線周波数受信部（１１４）に反射防止コーティング又はインピーダンス整合層を設けることによって得られる請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１２】
前記信号変調器の前記無線周波数受信部（１１４）に、前記第２周波数の前記ワイヤレス無線周波数変調信号を供給する無線周波数エミッタをさらに備える請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１３】
前記無線周波数エミッタは、光伝導スイッチ（オーストンスイッチ）、光励起非線形水晶、ガスレーザー、自由電子レーザー、光ミキサー又は無線周波数ミキサー、ガンダイオード、ショットキーダイオード、及び、量子カスケードレーザーの１つである請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１４】
光入力信号（１２３１）をワイヤレス無線周波数変調信号（１２２２）で符号化する干渉計光符号器（１２０１）であって、
請求項９に記載の信号変調器を有する第１の干渉計アーム（１２１２）と、
内部で光信号の大きさを調整することができる光減衰器又は光増幅器（１２０４）に結合されている光移相器（１２０６）であって、内部で光信号の位相を調整することができる光移相器（１２０６）を有する第２の干渉計アーム（１２１３）と、
前記入力信号１２３１を第１信号部及び第２信号部に分割して、それぞれを前記第１アーム（１２１２）及び第２アーム（１２１３）に入力させる入力ポート及びスプリッター（１２１１）と、
前記第１アームからの出力と前記第２アームからの出力と結合させる光出力ポート（１２１４）と
を備える干渉計光符号器。
【請求項１】
第１周波数を有する光入力信号（２０１）を変調する方法であって、
（ａ）半導体ナノ構造領域であって、前記半導体ナノ構造領域へと結合される前記光入力信号の一部を吸収できる複数の半導体ナノ構造部（１１２ａ，１１２ｂ）を有する前記半導体ナノ構造領域と、
（ｂ）第１光インターフェイス（１２１）と、
（ｃ）変調光出力信号（２０３）の形で、前記光入力信号の吸収されなかった部分が前記半導体ナノ構造領域から外に結合される第２光インターフェイス（１２２）と、
（ｄ）第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号（２０２）を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部（１１４）と
を有する半導体構造（１１０）における半導体ナノ構造領域（１１２）に、前記第１光インターフェイス（１２１）を通して前記光入力信号を結合する手段と、
前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記無線周波数受信部へと供給し、かつ、一時的に前記光入力信号とオーバーラップして前記ワイヤレス変調無線周波数信号を前記半導体ナノ構造領域に結合させて、前記半導体ナノ構造領域を越えて時間依存電界（２１０）を供給し、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）によって前記光入力信号の前記第１周波数における前記半導体ナノ構造領域における吸収を変化させる手段と、
前記光入力信号の吸収されなかった部分を、前記第２光インターフェイスを通して結合して前記変調光出力信号を供給する手段と
を備える方法。
【請求項２】
前記半導体構造１１０はハードワイヤードＲＦ変調信号を受信するために接続された電極を含まない請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記無線周波数受信部によって促進される低損失結合は、前記無線周波数受信部における反射防止コーティング又はインピーダンス整合層を設けることによって得られる請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記変調無線周波数信号は、無線周波数分光プロセス、無線周波数センシングプロセス、又は、無線周波数イメージングプロセスからの出力である請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２周波数は５ＧＨｚから５０ＴＨｚの範囲である請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２周波数は５ＧＨｚから２０ＴＨｚの範囲である請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記光入力信号及び前記無線周波数変調信号は、前記半導体構造の中を共に伝搬する請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体構造における前記光入力信号の群速度は、前記無線周波数変調信号の群速度と同一又は実質的に同一である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
第１周波数を有する光出力信号（２０３）を、光入力信号（２０１）と第２周波数を有するワイヤレス無線周波数変調信号（２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ）とに基づいて供給する信号変調器であって、
前記光入力信号の一部を吸収する複数の半導体ナノ構造部（１１２ａ，１１２ｂ）を有する半導体ナノ構造領域（１１２）と、
前記光入力信号を前記半導体ナノ構造領域へと結合する第１光インターフェイス（１２１）と、
前記光入力信号の吸収されなかった部分を前記半導体ナノ構造領域から外に結合させて前記光出力信号を生成する第２光インターフェイス（１２２）と、
前記第２周波数を有するワイヤレス変調無線周波数信号（２０２）を前記半導体ナノ構造領域へと低損失で結合させやすくする無線周波数受信部（１１４）と
を有する半導体構造１１０を備える信号変調器。
【請求項１０】
前記低損失結合は、前記半導体ナノ構造領域と前記無線周波数受信部との間に一の低ドーピングレベル又は複数の低ドーピングレベルを有する層のみを設けることで得られる請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１１】
前記低損失結合は、前記無線周波数受信部（１１４）に反射防止コーティング又はインピーダンス整合層を設けることによって得られる請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１２】
前記信号変調器の前記無線周波数受信部（１１４）に、前記第２周波数の前記ワイヤレス無線周波数変調信号を供給する無線周波数エミッタをさらに備える請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１３】
前記無線周波数エミッタは、光伝導スイッチ（オーストンスイッチ）、光励起非線形水晶、ガスレーザー、自由電子レーザー、光ミキサー又は無線周波数ミキサー、ガンダイオード、ショットキーダイオード、及び、量子カスケードレーザーの１つである請求項９に記載の信号変調器。
【請求項１４】
光入力信号（１２３１）をワイヤレス無線周波数変調信号（１２２２）で符号化する干渉計光符号器（１２０１）であって、
請求項９に記載の信号変調器を有する第１の干渉計アーム（１２１２）と、
内部で光信号の大きさを調整することができる光減衰器又は光増幅器（１２０４）に結合されている光移相器（１２０６）であって、内部で光信号の位相を調整することができる光移相器（１２０６）を有する第２の干渉計アーム（１２１３）と、
前記入力信号１２３１を第１信号部及び第２信号部に分割して、それぞれを前記第１アーム（１２１２）及び第２アーム（１２１３）に入力させる入力ポート及びスプリッター（１２１１）と、
前記第１アームからの出力と前記第２アームからの出力と結合させる光出力ポート（１２１４）と
を備える干渉計光符号器。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公表番号】特表２０１３−５０２６０４（Ｐ２０１３−５０２６０４Ａ）
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２３２０３（Ｐ２０１２−５２３２０３）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２０１０／０５０２００
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１５２００
【国際公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（５０９３４９８９７）デンマークス テクニスク ユニヴェルジテイト (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２０１０／０５０２００
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１５２００
【国際公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（５０９３４９８９７）デンマークス テクニスク ユニヴェルジテイト (2)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]