屈折率とは

正解：B. 屈折率差が大きく光を強く閉じ込めるので、数 µmの小さな半径で曲げられ、素子を高密度に並べられる

光は屈折率の高い芯(コア)と低い周囲(クラッド)の境界で全反射して閉じ込められ、屈折率差が大きいほど強く閉じ込められます。シリコンと酸化膜の差は約2で、光ファイバのコアとクラッドの差(1%未満)よりけた違いに大きく、断面が約0.5 µm × 0.22 µmの細い導波路をつくれ、曲げ半径も数 µmまで小さくできます。一方、屈折率差が大きいほど側壁の凹凸で光が散乱されやすく、伝搬損失は条件によりますが代表的なストリップ導波路で1〜3 dB/cm程度(リブ導波路や低損失なプロセスではそれ以下)と、ファイバ(約0.2 dB/km)よりはるかに大きくなります。

正解：C. シリコンの結晶は反転対称性をもち、電界で屈折率が直接変わるポッケルス効果がほとんど現れないから

ニオブ酸リチウムなどの結晶では、電界に比例して屈折率が変わるポッケルス効果を使って高速な変調器をつくれますが、シリコンは結晶構造が反転対称のため、この効果がほとんどありません。そこで、電子や正孔(自由キャリア)の濃度を変えると屈折率と吸収が変わるキャリア分散効果を利用します。キャリア濃度を増やすと屈折率は小さくなり、同時に吸収も増えます。屈折率の変化はわずか(10⁻³程度以下)なので、変調器の長さを数 mm程度にして位相の変化を稼ぎます。シリコンは間接遷移型です。