特開 2024-142732 光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142732

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】光素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/11 20210101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01S5/11

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023055031

(22)【出願日】2023-03-30

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ２０２３年２月２７日に発行された２０２３年第７０回応用物理学会春季学術講演会（２０２３年３月１５日、東京都千代田区）の講演予稿集にて発表。

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】滝口 雅人

(72)【発明者】

【氏名】納富 雅也

(72)【発明者】

【氏名】角倉 久史

(72)【発明者】

【氏名】新家 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】ヘイト ピーター

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB90

5F173AF03

5F173AF20

5F173AH14

5F173AR23

5F173AR99

(57)【要約】

【課題】ナノワイヤを用いた新たな光素子を提供する。
【解決手段】この光素子は、化合物半導体から構成された主ナノワイヤ１０１と、主ナノワイヤ１０１と互いに平行な状態で、主ナノワイヤ１０１とともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤ１０２を備える反射構造１２１ａ，１２１ｂを備え、反射構造１２１ａ、１２１ｂの一端から４本目以降の３本のＳｉナノワイヤ１０２ａは、反射構造１２１ａ、１２１ｂの一端のＳｉナノワイヤ１０２より太くされている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

化合物半導体から構成された主ナノワイヤと、
前記主ナノワイヤと互いに平行な状態で、前記主ナノワイヤとともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤを備える反射構造と
を備え、
前記反射構造の一端から４本目以降の３本目の前記Ｓｉナノワイヤは、前記反射構造の一端の前記Ｓｉナノワイヤより太くされている光素子。

【請求項2】

請求項１記載の光素子において、
前記反射構造を構成する前記Ｓｉナノワイヤが等間隔で配列されている状態に比較して、前記反射構造の一端の側に近いほど大きな値で、前記反射構造の一端の方向に前記Ｓｉナノワイヤの位置が変調されている光素子。

【請求項3】

請求項１または２記載の光素子において、
前記主ナノワイヤと前記Ｓｉナノワイヤとが互いに平行な状態で１次元的に配列される状態で、前記主ナノワイヤを挟んで前記主ナノワイヤに対して対称な状態で配置された２つの前記反射構造を備え、
前記主ナノワイヤを挟む２つの前記反射構造により共振器が構成されている光素子。

【請求項4】

請求項３記載の光素子において、
前記主ナノワイヤを中心に点対称に配置された複数の前記共振器を備える光素子。

【請求項5】

請求項１または２記載の光素子において、
前記主ナノワイヤは、円柱とされている光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ナノワイヤから構成された光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体ナノワイヤ素子の研究が盛んにおこなわれている。半導体ナノワイヤとは、径が数１０ｎｍ～数μｍで長さが数μｍの非常に小さな一次元構造（柱状構造体）のナノ材料である。ナノワイヤの適用例として、トランジスタなどの電子デバイスの研究がおこなわれてきたが、ナノワイヤを構成する半導体の材料によって、様々な波長帯で発光させることができるため、レーザ素子などの光素子への適用も有望と考えられている。これらナノワイヤは、条件次第でシリコン基板上にも直接成長できるため、将来の光電融合素子への応用が期待されている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】M. Notomi et al., "Nanowire photonics toward wide wavelength range and subwavelength confinement [Invited]", Optical Materials Express, vol. 10, no. 10, pp. 2560-2596, 2020.

【非特許文献2】M. Takiguchi et al., "Thermal effect of InP/InAs nanowire lasers integrated on different optical platforms", OSA Continuum, vol. 4, no. 6, pp. 1838-1845, 2021.

【非特許文献3】M. D. Birowosuto1 et al., "Movable high-Q nanoresonators realized by semiconductor nanowires on a Si photonic crystal platform", Nature Materials, vol. 13, pp. 279-285, 2014.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば、ナノワイヤを用いたレーザは、様々な波長帯で実証されている。特に、シリコンに対してレーザ光が透明である通信波長帯のレーザ光を発振するナノワイヤレーザは、シリコン光回路に集積して動作させることができるため、将来の光電融合チップに利用できる光源として有望な候補になっている。このように、ナノワイヤは様々な光素子への応用が期待され、ナノワイヤを用いた新たな光素子の開発が望まれている。

【0005】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ナノワイヤを用いた新たな光素子の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る光素子は、化合物半導体から構成された主ナノワイヤと、主ナノワイヤと互いに平行な状態で、主ナノワイヤとともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤを備える反射構造とを備え、反射構造の一端から４本目以降の３本のＳｉナノワイヤは、反射構造の一端のＳｉナノワイヤより太くされている。

【発明の効果】

【0007】

以上説明したように、本発明によれば、化合物半導体から構成された主ナノワイヤと互いに平行な状態で、主ナノワイヤとともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤを備え、反射構造の一端から４本目以降の３本のＳｉナノワイヤを一端のＳｉナノワイヤより太くしているので、主ナノワイヤを用いた新たな光素子が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る光素子の構成を示す平面図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係る光素子の他の構成を示す平面図である。

【図3A】図３Ａは、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションで用いたモデルの構成を示す平面図である。

【図3B】図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションで用いたモデルの構成を示す断面図である。

【図4】図４は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図5】図５は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図6】図６は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果の電場分布を示す特性図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図8】図８は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図9】図９は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図10】図１０は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図11】図１１は、本発明の実施の形態に係る光素子を説明するためのシミュレーションの結果を示す特性図である。

【図12】図１２は、本発明の実施の形態に係る他の光素子の構成を示す斜視図である。

【図13】図１３は、本発明の実施の形態に係る他の光素子を特性のシミュレーション結果を示す説明図である。

【図14】図１４は、本発明の実施の形態に係る他の光素子の特性のシミュレーションの結果を示す説明図である。

【図15】図１５は、本発明の実施の形態に係る他の光素子の構成を示す平面図である。

【図16】図１６は、本発明の実施の形態に係る他の光素子の構成を示す平面図（ａ）および光素子の特性をシミュレーションした結果の電場分布を示す特性図（ｂ）である。

【図17】図１７は、本発明の実施の形態に係る他の光素子の構成を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態に係る光素子について図１を参照して説明する。この光素子は、化合物半導体から構成された主ナノワイヤ１０１と、Ｓｉナノワイヤ１０２とを備える。主ナノワイヤ１０１は、例えば、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。主ナノワイヤ１０１は、円柱形状とすることができる。

【0010】

また、この光素子は、主ナノワイヤ１０１と互いに平行な状態で、主ナノワイヤ１０１とともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤ１０２を備える反射構造１２１ａ，１２１ｂを備える。この例では、主ナノワイヤ１０１を挟んで主ナノワイヤ１０１に対して対称な状態で、１次元的に配置された２つの反射構造１２１ａ，反射構造１２１ｂを備える。反射構造１２１ａおよび反射構造１２１ｂは、１つの直線状に配置されるものとなる。また、反射構造１２１ａ，反射構造１２１ｂを構成する各々のＳｉナノワイヤ１０２，Ｓｉナノワイヤ１０２ａは、主ナノワイヤ１０１と互いに平行とされている。主ナノワイヤ１０１を挟む２つの反射構造１２１ａ，１２１ｂにより共振器が構成されている。

【0011】

また、この光素子は、反射構造１２１ａ、１２１ｂの一端から４本目以降の３本のＳｉナノワイヤ１０２ａは、反射構造１２１ａ、１２１ｂの一端のＳｉナノワイヤ１０２より太くされている。例えば、反射構造１２１ａの一端から６本目、７本目、８本目のＳｉナノワイヤ１０２ａは、一端のＳｉナノワイヤ１０２より太くすることができる。反射構造１２１ｂにおいても同様に、一端から６本目、７本目、８本目のＳｉナノワイヤ１０２ａを、他のＳｉナノワイヤ１０２より太くすることができる。これは、言い換えると、中央の主ナノワイヤ１０１から、７本目、８本目、および９本目のＳｉナノワイヤ１０２ａが、他のＳｉナノワイヤ１０２より太くされていることになる。

【0012】

さらに、反射構造１２１ａ，１２１ｂを構成するＳｉナノワイヤ１０２，Ｓｉナノワイヤ１０２ａが等間隔で配列されている状態に比較して、反射構造１２１ａ，１２１ｂの一端の側に近いほど大きな値で、反射構造１２１ａ，１２１ｂの一端の方向にＳｉナノワイヤ１０２，Ｓｉナノワイヤ１０２ａの位置を変調することができる。

【0013】

例えば、図２に示すように、主ナノワイヤ１０１の一端側にｐ型領域１０１ａを設け、主ナノワイヤ１０１の他端側にｎ型領域１０１ｂを設けることで、この光素子を発光素子とすることができる。ｐ型領域１０１ａに接続したｐ電極１０３ａと、ｎ型領域１０１ｂに接続したｎ電極１０３ｂにより、主ナノワイヤ１０１に電流を注入することで、主ナノワイヤ１０１のｐ型領域１０１ａとｎ型領域１０１ｂとに挾まれた活性領域より発光させることができる。この活性領域を備える主ナノワイヤ１０１を２つの反射構造１２１ａ，反射構造１２１ｂによる共振器の中に配置することで、この光素子をレーザとすることができる。例えば、ｐ型領域１０１ａ、ｎ型領域１０１ｂはＩｎＰから構成し、活性領域はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰによる多重量子井戸構造とすることができる。

【0014】

これまで開発されているナノワイヤレーザでは、室温で連続発振の実現には至っていない。既存のナノワイヤレーザは、端面反射によるファブリーペロー共振器を利用しているため、発振してもレーザ発振閾値が高く、パルスでしか動作しない（低温では連続発振の報告が数例ある）。これは、レーザ発振閾値が高いため、注入キャリアが多くなり、利得の飽和や、熱による利得のブロードニングが影響してしまうためである（非特許文献２）。

【0015】

上述した従来のナノワイヤレーザにおける問題に対し、実施の形態によれば、Ｓｉナノワイヤ１０２，Ｓｉナノワイヤ１０２ａによる共振器構造を、主ナノワイヤ１０１の周りに配置したので、発振閾値を下げることが可能となり、室温で連続発振するレーザが実現できる。この点について詳細に説明する。

【0016】

まず、図３Ａに示すように、ＩｎＰ系の主ナノワイヤ１０１を中央に配置し、主ナノワイヤ１０１の周りに、複数のＳｉナノワイヤ１０２を配置した構造について検討する。Ｓｉナノワイヤ１０２は、一端（主ナノワイヤ１０１）の側から離れるほど長くされている。このようにすることで、同一の長さとした場合に比較して反射率を高めることができる。

【0017】

主ナノワイヤ１０１、複数のＳｉナノワイヤ１０２は、ＳｉＯ₂層１４２上に配置されている。また、ＳｉＯ₂層１４２は、Ｓｉ基板１４１の上に形成されている（図３Ｂ）。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、表面シリコン層を電子線露光法などによる公知のリソグラフィ技術でパターニングすることで、Ｓｉナノワイヤ１０２が形成できる。また、Ｓｉナノワイヤ１０２を形成した後で、別途に作製してある主ナノワイヤ１０１を所定箇所に配置することで、上述した構成（構造）とすることができる。これらの構造は良く知られている１次元フォトニック結晶共振器の構造とすることができ、複数のＳｉナノワイヤ１０２は、格子定数ａで決められる周期的な配置とすることができる。

【0018】

この構造において、中央の主ナノワイヤ１０１からｉ番目のＳｉナノワイヤ１０２のワイヤ長ｗ_y（ｉ）は、「ｗ_y（ｉ）＝ｗ_y（０）＋ｉ²（ｗ_y（ｉ_max）－ｗ_y（０））／ｉ_max ²」、と表すことができる。この式から分かるように、「２×ｗ_y（０）」が中央に配置する主ナノワイヤの長さを表している。また、この数式の示す包絡線の形はｗ_y（ｉ_max）によって決まる。

【0019】

図４に、この構造の設計の模式図（ａ）、および電磁界シミュレーションから得られた電場分布（ｂ）を示す。中央にある主ナノワイヤは断面形状が矩形であり、長さが２μｍである。また、Ｓｉナノワイヤ１０２の断面形状を矩形とし、厚さ２２０ｎｍとした。また、複数のＳｉナノワイヤ１０２を１次元フォトニック結晶とした場合の格子定数を２９７ｎｍとした。この構成における共振器Ｑ値は１５２４，で、主ナノワイヤへの閉じ込め係数は５．８％となっていることが確認された。

【0020】

上述した構造において、"inverse design"の最適化を用いて再設計した結果、図５に示すように、中央の主ナノワイヤから７本目、８本目、および９本目のＳｉナノワイヤが、他のＳｉナノワイヤの幅より変調され、一端側（中央の主ナノワイヤ側）のＳｉナノワイヤより太くされたものとなる。なお、このシミュレーション結果では、中央の主ナノワイヤから５本目、６本目、１２本目も、一端側のＳｉナノワイヤより太くなっている。

【0021】

また、Ｓｉナノワイヤの位置に関しても、中心の側ほど大きな値で中心方向に変調がされたものとなる。

【0022】

例えば、前述した格子定数ａに対し、主ナノワイヤ１０１からこれ隣接する（１本目の）Ｓｉナノワイヤ１０２までの距離を０．８２４４５１ａとし、２本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を１．８２８６７２ａとし、３本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を２．８６２６９７ａとし、４本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を３．８７２４９９ａとし、５本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を４．９１５４２１ａとし、６本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を５．９７７５８４ａとし、７本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を７．０１５６５６ａとし、８本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を７．９７２３６６ａとし、９本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を８．９８９９５８ａとし、１０本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を９．９６７０６６ａとし、１１本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を１０．９７３２２ａとし、１２本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を１２ａとし、１３本目のＳｉナノワイヤ１０２までの距離を１３ａとすることができる。

【0023】

このような構造は、図６の電磁界シミュレーションが示すように、より中央の主ナノワイヤ部分に高い光を強く閉じ込めることを可能にする。言い換えると、１次元的に配列したＳｉナノワイヤによる反射構造は、所定の箇所のＳｉナノワイヤを太くすることで、より高い反射機能が得られるものとなる。また、Ｓｉナノワイヤの位置を中心の側ほど大きな値で中心方向に変調することで、さらに高い反射機能が得られるものとなる。

【0024】

なお、図６は、図５の点線による四角の領域における電磁界シミュレーションの結果を示している。また、図６の（ａ）は、平面における電磁界シミュレーションの結果を示し、図６の（ｂ）は、断面における電磁界シミュレーションの結果を示している。この構成における共振器Ｑ値は１３４０００で、主ナノワイヤへの閉じ込め係数は８．６％と大きく改善していることが確認された。

【0025】

また、上述したように、Ｓｉナノワイヤの幅や位置を変調することで光閉じ込めをより強くする構造において、太くしたＳｉナノワイヤが、配列方向に接触した状態であっても、共振器としての機能は失われず、光の閉じ込めが確認された。

【0026】

このような構造において、中央の主ナノワイヤは円柱状とすることができる。図７に、中央の主ナノワイヤを円柱状とした場合の光素子の構造（ａ）について、電磁界シミュレーションの結果（ｂ）を示す。図７の（ａ）に示す点線による四角の領域における電磁界シミュレーションの結果を図７の（ｂ）に示す。このシミュレーションでは、断面方向の対称性が良いと性能が上がるため、中央の主ナノワイヤおよびＳｉナノワイヤの全体を、ＳｉＯ₂層で埋め込んだ構造を採用している。シミュレーションの結果、共振器Ｑ値は１０８８となり、主ナノワイヤへの閉じ込め係数は５．０％となった。

【0027】

上述した中央の主ナノワイヤを円柱状とした構造に対して、"inverse design"の最適化を用いて再設計したものを図８に示す。これは前出の構造と同様、図９に示すＳｉナノワイヤの幅に関して変調されており、一部に太くしたＳｉナノワイヤがある。また、Ｓｉナノワイヤの位置に関しても、中心方向に変調がされている。このような構造は、より中央の主ナノワイヤ部分に高い光を強く閉じ込めることを可能にする。この構成における共振器Ｑ値は５６１００で、主ナノワイヤへの閉じ込め係数は１０．２％と大きな改善が確認された。

【0028】

また、図８，図９に示す結果は、反射構造を構成するＳｉナノワイヤの本数を１１本としているが、この構成においても、十分な反射が得られている。上述したシミュレーションの結果を参照すると、反射構造を構成するＳｉナノワイヤの本数は、９本あればよいことになる。

【0029】

次に、中央の円柱主ナノワイヤの長さ依存性について調べた。図１０において、"length error"は、基準となる主ナノワイヤの長さ（ここでは２μｍ）からのずれを示めす。この値が負の主ナノワイヤは基準より短く、正の主ナノワイヤは基準より長いことを表している。調査した結果を図１１に示す。図１１に示すように、主ナノワイヤの長さが基準値よりも長くても、共振器として十分動作することが可能となることである。従って、図２を用いて説明したように、主ナノワイヤ１０１の一端側にｐ型領域１０１ａを設け、主ナノワイヤ１０１の他端側にｎ型領域１０１ｂを設けて主ナノワイヤ１０１のワイヤ長を長くした素子構造を可能とする。

【0030】

まとめると、図３，図４を用いて説明した基本的な反射構造に対し、"inverse design"などの最適化を用いて再設計して最適化することで、太くするＳｉナノワイヤの位置、太さ、Ｓｉナノワイヤの位置の変調を決定することで、反射構造の反射率（複数の反射構造を用いた閉じ込め係数）、少なくとも２つの反射構造を用いた共振器のＱ値などを、より向上させることができる。また、このようにして閉じ込め係数、共振器Ｑ値の向上を図ることで、ナノワイヤを用いたレーザで、室温における連続発振が実現できる。

【0031】

次に、本発明の実施の形態に係る他の光素子について、図１２，図１３を参照して説明する。この光素子は、主ナノワイヤ１０１を中心に点対称に配置された複数の共振器を備える。この例では、反射構造１２１ａおよび反射構造１２１ｂからなる共振器に加えて、反射構造１２１ｃおよび反射構造１２１ｄからなる共振器を備える。２つの反射構造１２１ｃ，反射構造１２１ｄも、主ナノワイヤ１０１を挟んで主ナノワイヤ１０１に対して対称な状態で、１次元的に配置されている。また、反射構造１２１ｃ，反射構造１２１ｄを構成する各々のＳｉナノワイヤ１０２は、主ナノワイヤ１０１と互いに平行とされている。

【0032】

この構成において、主ナノワイヤ１０１、およびＳｉナノワイヤ１０２は、各主ナノワイヤの延在方向が、基板２０１の表面に対して垂直とされている。また、１つの直線状に配置される反射構造１２１ａ，反射構造１２１ｂの配列と、１つの直線状に配置される反射構造１２１ｃ，反射構造１２１ｄの配列との平面視のなす角度は、９０°とされている。言い換えると、各々が１つの直線状に配置される２つの共振器の平面視のなす角度は、９０°とされている。また、各Ｓｉナノワイヤのワイヤ長は等しいものとしている。なお、図では省略しているが、各々の反射構造の一端から６本目、７本目、８本目のＳｉナノワイヤは、一端のＳｉナノワイヤ１０２より太くされている。

【0033】

この構成における共振器Ｑ値は１０３８８，閉じ込め係数は１０．３％となり高い値を実現できている。また、各共振器（反射構造）の終端部に入力導波路や出力導波路を光学的に接続（結合）するために、終端部に行くほどＳｉナノワイヤの系を細くしたテーパ構造とすることができる。また、この構造では、各Ｓｉナノワイヤのワイヤ長は等しくなるが、この場合においても、強い反射率が得られ、中央の主ナノワイヤ１０１に対する強い光閉じ込めが得られる。

【0034】

また、図１４に示すように、さらに、反射構造１２１ｅおよび反射構造１２１ｆからなる共振器、反射構造１２１ｇおよび反射構造１２１ｈからなる共振器を加えることができる。この構成では、主ナノワイヤ１０１を中心に点対称に配置された４つ（複数）の共振器を備えるものとなる。各々が１つの直線状に配置される４つの共振器は、平面視で４５°ずつずれて配置されている。この構成における共振器Ｑ値は５６０００，閉じ込め係数は１５．５％となり、同様に共振器の特性が良いことが確認できる。このように、共振器の列を任意の角度で増やす構造は、Ｑ値を高める効果があり、任意の角度で複数の共振器の列を配置することができる。なお、図１４に示す例においても、各共振器（反射構造）の終端部に入力導波路１０４、出力導波路１０５を光学的に接続（結合）するために、図１５に示すように、終端部に行くほどＳｉナノワイヤの系を細くしたテーパ構造１２２を備える構成とすることができる。

【0035】

また、図１６の（ａ）に示すように、入力導波路１０４、出力導波路１０５は、反射構造１２１ａ，反射構造１２１ｂによる共振器の中心軸からずれた位置に配置することができる。この構造は、図１６の（ｂ）に示す電場分布のシミュレーション結果に示すように、中心に導波路を接続するより効率的に光を共振器に送ることが期待できる。

【0036】

次に、本発明の実施の形態に係る他の光素子について、図１７を参照して説明する。この光素子は、化合物半導体から構成された主ナノワイヤ１０１と、Ｓｉナノワイヤ１０２とを備える。主ナノワイヤ１０１は、例えば、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。主ナノワイヤ１０１は、円柱形状とすることができる。

【0037】

また、この光素子は、主ナノワイヤ１０１と互いに平行な状態で、主ナノワイヤ１０１とともに１次元的に配列された４本以上のＳｉナノワイヤ１０２を備える反射構造１２１を備える。反射構造１２１の一端には、入力導波路１０４が光学的に結合されている。ここで、この光素子では、反射構造１２１の主ナノワイヤ１０１の側の一端から、６本目、７本目、および８本目のＳｉナノワイヤ１０２ａを、反射構造１２１の一端のＳｉナノワイヤ１０２より太くし、７本目のＳｉナノワイヤ１０２ａの位置に主ナノワイヤ１０１を配置している。

【0038】

また、主ナノワイヤ１０１の一端側にｐ型領域１０１ａを設け、主ナノワイヤ１０１の他端側にｎ型領域１０１ｂを設けることで、この光素子を受光素子とすることができる。ｐ型領域１０１ａに接続したｐ電極１０３ａと、ｎ型領域１０１ｂに接続したｎ電極１０３ｂにより、主ナノワイヤ１０１に所定の電圧を印加することで、主ナノワイヤ１０１のｐ型領域１０１ａとｎ型領域１０１ｂとに挾まれた受光領域で光を受光して光電変換させることができる。反射構造１２１の特徴となる他のＳｉナノワイヤ１０２より太いＳｉナノワイヤ１０２ａの部分は、光を強く反射するミラーの働きがある。このため、Ｓｉナノワイヤ１０２ａの近傍に配置した主ナノワイヤ１０１の受光領域には、入力導波路１０４の側より入力した光に加え、上述したことにより反射した光も入射する。

【0039】

以上に説明したように、本発明によれば、化合物半導体から構成された主ナノワイヤと互いに平行な状態で、主ナノワイヤとともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤを備え、反射構造の一端から４本目以降の３本のＳｉナノワイヤを一端のＳｉナノワイヤより太くしているので、主ナノワイヤを用いた新たな光素子が提供できるようになる。

【0040】

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されるが、以下には限られない。

【0041】

［付記１］
化合物半導体から構成された主ナノワイヤと、前記主ナノワイヤと互いに平行な状態で、前記主ナノワイヤとともに１次元的に配列され、一端の側から離れるほど長くされた８本以上のＳｉナノワイヤを備える反射構造とを備え、前記反射構造の一端から４本目以降の３本目の前記Ｓｉナノワイヤは、前記反射構造の一端の前記Ｓｉナノワイヤより太くされている光素子。

【0042】

［付記２］
付記１記載の光素子において、前記反射構造を構成する前記Ｓｉナノワイヤが等間隔で配列されている状態に比較して、前記反射構造の一端の側に近いほど大きな値で、前記反射構造の一端の方向に前記Ｓｉナノワイヤの位置が変調されている光素子。

【0043】

［付記３］
付記１または２記載の光素子において、前記主ナノワイヤと前記Ｓｉナノワイヤとが互いに平行な状態で１次元的に配列される状態で、前記主ナノワイヤを挟んで前記主ナノワイヤに対して対称な状態で配置された２つの前記反射構造を備え、前記主ナノワイヤを挟む２つの前記反射構造により共振器が構成されている光素子。

【0044】

［付記４］
付記３記載の光素子において、前記主ナノワイヤを中心に点対称に配置された複数の前記共振器を備える光素子。

【0045】

［付記５］
付記１～４のいずれか１項に記載の光素子において、前記主ナノワイヤは、円柱とされている光素子。

【0046】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0047】

１０１…主ナノワイヤ、１０２…Ｓｉナノワイヤ、１０２ａ…Ｓｉナノワイヤ、１２１ａ，１２１ｂ…反射構造。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】