特許 7582441 光デバイス

(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】

(24)【登録日】2024-11-05

(45)【発行日】2024-11-13

(54)【発明の名称】光デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/11 20210101AFI20241106BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20241106BHJP

   H01S 5/024 20060101ALI20241106BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20241106BHJP

【ＦＩ】

H01S5/11

H01S5/026 618

H01S5/024

H01S5/40

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023503315

(86)(22)【出願日】2021-03-05

(86)【国際出願番号】 JP2021008632

(87)【国際公開番号】W WO2022185518

(87)【国際公開日】2022-09-09

【審査請求日】2023-07-21

(73)【特許権者】

【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】武村 尚友

(72)【発明者】

【氏名】新家 昭彦

【審査官】小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１１５７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－４２５４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部および前記基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて前記基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、
前記フォトニック結晶本体に設けられて前記格子要素がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成された光導波路と、
前記光導波路に形成された活性領域と、
前記活性領域に配置され、４準位系の発光材料からなる液状の活性物質と、
前記活性物質を励起する光源と、
前記光導波路に前記活性領域を挟んで形成された前記活性領域に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造と
を備える光デバイス。

【請求項2】

請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記活性物質は、４準位系の発光材料からなる微粒子と、前記微粒子が分散する分散媒とから構成されていることを特徴とする光デバイス。

【請求項3】

請求項１または２記載の光デバイスにおいて、
前記活性領域に形成された収容部を備え、
前記活性物質は、前記収容部に収容されていることを特徴とする光デバイス。

【請求項4】

請求項３記載の光デバイスにおいて、
前記収容部は、前記活性領域における前記基部の上に形成されていることを特徴とする光デバイス。

【請求項5】

請求項３または４記載の光デバイスにおいて、
前記活性物質を前記収容部に供給する流路を備えることを特徴とする光デバイス。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
前記活性物質の温度を制御する温度制御部をさらに備えることを特徴とする光デバイス。

【請求項7】

請求項６記載の光デバイスにおいて、
前記活性領域は複数設けられ、
前記温度制御部は、複数の前記活性領域の温度を各々を別に制御することを特徴とする光デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、４準位系の発光材料を用いた光デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、オンチップの超小型センサーや光プロセッサ、量子情報応用を念頭にし、ＣＭＯＳ上の光回路に、化合物半導体ナノレーザを集積する研究が盛んに行われている。これまで、ナノレーザを集積する方法として、異種材料のウェハ接合、シリコン基板上に直接化合物半導体を成長させる技術の研究が進められている。これらの方法は、接合できる材料、基板に成長できる材料が制限されるが、完全な任意材料を直接転写する研究も盛んに行われている。例えば、転写プリント法、インクジェット、マイクロニードル、原子間力顕微鏡など様々な方法で、ナノ材料を光学基板に集積することができる。

【0003】

転写する先の光学素子は、非常に小さく、光学設計自由度が非常に高いため、大きな光閉じ込めを可能にするフォトニック結晶が有望である。適切に設計を行えば、ナノ材料と光電場を強く相互作用させることができる。このような技術を用いれば、高品質な化合物半導体や、所望のナノ材料を選択的にシリコンチップに集積でき、新しい素子開発など、応用が期待できる。例えば、シリコンフォトニック結晶に、化合物半導体ナノワイヤを転写し、上述したナノ制御技術により、非常に小さいナノ材料を、精密に集積できるようになってきた（非特許文献１，非特許文献２）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】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.

【文献】M. Takiguchi et al., "Continuous-wave operation and 10-Gb/s direct modulation of InAsP/InP subwavelength nanowire laser on silicon photonic crystal", APL Photonics, vol. 2, no. 4,046106, 2017.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ナノマニピュレーション技術などにより、半導体ナノ材料をフォトニック結晶に集積したレーザの研究が行われてきたが、次のような課題がある。一般に，ナノワイヤの形状は、結晶構造に大きく影響し、断面が多角形や円形であり、さらに完全なピラー構造にならず、テーパー形状を持つ。このような不均構造は、フォトニック結晶に集積した際に、ナノワイヤと基板の間にわずかなスペースを生じるため、空気中への電場漏れを引き起こし、効率的に光を活性部となるナノワイヤに閉じ込めることができない。このように、従来の技術では、フォトニック結晶に設けた活性部に、効率的に光を閉じ込めることができないという問題があった。

【0006】

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、フォトニック結晶に設けた活性部に、効率的に光閉じ込めができるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る光デバイスは、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体に設けられて格子要素がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成された光導波路と、光導波路に形成された活性領域と、活性領域に配置され、４準位系の発光材料からなる液状の活性物質と、活性物質を励起する光源と、光導波路に活性領域を挟んで形成された活性領域に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造とを備える。

【発明の効果】

【0008】

以上説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に設けた活性領域に、４準位系の発光材料からなる液状の活性物質を配置したので、フォトニック結晶に設けた活性部に、効率的に光閉じ込めができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの構成を示す構成図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る光デバイスの一部構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態２に係る光デバイスの構成を示す構成図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態３に係る光デバイスの一部構成を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）、（ｃ）である。

【図4】図４は、本発明の実施の形態４に係る光デバイスの一部構成を示す平面図である。

【図5】図５は、本発明の実施の形態５に係る光デバイスの一部構成を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）、（ｃ）である。

【図6】図６は、本発明の実施の形態６に係る光デバイスの一部構成を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態に係る光デバイスについて説明する。

【0011】

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光デバイスについて図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。この光デバイスは、フォトニック結晶本体１０１、光導波路１０２、活性領域１０３、活性物質１０４、および光源１０５を備える。なお、図１Ａにおいて、フォトニック結晶本体１０１は、平面を示している。

【0012】

フォトニック結晶本体１０１は、板状の基部１０６から構成されている。また、フォトニック結晶本体１０１は、複数の格子要素１０７を備えている。格子要素１０７は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられている。また、格子要素１０７は、屈折率が基部１０６とは異なるものとされている。基部１０６は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ₂，ＳｉＯ₂などから構成することができる。格子要素１０７は、例えば、円柱状の貫通孔である。複数の格子要素１０７は、例えば平面視で三角格子状に配列している。光導波路１０２は、フォトニック結晶本体１０１に設けられて格子要素１０７がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成されている。

【0013】

活性領域１０３は、光導波路１０２に形成されている。活性領域１０３には、４準位系の発光材料からなる液状の活性物質１０４が配置されている。例えば、活性領域１０３に形成された収容部１０８を備え、活性物質１０４は、収容部１０８に収容されている。収容部１０８は、例えば、基部１０６の表面の活性領域１０３に形成された凹部である。平面視で、活性領域１０３の全域に収容部１０８が形成されている。従って、収容部１０８が活性領域１０３であるということもできる。収容部１０８は、活性領域１０３における基部１０６の上に形成することもできる。収容部１０８は、例えば、平面視矩形とされた、直方体状とされている。収容部１０８は、例えば、光導波路１０２の導波方向に垂直な幅および深さが、いわゆるナノワイヤの径と同程度とされている。

【0014】

活性物質１０４は、例えば、ローダミンなどの色素の水溶液から構成することができる。この種の色素は、４準位系の発光材料であり、大型のレーザで用いられている。また、活性物質１０４は、４準位系の発光材料からなる微粒子と、微粒子が分散する分散媒とから構成することができる。４準位系の発光材料からなる微粒子は、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Yttrium Aluminum Garnet；ＹＡＧ）から構成することができる。

【0015】

光源１０５は、活性物質１０４を励起するために用いられる。光源１０５は、例えば、フラッシュランプやレーザから構成することができる。光源１０５は、例えば、活性領域１０３の上方に配置することができる。活性領域１０３の上方に配置した光源１０５より出射した励起光が、活性領域１０３の上方から収容部１０８に収容されている活性物質１０４に照射される。

【0016】

また、実施の形態１に係る光デバイスは、光導波路１０２に活性領域１０３を挟んで形成された活性領域１０３に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造を備える。例えば、活性物質１０４を収容部１０８に供給する第１流路１０９と、収容部１０８に供給された活性物質１０４を排出する第２流路１１０とを備える構成すとすることができる。

【0017】

第１流路１０９、第２流路１１０を、光導波路１０２に形成し、第１流路１０９、第２流路１１０の流れの方向を、光導波路１０２の導波方向とし、第１流路１０９、第２流路１１０の幅を、収容部１０８の導波方向に垂直な幅より狭くする。この構成とすることで、光導波路１０２において、活性領域１０３に光を閉じ込める光閉じ込め構造とすることができる。この光閉じ込め構造により、フォトニック結晶による共振器が構成できる。

【0018】

実施の形態１によれば、活性物質１０４を液体としたので、活性領域１０３（収容部１０８）に隙間なく活性物質１０４を充填できる。このように、実施の形態１によれば、収容部１０８と活性物質１０４との間に隙間が形成されないので、ナノワイヤを使ったレーザと異なり閉じ込め係数を改善できる。

【0019】

また、従来の 半導体ナノレーザは、透明キャリア密度（Ｎ₀）が大きく、ナノ共振器の自然放出高結合レートβを高くしても、発振閾値以下で、２次の強度相関関数ｇ²（０）＞１となり、コヒーレント光にならない（参考文献１）。なお、レーザ線幅は、レーザスペクトルの半値全幅である。これに対し、実施の形態１によれば、活性物質１０４を、色素などの４準位系の発光材料から構成しているので、Ｎ₀が小さく、また、フォトニック結晶による共振器を用いることで、βを高くできる。この結果、発振閾値以下でもｇ₂（０）＝１となり、コヒーレント光を取り出すことができる。

【0020】

また、従来の半導体レーザは，レーザ線幅が、αパラメータにより太くなってしまう。αパラメータは、半導体のキャリア密度の増加に対する、光学利得の増加率（微分利得）と屈折率の増加率の比で定義される。半導体のキャリア密度は様々な雑音によって揺らぐため、半導体レーザの発振周波数もランダムに変動し、コヒーレンスの低下、つまり発振線幅の増大をもたらす。このため、半導体レーザの発振線幅は、通常のレーザの発振線幅を表す理論式（シャロー・タウンズの式）から予想されるものより１桁以上大きくなり、定常電流駆動時のレーザ線幅は、理論値に対して（１＋α²）倍に増加することが知られている。

【0021】

これに対し、活性物質１０４に色素を用いれば、波長選択性が高く、半導体材料と異なり、α係数が小さいため、非常に狭線幅なレーザが実現できる。

【0022】

ところで、第１流路１０９に導入プール構造１１１を接続し、第２流路１１０に、排出プール構造１１２を接続することで、収容部１０８における活性物質１０４を、例えば、循環させることができる。例えば、導入プール構造１１１に、シリコンゴムなどのチューブを取り付けることで、液状の活性物質１０４を外部から流し込むことができる。液状の活性物質１０４は、導入プール構造１１１に流し込めば、いわゆる毛細管現象により、第１流路１０９に入り込み、収容部１０８に流れ込む。また、収容部１０８に流れ込んだ活性物質１０４は、第２流路１１０に到達すると、毛細管現象により、第２流路１１０に入り込み、排出プール構造１１２に流れていく。

【0023】

上述したように、毛細管現象が発現する程度の流路幅とした第１流路１０９、第２流路１１０を用いることで、自動的（自然）に活性物質１０４を収容部１０８に導入できる。このため、液体を循環させる構造を導入することなく、マイクロピペット、インクジェット装置などを用いて、活性物質１０４を導入プール構造１１１に供給できれば、活性物質１０４を、共振部分である収容部１０８に供給することができる。

【0024】

また、実施の形態１において、活性物質１０４の温度を制御する温度制御部をさらに備えることができる。例えば、導入プール構造１１１に供給する活性物質１０４の液温を、温度制御部で制御することができる。このように温度制御することで、活性物質１０４が触れる共振器の領域（活性領域１０３）の温度を変化させることができる。

【0025】

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る光デバイスについて、図２を参照して説明する。この光デバイスは、フォトニック結晶本体１０１、光導波路１０２、活性領域１０３、活性物質１０４、光源１０５、および共振器となる光閉じ込め構造を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

【0026】

実施の形態２では、さらに、入力光導波路１１３および出力光導波路１１４を備える。入力光導波路１１３，出力光導波路１１４は、フォトニック結晶本体１０１に設けられて格子要素１０７がない部分から構成された複数の欠陥からなる直線状の線欠陥から構成されている。また、入力光導波路１１３および出力光導波路１１４は、光導波路１０２に並行に配置されている。また、入力光導波路１１３と出力光導波路１１４とに挾まれた領域の光導波路１０２に、活性領域１０３（収容部１０８）が配置されている。

【0027】

この光デバイスでは、光源１０５から出射した励起光は、入力光導波路１１３に入力し、入力光導波路１１３を導波する励起光が、収容部１０８に収容されている活性物質１０４に光学的に結合し、活性物質１０４を励起する。活性物質１０４を励起することで発振したレーザ光は、出力光導波路１１４に光学的に結合し、フォトニック結晶本体１０１より出射する。図１Ａ，図１Ｂを用いて説明した例では、光導波路１０２において、第１流路１０９、第２流路１１０が存在するため、面発光レーザとして機能はするが、レーザ光を、共振器と同軸上で取り出せず、レーザ光をフォトニック結晶本体１０１の端面から出射させることができない。励起光の導入も同様である。これに対し、上述したように、入力光導波路１１３および出力光導波路１１４を設けることで、励起光の導入およびレーザ光の出射を、フォトニック結晶本体１０１の端面において、実現することができるようになる。

【0028】

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る光デバイスについて、図３を参照して説明する。この光デバイスは、フォトニック結晶本体１０１、光導波路１０２、活性領域１０３ａ、活性物質１０４、光源１０５、および共振器となる光閉じ込め構造を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

【0029】

実施の形態３では、活性物質１０４を収容部１０８に供給する第１流路１０９ａと、収容部１０８に供給された活性物質１０４を排出する第２流路１１０ａとを，光導波路１０２の導波方向に交差する方向に配置している。この場合、第１流路１０９ａおよび第２流路１１０ａにおける格子要素１０７ａは、液状の活性物質１０４が漏れ出さないように、基部１０６を貫通せず、基部１０６の厚さ方向に途中までの凹部とする。

【0030】

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４に係る光デバイスについて、図４を参照して説明する。この光デバイスは、フォトニック結晶本体１０１、光導波路１０２、活性領域１０３、活性物質１０４、光源１０５、および共振器となる光閉じ込め構造を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

【0031】

実施の形態４では、光閉じ込め構造を構成する第１流路１０９ｂ、第２流路１１０ｂに、格子要素１０７と同じ格子配列で、格子要素１０７ｂを設けている。格子要素１０７ｂは、液状の活性物質１０４が漏れ出さないように、基部１０６を貫通せず、基部１０６の厚さ方向に途中までの凹部としている。このように、格子要素１０７ｂを設けることで、光閉じ込め構造による光閉じ込めを、より強くすることができる。

【0032】

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５に係る光デバイスについて、図５を参照して説明する。この光デバイスは、フォトニック結晶本体１０１、光導波路１０２、活性領域１０３ａ、活性物質１０４、光源１０５、および共振器となる光閉じ込め構造を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

【0033】

また、実施の形態５では、前述した実施の形態３と同様に、活性物質１０４を収容部１０８に供給する第１流路１０９ａと、収容部１０８に供給された活性物質１０４を排出する第２流路１１０ａとを，光導波路１０２の導波方向に交差する方向に配置している。

【0034】

実施の形態５では、さらに、基部１０６の下面に接してクラッド層１１５を設けている。クラッド層１１５は、基部１０６より低い屈折率の材料から構成されている。このように、基部１０６の下面に接してクラッド層１１５を設けることで、第１流路１０９ａおよび第２流路１１０ａにおいても、格子要素１０７を、基部１０６を貫通して形成することができる。基部１０６の裏面がクラッド層１１５で覆われているため、貫通する格子要素１０７が第１流路１０９ａ、第２流路１１０ａに形成されていても、活性物質１０４の漏れが発生しない。

【0035】

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６に係る光デバイスについて、図６を参照して説明する。この光デバイスは、２つの光導波路１０２ａ、光導波路１０２ｂを備える。また、２つの光導波路１０２ａ、光導波路１０２ｂの各々に、活性領域１０３、活性物質１０４、収容部１０８、第１流路１０９、第２流路１１０が形成されている。

【0036】

２つの光導波路１０２ａ、光導波路１０２ｂの各々における活性物質１０４（収容部１０８）を中心とした光閉じ込め領域による各々の共振器が、結合可能な状態に配置され、結合共振器を構成している。各々の収容部１０８に収容される活性物質１０４の温度を、各々個別に制御し、各々の温度を変えることで、共振器間の結合を変えることができる。この結合共振器の構造は、システムの挙動が複雑になる半導体レーザでは難しかった２つの共振器の波長制御が、容易に実現でき、結合共振器レーザや、注入同期レーザなどに応用できる。

【0037】

以上に説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶の線欠陥による光導波路に設けた活性領域に、４準位系の発光材料からなる液状の活性物質を配置したので、フォトニック結晶に設けた活性部に、効率的に光閉じ込めができるようになる。本発明によれば、将来のオンチップ素子の低消費電力化や、オンチップ原子時計の光源などに応用可能になる。また、活性物質は、半導体材料と異なり、α係数を小さくすることができるため、注入同期レーザなどの制御においても挙動が安定するという点で有効である。

【0038】

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。

【0039】

［参考文献１］N. Takemura et al., "Low- and high-β lasers in class-A limit: photon statistics, linewidth, and the laser-phase transition analogy", Journal of the Optical Society of America B, Vol. 38, Issue 3, pp. 699-710, 2021.

【符号の説明】

【0040】

１０１…フォトニック結晶本体、１０２…光導波路、１０３…活性領域、１０４…活性物質、１０５…光源、１０６…基部、１０７…格子要素、１０８…収容部、１０９…第１流路、１１０…第２流路、１１１…導入プール構造、１１２…排出プール構造。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】