(57)【要約】【課題】２次元スラブ型のフォトニック結晶より構成され、活性層によりアクティブ動作するＬ２共振器によるレーザなどの光素子を、１次高次共振モードで動作させることを可能にする。【解決手段】格子要素１３１ａ，１３１ｂの直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．４２〜０．５倍とされ、格子要素１３２ａ，１３２ｂの直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．２６〜０．３８倍とされ、格子要素１３３ａ，１３３ｂの直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．１３〜０．１９倍とされ、格子要素１３４ａ，１３４ｂの直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の−０．１〜０倍とされている。【選択図】  図１
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【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三角格子状に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、フォトニック結晶の格子要素がない部分から構成された２つの点欠陥による光閉じ込め部と、
前記光閉じ込め部に設けられた活性媒質と、
前記光閉じ込め部を中心としてこの両側において、フォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位方向の直線上に連続する８個の格子要素からなる第１格子要素対，第２格子要素対，第３格子要素対，第４格子要素対と
を備え、
中心から１組目の前記第１格子要素対の前記直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、前記フォトニック結晶の格子定数の０．４２〜０．５倍とされ、
中心から２組目の前記第２格子要素対の前記直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、前記フォトニック結晶の格子定数の０．２６〜０．３８倍とされ、
中心から３組目の前記第３格子要素対の前記直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、前記フォトニック結晶の格子定数の０．１３〜０．１９倍とされ、
中心から４組目の前記第４格子要素対の前記直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、前記フォトニック結晶の格子定数の−０．１〜０倍とされている
ことを特徴とするフォトニック結晶光素子。
【請求項２】
請求項１記載のフォトニック結晶光素子において、
前記基部は、動作波長における屈折率が２以上の半導体から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶光素子。
【請求項３】
請求項１または２記載のフォトニック結晶光素子において、
前記活性媒質は、前記光閉じ込め部の中心に備えられていることを特徴とするフォトニック結晶光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光素子において
前記活性媒質は、電流注入により励起することを特徴とするフォトニック結晶光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元スラブ型のフォトニック結晶より構成されたフォトニック結晶光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信およびインターネットの大容量化に対応するため、光通信技術は欠くことのできないものとなっている。光通信技術では、光ファイバにより伝送されてきた光信号を回線毎に合分波および信号処理を行い、再度光ファイバに送出するといった処理が必要となる。このような処理を行う光部品については、１つのチップ上の集積したオンチップ光回路化が進んでいる。
【０００３】
また、データセンタや高性能計算機（ＨＰＣ）においては、データの伝送が光ファイバ通信化され、光源には、小型で量産性に優れた面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が大量に採用されている。ＶＣＳＥＬ製品においては、実用上十分な性能を得るために、レーザ単体のフットプリントは、１０μｍ以上、アレイにおけるピッチは、１００μｍ以上に設定されている。
【０００４】
光集積回路の更なる小型化・高集積化のためにも、ＶＣＳＥＬよりも更に小型で電力効率に優れたナノレーザを実現するためにも、フォトニック結晶（Photonic Crystal）はますます重要になりつつある。
【０００５】
フォトニック結晶は、高屈折率の媒体中に低屈折率の円柱などの格子要素を周期的に配置することで光のバンド構造を生成し、光の伝搬の制御を実現する人工物質である。特に光の絶縁体となるフォトニックバンドギャップ（Photonic Bandgap：ＰＢＧ）を利用すれば、光を波長スケールの微小体積に閉じ込めるナノ共振器や結晶穴数個分の幅に閉じ込めるナノ導波路を実現できる。
【０００６】
フォトニック結晶周期は、真空中の光波長の１／ｎ（ｎ：媒質の屈折率）程度なので、フォトニック結晶においては現行の光集積回路より１桁程度のサイズ縮小および１桁以上の消費電力低減が期待される。最近、フォトニック結晶レーザの電流注入室温ＣＷ発振が実現され（非特許文献１参照）、また１００ビットのオンチップ集積光メモリが実現されるなど（非特許文献２参照）、フォトニック結晶光部品の性能は実用的なものに近づきつつある。
【０００７】
フォトニック結晶によるナノ共振器は、結晶穴数個を取り除いて形成する欠陥部分に周囲のフォトニック結晶が有するＰＢＧにより光閉じ込めモードを形成したもので、モード体積Ｖは概ね１（λc／ｎ）3程度になるものを指す（λc：共振モード波長）。最近の共振器設計の進歩により、閉じ込めモードのＱ値を１万以上にすることが可能になり、フォトニック結晶以外では達成困難な極めて大きなＱ／Ｖ値を達成できるのが特長である。
【０００８】
上述したフォトニック結晶によるナノ共振器として、Ｌ型共振器がある。Ｌ型共振器は、２次元スラブ型のフォトニック結晶の格子要素を取り除いた点欠陥を直線状に配列した光閉じ込め部を備える。例えば、Ｌ１共振器は、フォトニック結晶の格子要素による格子の中で、格子要素を取り除いた１つの点欠陥により構成されている。また、Ｌ２共振器は、２つの点欠陥により構成されている。また、Ｌ３共振器は、３つの点欠陥により構成されている。このようなＬ型共振器において、複数の点欠陥は、Γ−Ｋ結晶方位に沿って直線状に配列させる。
【０００９】
Ｌ３共振器は、ナノ共振器の中でもサイズが小さくＱ値が高いことが注目され、強い共振器増強効果を利用して早くからレーザ素子化が検討され。また、大容量集積が可能な光メモリとしても有望であることが報告されている。更に小型なＬ１，Ｌ２共振器については、最近までＱ値を高くする設計が見出されていなかったため、あまり注目されてこなかったが、最近従来設計のＬ３共振器よりも大幅にＱ値の高くなるＬ１，Ｌ２共振器の設計が見いだされた。例えは、Ｌ１〜Ｌ３共振器のＱ値を更に増強するため、点欠陥を配列した主軸上（主軸の延長線上）の格子要素を、点欠陥を配置している共振器中心から離れる方向（外側）にシフトさせることで、共振器基底モードのＱ値を高めることについて報告されている（特許文献１、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第６３１７２７９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】S. Matsuo, T. Sato, K. Takeda, A. Shinya, K. Nozaki, H. Taniyama, M. Notomi, K. Hasebe, and T. Kakitsuka, "Ultralow Operating Energy Electrically Driven Photonic Crystal Lasers", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 19, no. 4, 4900311, 2013.
【非特許文献２】E. Kuramochi, K. Nozaki, A. Shinya, K. Takeda, T. Sato, S. Matsuo, H. Taniyama, H. Sumikura and M. Notomi, "Large-scale integration of wavelength-addressable all-optical memories on a photonic crystal chip", Nature Photonics, vol. 8, pp. 474-481, 2014.
【非特許文献３】E. Kuramochi, E. Grossman, K. Nozaki, K. Takeda, A. Shinya, H. Taniyama, and M. Notomi, "Systematic hole-shifting of L-type nanocavity with an ultrahigh Q factor", Optics LETTERS, vol. 39, no. 19, pp. 5780-5783, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
フォトニック結晶ナノ共振器は、光の波長程度、光ファイバ通信波長ではμｍ程度の微小サイズ共振器に光を閉じ込める最小級の光素子である。一方で、通常の半導体レーザ素子は、サブｍｍからｍｍ程度の遥かに大きい共振器サイズを有する。ナノ共振器レーザの検討が進むに伴い、通常の半導体レーザでは問題にならないようなナノレーザ特有の問題が存在することが明らかになってきた。
【００１３】
例えば、レーザ素子の場合、特定の共振モードにおけるレーザの利得は、共振モード電界と活性層との相互作用によりもたらされる。共振モードには、媒質中の波長（フォトニック結晶の格子定数程度）に対応する周期性を持ったノード（節）とアンチノード（腹）とが多数存在するが、通常の半導体レーザでは、活性層内に多数のアンチノードが存在するため、個々のアンチノードの位置と素子特性との関係は希薄である。
【００１４】
一方で、例えば単一の量子ドットを活性層とするナノレーザにおいて、量子ドットが電界アンチノード部分にあるか無いかは、レーザが発振するかしないかにおいて決定的である。
【００１５】
点欠陥数が少ないＬ型共振器の場合、共振モード電界が中心付近の少数個のアンチノードに集中することになるので、これらと活性層との位置関係が重要になる。点欠陥数が奇数個（Ｌ１，Ｌ３等）のＬ型共振器の場合、フォトニック結晶の対称性により基底モードの共振器中心に１つの電界アンチノードが発生する。量子ドットあるいは非特許文献１、２に用いられている量子井戸埋込ヘテロ構造（ＢＨ）などの小さい活性層は、共振器中心に配置されるため、共振器中心がアンチノードであることはレーザなどの光デバイスの効率を高めるために都合が良い。
【００１６】
一方で、点欠陥数が偶数個（Ｌ２，Ｌ４等）のＬ型共振器の場合、フォトニック結晶の対称性により、基底モードの共振器中心は電界のノードとなる。この場合、共振器中心付近において、基底モードと活性層の相互作用が弱くなるため、特に共振器サイズが小さいＬ２型では無視できない素子効率の減少を招く恐れがあった。
【００１７】
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、２次元スラブ型のフォトニック結晶より構成され、活性層によりアクティブ動作するＬ２共振器によるレーザなどの光素子を、１次高次共振モードで動作させることを可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係るフォトニック結晶光素子は、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で三角格子状に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、フォトニック結晶の格子要素がない部分から構成された２つの点欠陥による光閉じ込め部と、光閉じ込め部に設けられた活性媒質と、光閉じ込め部を中心としてこの両側において、フォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位方向の直線上に連続する８個の格子要素からなる第１格子要素対，第２格子要素対，第３格子要素対，第４格子要素対とを備え、中心から１組目の第１格子要素対の直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．４２〜０．５倍とされ、中心から２組目の第２格子要素対の直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．２６〜０．３８倍とされ、中心から３組目の第３格子要素対の直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．１３〜０．１９倍とされ、中心から４組目の第４格子要素対の直線上で中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の−０．１〜０倍とされている。
【００１９】
上記フォトニック結晶光素子において、基部は、動作波長における屈折率が２以上の半導体から構成されている。
【００２０】
上記フォトニック結晶光素子において、活性媒質は、光閉じ込め部の中心に備えられている。
【００２１】
上記フォトニック結晶光素子において活性媒質は、電流注入により励起する。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、光閉じ込め部を中心としてこの両側の第１格子要素対，第２格子要素対，第３格子要素対，第４格子要素対を所定量シフトさせたので、２次元スラブ型のフォトニック結晶より構成され、活性層によりアクティブ動作するＬ２共振器によるレーザなどの光素子を、１次高次共振モードで動作させることが可能になるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光素子の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、実施の形態におけるフォトニック結晶光素子の、ＦＤＴＤ計算により得られた１次高次モード（ａ）および０次基底モード（ｂ）における電界の分布を示す分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態おけるフォトニック結晶光素子について図１を参照して説明する。このフォトニック結晶光素子は、基部１０２および基部１０２に対象とする光の波長以下の間隔で三角格子状に周期的に設けられて基部１０２とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素１０３を備えるフォトニック結晶本体１０１から構成されている。フォトニック結晶本体１０１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶である。格子要素１０３は、例えば円柱状の中空構造である。また、基部１０２は、インジウムリンやシリコンなどの動作波長における屈折率が２以上の半導体から構成されている。
【００２５】
また、このフォトニック結晶光素子は、フォトニック結晶本体１０１に設けられて、フォトニック結晶の格子要素１０３がない部分から構成された２つの点欠陥による光閉じ込め部１０４を備える。
【００２６】
また、光閉じ込め部１０４に、活性媒質１０５が設けられ（埋め込まれ）ている。活性媒質１０５は、例えば、光閉じ込め部１０４の中心に備えられている。本実施形態では、活性媒質１０５は、光閉じ込め部１０４に収まるサイズのＢＨ構造とする。活性媒質１０５は例えば、ＩｎＧａＡｓからなる３つの量子井戸層と、ＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層とからなる多重量子井戸構造とされている。また、活性媒質１０５は、量子井戸層ではなく、単一ないし複数の量子ドットから構成してもよい。活性媒質１０５は、ＢＨ構造に限らず、光閉じ込め部１０４を除く周囲のフォトニック結晶本体１０１に分布していてもよい。
【００２７】
活性媒質１０５と光閉じ込め部１０４による共振器とにより能動的なアクティブ光素子が構成される。実施の形態におけるフォトニック結晶光素子は、レーザである。光励起により活性層に利得を発生する場合、あるいは電流注入でもパルス発振させる場合は、従来知られているＱ値１千から１万のフォトニック結晶ナノ共振器でもレーザ発振の報告がある。一方で室温にて直流電流注入にて連続発振させる場合には、特許文献１あるいは非特許文献１，２のような共振器内部Ｑ値が数万を超えるフォトニック結晶ナノ共振器以外では発振の報告がない。従って、発振モードのＱ値を高くする本発明は、電流注入発振レーザ素子において特に重要である。
【００２８】
また、上述した光閉じ込め部１０４を中心としてこの両側において、フォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位方向の直線上に連続する８個の格子要素からなる第１格子要素対，第２格子要素対，第３格子要素対，第４格子要素対を備える。第１格子要素対は、格子要素１３１ａおよび格子要素１３１ｂから構成されている。第２格子要素対は、格子要素１３２ａおよび格子要素１３２ｂから構成されている。第３格子要素対は、格子要素１３３ａおよび格子要素１３３ｂから構成されている。第４格子要素対は、格子要素１３４ａおよび格子要素１３４ｂから構成されている。
【００２９】
なお、格子要素１３１ａと格子要素１３１ｂとは、Γ−Ｋ結晶方位方向の直線上で、共振器中心を中心として対称に配置されている。また、格子要素１３２ａと格子要素１３２ｂとは、Γ−Ｋ結晶方位方向の直線上で、共振器中心を中心として対称に配置されている。また、格子要素１３３ａと格子要素１３３ｂとは、Γ−Ｋ結晶方位方向の直線上で、共振器中心を中心として対称に配置されている。また、格子要素１３４ａと格子要素１３４ｂとは、Γ−Ｋ結晶方位方向の直線上で、共振器中心を中心として対称に配置されている。
【００３０】
格子要素１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂは、Γ−Ｋ結晶方位方向の直線上で中心から対称となる外側または内側へシフトしている。シフト方向は、図１の中で、矢印により示している。
【００３１】
まず、共振器中心から１組目の第１格子要素対（格子要素１３１ａ，１３１ｂ）の直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．４２〜０．５倍とされている。
【００３２】
ここで、１次共振モードのＱ値を、レーザ発振が得られるような高い値とするためには、第１格子要素対のシフト量は０．４０ａ以上とすればよい。一方で競合する基底モードにおける発振を抑制するため、基底モードのＱ値を１次高次共振モードよりも十分に低くする必要があり、このためには、第１格子要素対のシフト量は０．４２ａ以上とする必要がある。また、第１格子要素対のシフト量は、０．５０ａより大きくすると性能が低下し始める。従って、第１格子要素対のシフト量は０．４２ａ〜０．５ａとする。
【００３３】
また、共振器中心から２組目の第２格子要素対（格子要素１３２ａ，１３２ｂ）の直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．２６〜０．３８倍とされている。
【００３４】
また、共振器中心から３組目の第３格子要素対（格子要素１３３ａ，１３３ｂ）の直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０．１３〜０．１９倍とされている。
【００３５】
また、共振器中心から４組目の第４格子要素対（格子要素１３４ａ，１３４ｂ）の直線上で共振器中心から対称となる外側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の−０．１〜０倍とされている。この場合、言い換えると、第４格子要素対の直線上で共振器中心から対称となる内側へのシフト量は、フォトニック結晶の格子定数の０〜０．１倍とされている。第４格子要素対のシフト量は、１次共振モードのＱ値を高めるために−０．０７ａが最もよい結果となり、−０．１ａまでは、性能があまり低下しない。しかしながら、−０．１５ａになると、性能が低下する。
【００３６】
上述した各条件とすることで、実施の形態におけるフォトニック結晶光素子の１次高次モードは、１万を超えるＱ値が得られるようになり、かつ基底モードのＱ値がより低く抑えられることで、例えば、活性媒質１０５への１０μＡ程度の電流注入による励起で、１次高次モードにおけるレーザの連続発振が得られるようになる。
【００３７】
次に、シミュレーションの結果について説明する。屈折率が３．４６のシリコンから構成された基部１０２の厚さを２５０ｎｍとし、格子定数ａが４２０ｎｍ、各格子要素の穴半径ｒが１０１．５ｎｍであるとする。また、多重量子井戸構造としている活性媒質１０５は、共振器の方向の長さが９５０ｎｍ、幅が３００ｎｍとする。また、活性媒質１０５を構成する井戸層の厚さは、５ｎｍとする。
【００３８】
このフォトニック結晶光素子において、３次元ＦＤＴＤ法により共振器１次高次モードの電磁界シミュレーションを実施した（図２，参照）。第１格子要素対のシフト量ｓ１＝０．４６ａ、第２格子要素対のシフト量ｓ２＝０．３４ａ、第３格子要素対のシフト量ｓ３＝０．１６０ａ、第４格子要素対のシフト量ｓ４＝−０．７０ａとした。１次高次モードの共振器波長λ＝１５０３ｎｍにおいて、Ｑ値として８．１万が得られた。また、設計で実際に作製したサンプルにおいて、活性媒質１０５への電流注入による励起で、１次高次モードでのレーザの連続発振が得られている。
【００３９】
非特許文献３に報告されているように、Ｌ型共振器は基底モードと１次高次モードを有するが、従来技術は基底モードの利用や高Ｑ値化に注目する一方、１次高次モードの積極的利用は想定していなかった。特許文献１や非特許文献３は基底モードのＱ値を最高にする設計であって、基底モードのＱ値を抑制しつつ１次高次モードのＱ値を最高とする本発明とは異なる。
【００４０】
Ｌ型共振器の基底モードと１次高次モードは、光閉じ込め部１０４および格子要素対１３１，１３２，１３３，１３４に沿ったΓ−Ｋ結晶方位に対し、共振器中心がノードとアンチノードのどちらになるかが反転する。Ｌ２共振器の場合、基底モードの電界は奇関数となり共振器中心はノードとなるのに対し、１次高次モードの電界は偶関数となり共振器中心はアンチノードとなる。このため、Ｌ２共振器の中心付近において基底モードと活性層の相互作用は抑制される一方、１次高次モードと活性層の相互作用は増強される。
【００４１】
従来通り基底モードでレーザ発振させる設計を行った場合、上記の理由で共振器中心付近で発光効率が損なわれる。また、１次高次モードはＱ値が基底モードより低いため、レーザ発振に至ることは無いが、活性層との相互作用が強く発光再結合の効率が高いため、注入電流の一部が１次高次モードで発光再結合して消費されることで、レーザ素子効率が更に損なわれる問題があった。
【００４２】
本発明により、Ｌ２共振器の１次高次モードをレーザ発振させる場合、上記の通り共振器中心における活性層との相互作用が強いため、レーザ素子効率が高くなる。一方、基底モードでは、共振器中心における活性層との相互作用が弱いため、発光再結合による注入電流の消費は抑制される。これらの結果、総合的に、レーザ素子効率および光出力を高くすることが可能となる。
【００４３】
Ｌ２共振器の１次高次モードと光閉じ込め部における媒質ないし活性層との相互作用が強い性質は、レーザおよび発光ダイオード素子に限らず、光メモリ、光受光器、光変調器などのアクティブ光素子でも同様に素子性能を高めるため、本発明は有用である。例えばＢＨ活性層に配置する活性媒質としては、光受光器の場合は信号光を効率的に吸収し電気信号に変換できるＩｎＧａＡｓや、これを含む量子井戸などの材料、光変調器、光スイッチ、光メモリ等の光素子においては光非線形性の高いＩｎＧａＡｓＰなどの材料が用いられる。
【００４４】
Ｌ２共振器の共振器中心が基底モード電界のノードとなり、１次高次モード電界のアンチノードとなる性質は、Ｌ４およびＬ６共振器でも共通である。本発明の格子要素対のシフトは、Ｌ２共振器に限定したものであるが、同様のＱ値制御が実現されれば、Ｌ４およびＬ６共振器による光素子でも同様の効果が得られる。但し、それらでは、光閉じ込め部がより大きく、ここに基底モード・１次高次モード共に複数の電界アンチノードが含まれるようになるため、Ｌ２共振器に比べれば本発明の効果は限定的で不明瞭になる。
【００４５】
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】
【００４６】
１０１…フォトニック結晶本体、１０２…基部、１０３…格子要素、１０４…光閉じ込め部、１０５…活性媒質、１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ…格子要素。
【図１】
2020009965.tif 000003
【図２】
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