(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトケミカルエッチング層を形成するシリコンを使ったシリコン系光デバイスであって、
上記フォトケミカルエッチング層に入射される入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段と、
上記フォトケミカルエッチング層に入射される制御光を規定回りの円偏光に設定するための手段と、
上記入力光に応答して上記フォトケミカルエッチング層から出力される出力光に含まれる上記円偏光成分を取り出すための手段とを備えることを、
特徴とするシリコン系光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載のシリコン系光デバイスにおいて、
入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段として、直線偏光に設定するための手段が用いられるように構成されることを、
特徴とするシリコン系光デバイス。
【請求項３】
請求項１記載のシリコン系光デバイスにおいて、
入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段として、円偏光に設定するための手段が用いられるように構成されることを、
特徴とするシリコン系光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新たな光電子集積回路の実現を可能にするとともに、新たな光演算デバイスの実現を可能にするシリコン系光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、非線形効果を示す光ファイバなどを利用した光デバイスや、特殊な積層構造を持つ化合物半導体などを利用した光デバイスといったように、様々な光デバイスが提案されている。
【０００３】
しかしながら、これまで提案されている光デバイスの材料として、シリコンを用いるものは提案されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
将来実現されるであろう光電子集積回路は、光と電子集積回路とを集積化したものである。電子集積回路に用いられている主たる材料はシリコンであり、これから、将来実現されるであろう光電子集積回路で用いられる光デバイスとして、シリコンを使ったものが要求されることが予想される。
【０００５】
これから、シリコンを用いない従来の光デバイスは、将来実現されるであろう光電子集積回路には適用できない。そこで、現在、シリコンを用いた光デバイスの実現が要求されている。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シリコンを用いた新たな光デバイスの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シリコンを使った可視発光素子を実現するために、フォトケミカルエッチング法を提案している。
【０００８】
図１に、本発明者らが提案している、このフォトケミカルエッチング法の説明図を示す。
【０００９】
この図に示すように、本発明者らが提案しているフォトケミカルエッチング法では、底に穴の開いた容器に、その穴を塞ぐようにと、ｎ(100)30 〜60Ωcmのシリコン基板を設置する。そして、フッ化水素酸溶液(50wt%) と過酸化水素水(31wt%) で体積比100:17の混合液をシリコンのエッチャントとして容器に満たし、シリコン基板表面と接触させる。そして、そのシリコン基板表面に、溶液を通してＨe-Ｎe laser(633nm,18.4mW/cm2）を３０分照射して、光化学反応によりシリコンをエッチング（厚さ300nm 程度になる) する。
【００１０】
このようにしてエッチングされた領域（以下、フォトケミカルエッチングシリコンと称する）に励起光を照射すると、その領域が可視発光することが確認されている。
【００１１】
今回、このフォトケミカルエッチングシリコンに、右円偏光の励起光を照射すると、右円偏光成分の光がより多く発光し、一方、左円偏光の励起光を照射すると、左円偏光成分の光がより多く発光することが明らかとなった。すなわち、光の偏光状態が保存されることが明らかとなった。
【００１２】
図２に、この検証に用いた実験装置の光学系を図示する。
【００１３】
ここで、座標軸として、励起レーザー光およびフォトケミカルエッチングシリコンからの発光の光の進行方向をｚ軸とし、紙面に向かう垂直方向をｙ軸とし、水平方向がｘ軸となる右手座標系を考える。また、ｘ軸、ｙ軸上のみに電場の振動がある直線偏光の強度をそれぞれＩx,Ｉy とし、ｘ軸から４５度と１３５度に電場の振動がある直線偏光の強度をそれぞれＩ45, Ｉ135 とする。また、光の進行するｚ軸方向に対して電場の振動軸が右と左に回転している光の強度をそれぞれＩσ+,Ｉσ- とする。
【００１４】
励起光源としてＡr + laser(488nm)を用い、偏光子Ｂを通過させてＩx 成分のみの直線偏光を生成する。直線偏光は、その振動電場に対して４５度あるいは１３５度の角度に進相軸が位置するようなλ／４波長板Ｂを通ることで、右円偏光Ｉσ+ あるいは左円偏光Ｉσ- となる。励起光は、サンプル（フォトケミカルエッチングシリコン）の法線方向に対して６０度の角度で入射する。
【００１５】
フォトケミカルエッチングシリコンからの可視発光はレンズにより集光され、λ／４波長板Ａと偏光子Ａを通過し、再びレンズで集光して分光器に取り込まれる。分光された後、光電子倍増管とロックインアンプとを使って、波長ごとの発光強度を測定する。但し、ノイズ低減のために、ロックインアンプと励起レーザー光はチョッパにより同期されている。また、フォトルミネッサンス測定中では、サンプルを真空（１０-2 torr 程度) で２９０Ｋから２０Ｋの範囲で温度を変化させた。
【００１６】
光の偏光状態をよく記述するストークスパラメータ〔Ｓ' 0,Ｓ' 1,Ｓ' 2,Ｓ' 3 〕を算出するために、右・左円偏光励起で、▲１▼λ／４波長板Ａがなく偏光子Ａのみでの発光強度Ｉx,Ｉy,Ｉ45を測定し、▲２▼λ／４波長板Ａの進相軸と偏光子Ａの偏光軸とが４５度になるように設定してＩQ,45を測定する。但し、測定▲２▼では、偏光子Ａの角度を測定▲１▼のＩ45の測定時と一致させている。
【００１７】
ＩQ,45は、発光中の右円偏光成分がλ／４波長板Ａと偏光子Ａを透過したときの発光強度であり、また、波長板の透過率により補正している。
【００１８】
ストークスパラメータ〔Ｓ' 0,Ｓ' 1,Ｓ' 2,Ｓ' 3 〕は、図３（ａ）に示す式で計算することができるが、この実験では、〔Ｓ' 0,Ｓ' 1,Ｓ' 2,Ｓ' 3 〕をＳ' 0 で除算した図３（ｂ）に示すストークスパラメータ〔Ｓ1,Ｓ2,Ｓ3 〕を用いている。
【００１９】
ストークスパラメータＳ3 は、発光に含まれる右円偏光と左円偏光の成分の差であり、左円偏光成分よりも右円偏光成分が多いときには正の値をとり、逆に、右円偏光成分よりも左円偏光成分が多いときには負の値をとることが知られている。
【００２０】
図４に、図２の実験装置を使って得た、Ａr + laser による右円偏光励起でのフォトケミカルエッチングシリコンの可視発光スペクトルの温度依存性の実験結果（図中の実線）と、Ａr + laser による左円偏光励起でのフォトケミカルエッチングシリコンの可視発光スペクトルの温度依存性の実験結果（図中破線）とを示す。
【００２１】
この発光スペクトルの各発光波長に対する発光強度でストクースパラメータ〔Ｓ1,Ｓ2,Ｓ3 〕を算出した。
【００２２】
図５に、９０Ｋでの右円偏光励起におけるストクースパラメータＳ3 （図中の実線）と、９０Ｋでの左円偏光励起におけるストクースパラメータＳ3 （図中の破線）とを図示する。
【００２３】
この実験結果は、右円偏光σ+ で励起すると、フォトケミカルエッチングシリコンから右円偏光成分が多い可視光が発光され、逆に、左円偏光σ- で励起すると、フォトケミカルエッチングシリコンから左円偏光成分が多い可視光が発光されることを示している。
【００２４】
すなわち、フォトケミカルエッチングシリコンからの可視発光では、励起光の偏光に応じた形態で光の偏光状態が保存されることが明らかとなった。
【００２５】
このフォトケミカルエッチングシリコンの持つ光の偏光状態の保存特性を用いると、様々なシリコン系光デバイスを実現できる可能性がある。その１つとして、シリコン系全光スイッチを実現できる。
【００２６】
図６に、本発明により実現できるシリコン系全光スイッチの一例を図示する。この図に示す構成が光スイッチとして動作することについて検証を行ったので、次に、それについて説明する。
【００２７】
ここで、図中、１は図１で説明したフォトケミカルエッチング法によりシリコン基板上に形成されたフォトケミカルエッチングシリコン、２は入力光を発生するＨe-Ｎe laser(1.96eV,18.4mW/cm2 ）、３は制御光を発生するＡr + laser(2.54eV,64 μW/mm2 ）、４は入力光及び制御光を直線偏光させる偏光子、５は偏光子４を透過した入力光を反射させてフォトケミカルエッチングシリコン１の表面に対して４５度の角度で入射させる光学ミラー、６は光学ミラー５により反射された入力光を絞り込むスリット、７は偏光子４により直線偏光された制御光を右円偏光にしたり左円偏光にしてフォトケミカルエッチングシリコン１の表面に垂直に照射するλ／４波長板、８はフォトケミカルエッチングシリコン１の表面で反射された出力光（入力光の反射されたもの）を入力とするλ／４波長板、９はλ／４波長板８を透過した出力光を入力とする偏光子、１０は偏光子９を透過した出力光の光強度を測定する光検知器である。
【００２８】
ここで、λ／４波長板８の進相軸を偏光子９の偏光軸に対して４５度の角度で配置しているので、出力光の左円偏光成分についてはλ／４波長板８・偏光子９によりカットされ、一方、出力光の右円偏光成分については透過することになる。
【００２９】
この構成に従って、Ａr + laser ３による制御光については、偏光子４とλ／４波長板７とを使って、右円偏光と左円偏光に偏光（順番に作成される）されて、フォトケミカルエッチングシリコン１の表面に垂直に照射される。一方、Ｈe-Ｎe laser ２による入力光については、偏光子４により直線偏光とされて、光学ミラー５により反射されることで、フォトケミカルエッチングシリコン１の表面に対して４５度の角度で入射される。
【００３０】
入力光の反射光として定義される出力光については、λ／４波長板８・偏光子９を透過した後、光検知器１０により光強度が測定される。このとき、λ／４波長板８の進相軸が偏光子９の偏光軸に対して４５度の角度で配置されているので、λ／４波長板８・偏光子９を透過する出力光の内、左円偏光成分についてはカットされ、右円偏光成分については透過することになる。
【００３１】
図７（ａ）に、この条件下で、右円偏光σ+ の制御光を照射したときに測定した出力光の光強度の測定結果と、左円偏光σ- の制御光を照射したときに測定した出力光の光強度の実験結果とを図示する。ここで、図７（ａ）中に示すπは直線偏光を示している。
【００３２】
λ／４波長板８と偏光子９の配置形態に従って、理論的には、左円偏光成分についてはカットされることになるが、実験結果では３3.７ｎＷ検出されており、これが検出ノイズと考えられる。従って、右円偏光σ+ の制御光の照射に応答して、６ｎＷ(=39.7-33.7)の光強度を持つ右円偏光成分が出力されたと考えることができる。
【００３３】
同様に、λ／４波長板８と偏光子９を使って右円偏光成分をカットする配置で実験を行ったところ、左円偏光σ- の制御光の照射に応答して、左円偏光成分が出力されることが確認できた。
【００３４】
すなわち、フォトケミカルエッチングシリコン１の持つ光の偏光状態の保存特性に従って、図７（ｂ）に示すような論理の全光スイッチング効果を実現できることが検証できたのである。
【００３５】
この全光スイッチング効果の現象は、定性的には、図８に示すようなモデルで説明できるものと思われる。
【００３６】
すなわち、右円偏光σ+ の制御光は、図中のＥxcitation Ａに示すように、上向きスピンの電子と下向きスピンのホールとをフォトケミカルエッチングシリコン１（図中に示すP-CE Silicon）内に形成する。
【００３７】
このＥxcitation Ａを持つフォトケミカルエッチングシリコン１では、左円偏光σ- が入射されると、図中のＥxcitation Ｂに示すように、そのＥxcitation Ａを打ち消す形の下向きスピンの電子と上向きスピンのホールとをフォトケミカルエッチングシリコン１内に形成することで、その左円偏光σ- を吸収するように動作する。
【００３８】
一方、直線偏光の入力光は、右円偏光成分と左円偏光成分とを含み、直線偏光の光を入力光として入射するということは、右円偏光の光と左円偏光の光とを同時に入射した状態と等価であると考えられる。
【００３９】
これから、フォトケミカルエッチングシリコン１に右円偏光の制御光と直線偏光の入力光とが入射されると、反射光として、右円偏光の出力光が形成されることになる。
【００４０】
その結果、図６に示した本発明により実現できるシリコン系全光スイッチにより、図７（ｂ）に示すような論理の全光スイッチング効果を実現できることになるのである。
【００４１】
このようにして、本発明は、フォトケミカルエッチング層を形成するシリコンを使ってシリコン系光デバイスを構成するときにあって、そのフォトケミカルエッチング層に入射される入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段と、そのフォトケミカルエッチング層に入射される制御光を規定回りの円偏光に設定するための手段と、入力光に応答してそのフォトケミカルエッチング層から出力される出力光に含まれるその円偏光成分を取り出すための手段とを備えることで、例えば、図６に示すようなシリコン系全光スイッチを実現できるようになるのである。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。
【００４３】
図９に、後述する全光構成の排他的論理和ゲート装置を実現するために用いられる、本発明で構成されるシリコン系光デバイスの一例を図示する。
【００４４】
この図９に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスは、フォトケミカルエッチングシリコン１の表面にある角度で入射される円偏光の入力光の反射光を出力光とする構成を採るときにあって、右円偏光か左円偏光の制御光を、そのフォトケミカルエッチングシリコン１の表面に垂直に照射するという構成を採っている。
【００４５】
この図９に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスと、図６に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスとの違いは、図６に示すものでは、直線偏光の入力光を用いるのに対して、図９に示すものでは，円偏光の入力光を用いるという点である。
【００４６】
この構成上の違いにより、図９に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスは、図１０に示すような動作特性を示すことになる。
【００４７】
すなわち、（イ）入力光が右円偏光σ+ されている場合にあって、制御光が右円偏光σ+ されている場合には、右円偏光σ+ の出力光を出力し、（ロ）入力光が左円偏光σ- されている場合にあって、制御光が右円偏光σ+ されている場合には、減衰した出力光を出力し、（ハ）入力光が右円偏光σ+ されている場合にあって、制御光が左円偏光σ- されている場合には、減衰した出力光を出力し、（ニ）入力光が左円偏光σ- されている場合にあって、制御光が左円偏光σ- されている場合には、左円偏光σ- の出力光を出力するという、動作特性を示すことになる。
【００４８】
図８に示したモデルから分かるように、入力光が左円偏光σ- されている場合には、フォトケミカルエッチングシリコン１内にＥxcitation Ｂの状態が形成されており、このとき、右円偏光σ+ の制御光が照射されると、Ｅxcitation Ｂの状態を打ち消すＥxcitation Ａが形成されることで、減衰した出力光を出力することになるのである。
【００４９】
そして、図８に示したモデルから分かるように、入力光が右円偏光σ+ されている場合には、フォトケミカルエッチングシリコン１内にＥxcitation Ａの状態が形成されており、このとき、左円偏光σ- の制御光が照射されると、Ｅxcitation Ａの状態を打ち消すＥxcitation Ｂが形成されることで、減衰した出力光を出力することになるのである。
【００５０】
図１１に、図９に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスを組み合わせることで構成される全光構成の排他的論理和ゲート装置の一例を図示する。
【００５１】
ここで、この図１１では、図１２に示すような表記形式に従って、図９に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスを図示してある。なお、シリコン系光デバイス同士の光接続については、光学ミラーのようなものを用いてもよいし、光ファイバのようなものを用いてもよいし、集積化された光導波路のようなものを用いてもよい。
【００５２】
図中に示す制御光Ａと制御光Ｂは、右円偏光σ+ か左円偏光σ- のいずれかであり、任意に選ぶことができる。また、Ａの上にバーがある記号（以下、not Ａと記することがある）は、Ａの偏光の逆回転を示し、Ｂの上にバーがある記号（以下、not Ｂと記することがある）は、Ｂの偏光の逆回転を示す。なお、not Ａやnot Ｂについては、λ／４波長板を２枚作用させることで容易に作成することができる。
【００５３】
図１１に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置は４つの出力ポート▲１▼〜▲４▼を有しており、出力ポート▲１▼に対応付けられる入力ポートには右円偏光σ+ が定常的に入力され、出力ポート▲２▼に対応付けられる入力ポートには左円偏光σ- が定常的に入力され、出力ポート▲３▼に対応付けられる入力ポートには右円偏光σ+ が定常的に入力され、出力ポート▲４▼に対応付けられる入力ポートには左円偏光σ- が定常的に入力されることになる。
【００５４】
このように構成される図１１に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置では、制御光Ａが右円偏光σ+ で、制御光Ｂが右円偏光σ+ である場合には、図１０に示した動作特性（図９に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスの動作特性）に従って、出力ポート▲１▼のみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は右円偏光σ+ となる。
【００５５】
一方、制御光Ａが右円偏光σ+ で、制御光Ｂが左円偏光σ- である場合には、図１０に示した動作特性に従って、出力ポート▲４▼のみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は左円偏光σ- となる。
【００５６】
一方、制御光Ａが左円偏光σ- で、制御光Ｂが右円偏光σ+ である場合には、図１０に示した動作特性に従って、出力ポート▲２▼のみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は左円偏光σ- となる。
【００５７】
一方、制御光Ａが左円偏光σ- で、制御光Ｂが左円偏光σ- である場合には、図１０に示した動作特性に従って、出力ポート▲３▼のみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は右円偏光σ+ となる。
【００５８】
このようにして、図１１に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置は、４つの出力ポート▲１▼〜▲４▼の内の１つに出力を出す形態に従って、円偏光の制御光を演算対象として、図１３に示すような排他的論理和の演算を行うように動作する。
【００５９】
実際には、この後段に、出力光が右円偏光σ+ であるのか左円偏光σ- であるのかを検出するための構成が用意されることになる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したことから分かるように、本発明によれば、フォトケミカルエッチングシリコンの持つ光の偏光状態の保存特性を使った様々な演算機能を実現可能とするシリコン系の光デバイスを実現できるようになることで、新たな光電子集積回路の実現への道が開かれることとなるとともに、新たな光演算デバイスの実現への道が開かれることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォトケミカルエッチング法の説明図である。
【図２】フォトケミカルエッチングシリコンが光の偏光状態を保存することの検証に用いた実験装置の光学系の説明図である。
【図３】ストークスパラメータの説明図である。
【図４】フォトケミカルエッチングシリコンの可視発光スペクトルの説明図である。
【図５】右円偏光励起のストクースパラメータＳ3 の実験結果と、左円偏光励起のストクースパラメータＳ3 の実験結果の説明図である。
【図６】本発明により実現できるシリコン系全光スイッチの一例である。
【図７】本発明により実現できるシリコン系全光スイッチの動作特性の実験結果と、それをモデル化した動作特性の説明図である。
【図８】フォトケミカルエッチングシリコンの持つ光の偏光状態の保存特性を説明するためのモデルの説明図である。
【図９】本発明で構成されるシリコン系光デバイスの一例である。
【図１０】図９に示すシリコン系光デバイスの動作説明図である。
【図１１】図９に示すシリコン系光デバイスを組み合わせることで構成される全光構成の排他的論理和ゲート装置の説明図である。
【図１２】図９に示すシリコン系光デバイスの表記形式の説明図である。
【図１３】図１１に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置の動作特性の説明図である。
【符号の説明】
１    フォトケミカルエッチングシリコン
２    Ｈe-Ｎe laser
３    Ａr + laser
４    偏光子
５    光学ミラー
６    スリット
７    λ／４波長板
８    λ／４波長板
９    偏光子
１０  光検知器
【図１】
0003660987.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003660987.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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