(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇順に基板、ボタム反射ミラー、アクティブ層、及びトップ反射ミラーから成る発光デバイスであって、前記ボタム反射ミラーとトップ反射ミラーが前記アクティブ層を囲むファブリペロ空胴を形成し、
前記アクティブ層が原子番号５７から７１までのランタニド系列の元素から選択された希土類元素にてドープされたガラスからなり、アクティブ層の厚さがλ／２の整数倍であり、ここで、λがこのデバイスの動作（或は放射）波長であり、前記の整数が１から５までの範囲の一つであり、該空胴の基本モードが前記の選択された希土類元素の放射波長と共振するものであることを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記の希土類元素がエルビウムから成ることを特徴とする請求項１の発光デバイス。
【請求項３】
前記アクティブ層がＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ケイ酸リンガラス、ケイ酸ホウ素ガラス、ケイ酸ホウ素リンガラス、ケイ酸ホウ素アルミニウムガラス、酸化ゲルマニウムガラス、テルル酸化物ガラス、フッ化物ガラス、及びＳｉ３ Ｎ４ から成る一群から選択された材料から成ることを特徴とする請求項１の発光デバイス。
【請求項４】
前記のミラーが空胴の前記の基本モードを提供するように分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラー、金属ミラー、導電酸化物ミラー、及びこれらの組合わせから選択されることを特徴とする請求項１の発光デバイス。
【請求項５】
前記ボタム反射ミラーとトップ反射ミラーの各々がＤＢＲミラーから成り、ＤＢＲミラーが各々複数のペアの層から構成され、各層の厚さがλ／４に等しく、各ペアの一つが他方よりも高い屈折率を持ち、ある屈折率を持つ各ミラーの一つの層がこのある屈折率より低い異なる屈折率を持つアクティブ層に隣接し、
ボタムＤＢＲミラー内のペアの層の数が２から１０までの範囲であり、トップＤＲＢミラー内のペアの層の数がボタムＤＢＲミラー内のペアの層の数よりも小さく、１から４までの範囲であり、さらに
トップＤＢＲミラー上にキャッピング層が存在することを特徴とする請求項１の発光デバイス。
【請求項６】
前記ボタム反射ミラーとトップ反射ミラーの各々はＤＢＲミラーからなり、該ＤＢＲミラーが各々はペアの層から構成され、該ＤＢＲミラーの前記層の材料が各ペアの二つの層が異なる屈折率を持つようにＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、及びＴｉＯ２ から成る一群から選択されることを特徴とする請求項１の発光デバイス。
【請求項７】
前記アクティブ層の材料がＳｉＯ２ から成ることを特徴とする請求項６の発光デバイス。
【請求項８】
層の各ペア内の一つの層がＳｉＯ２ から成り、このペアのもう一つの層がＳｉから成ることを特徴とする請求項６の発光デバイス。
【請求項９】
アクティブ層がＳｉ０２から成り、ボタムＤＢＲ反射ミラー内の層が基板に隣接するＳｉＯ２ から始まり、アクティブ層に隣接するＳｉＯ２にて終端し、そして
トップＤＢＲ反射ミラー内の層がアクティブ層に隣接するＳｉから始まることを特徴とする請求項６の発光デバイス。
【請求項１０】
ボタムＤＢＲミラー内の層のペアの数が４であり、トップミラー内の層のペアが２．５であり、これにキャッピング層として機能する上側層が加わることを特徴とする請求項９の発光デバイス。
【請求項１１】
前記希土類元素がエルビウムから成り、前記デバイスが約１．５μｍの波長において自然光ルミネセンス能力を持つことを特徴とする請求項９のデバイス。
【請求項１２】
昇順に基板、ボタム分散ブラッグ器（ＤＢＲ）ミラー、アクティブ層、及びトップ分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーから成る発光デバイスであって、該ボトムＤＢＲミラーとトップＤＢＲミラーが、前記アクティブ層を囲むファブリペロ空胴を形成し、
前記アクティブ層が原子番号５７から７１までのランタニド系列の元素から選択された希土類元素にてドープされたガラス様の材料であり、このアクティブ層の厚さがλ／２の整数倍であり、ここで、λがこのデバイスの動作波長であり、前記の整数が１から５までの範囲の一つであり、該空胴の基本モードが前記の選択された希土類元素の放射波長と共振するものであり、
前記ＤＢＲミラーが各々複数のペアの層から成り、各層の厚さがλ／４に等しく、各ペアの一つの層が他方の層よりも高い屈折率を持ち、ある屈折率を持つ各ミラーの一つの層が異なる屈折率を持つアクティブ層に隣接し、
前記のボタムＤＢＲミラー内の層のペアの数が２から１０までの範囲であり、前記トップＤＢＲミラー内の層のペアの数がボタムＤＢＲミラー内の層のペアの数よりも小さく、１から４までの範囲であり、さらに
トップＤＢＲミラーの上にキャッピング層が存在することを特徴とする発光デバイス。
【請求項１３】
前記アクティブ層の材料が二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、ケイ酸リンガラス、ケイ酸ホウ素ガラス、ケイ酸ホウ素リンガラス、酸化ゲルマニウムガラス、テルル酸化物ガラス、フッ化物ガラス、及びＳｉ３ Ｎ４ から成る一群から選択された材料から成ることを特徴とする請求項１２の発光デバイス。
【請求項１４】
前記の希土類元素がエルビウムから成ることを特徴とする請求項１３の発光デバイス。
【請求項１５】
前記アクティブ層の材料がＳｉＯ２ から成ることを特徴とする請求項１２の発光デバイス。
【請求項１６】
前記ボタムとトップＤＢＲミラーの前記の層の材料が各ペア内の二つの層が異なる屈折率を持つようにＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、及びＴｉＯ２ から成る一群から選択されることを特徴とする請求項１２の発光デバイス。
【請求項１７】
層の各ペア内の一つの層がＳｉＯ２ から成り、このペアのもう一つの層がＳｉから成ることを特徴とする請求項１２の発光デバイス。
【請求項１８】
アクティブ層がＳｉＯ２ から成り、ボタムＤＢＲミラー内の層が基板に隣接するＳｉＯ２ から始まり、アクティブ層に隣接するＳｉにて終端し、前記トップＤＢＲミラー内の層がアクティブ層に隣接するＳｉから始まることを特徴とする請求項１２の発光デバイス。
【請求項１９】
ボタムＤＢＲミラー内の層のペアの数が４であることを特徴とする請求項１８の発光デバイス。
【請求項２０】
トップＤＢＲミラー内の層のペアの数が２．５で、これにキャッピング層として機能する上側層が加わることを特徴とする請求項１８の発光デバイス。
【請求項２１】
前記希土類元素がエルビウムから成り、前記デバイスが約１．５μｍの波長において自然光ルミネセンス能力を持つことを特徴とする請求項１２のデバイス。
【請求項２２】
基板の上にボタム反射器ミラー、アクティブ層及びトップ反射器ミラーを含む発光デバイスであって、前記アクティブ層がエルビウムにてドープされたガラスからなり、このアクティブ層の厚さがλ／２の整数倍であり、ここで、λがデバイスの動作波長であり、この整数が１から５までの範囲の数の一つであり、前記ボタム反射ミラーとトップ反射ミラーにより形成されそして前記アクティブ層を囲むファブリペロ空胴の基本モードがエルビウムの放射波長と共振することを特徴とする発光デバイス。
【請求項２３】
前記アクティブ層の材料がＳｉＯ２ から成ることを特徴とする請求項２２の発光デバイス。
【請求項２４】
前記のトップとボトムミラーの各々が複数のペアの層から成る分散ブラッグ反射器ミラーであり、各ペアの一つの層がそのペアの他方の層よりも高い屈折率を持ち、各層の厚さがλ／４であり、ボトムミラー内の層のペアの数はトップミラー内の層のペアの数より多いことを特徴とする請求項２２の発光デバイス。
【請求項２５】
層の各ペア内の一つの層がＳｉＯ２ から成り、各ペアのもう一つの層がＳｉから成ることを特徴とする請求項２２の発光デバイス。
【請求項２６】
アクティブ層の材料がＳｉＯ２ から成り、ボタムＤＢＲミラーが４つのペアの層を持ち、トップＤＢＲミラーが２．５ペアの層とキャッピング層として機能するトップミラーの最も上の層を持つことを特徴とする請求項２５の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ファブリペロ空胴内に希土類元素にてドープされたアクティブ領域を持つ光学デバイス、より詳細には、エルビウムにてドープされたアクティブ領域を持つデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス内へのメンデレーエフの周期表の原子番号５７から７１までの元素のランタニド系列の希土類イオンの導入は光ファイバレーザ及び増幅器の開発につながった。現在の興味は１．５μｍ信号波長で動作する光ファイバ増幅器の製造のためのエルビウムにてドープされたファイバに向けられている。これらファイバ増幅器は、典型的には、Ｅｒにて１０から１００ｐｐｍの濃度にてドープされる。このような増幅器の製造及び動作の原理に関してはＷ．Ｊ．Miniscalco（ミニスカルコ）によってジャーナルオブライトウエーブテクノロジ（Journal of Lightwave Technology ）、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．２（１９９１年２月号）、ページ２３４−２４９に掲載の論文『１５００ｎｍにて動作するファイバ増幅器のためのエルビウムにてドープされたガラス（Erbium-Doped Glasses for Fiber Amplifier at 1500 nm ）』を参照すること。最近になってＡ．Polman（ポールマン）らによってプレーナ導波路及び増幅器がＥｒを薄いＳｉＯ2 の膜内に１０2 から１０4 ｐｐｍの濃度にて移入することによって形成されることが示された。これら導波路は、典型的には、２μｍの厚さ、５μｍの幅及び５ｃｍの長さを持つ。これに関しては、ここに参考のために編入されているＡ．Polmanらによってジャーナルオブアプライドフィジクス（Journal of Applied Physics）、Ｖｏｌ．７０、Ｎｏ．７（１９９１年１０月１日号）、ページ３７７８−３７８４に掲載の論文『導波路材料のＭｅＶＥｒ打込みによる光学ドーピング（Optical Doping of Waveguide Materials by MeV Rr Implantation）』、及び１９９１年８月１３日付けでＡ．Polmanらに交付された合衆国特許第５，０３９，１９０号を参照すること。Ａ．PolmanらはＥｒが透明の導波路材料の薄膜内にＭｅＶ打込みを使用して導入できることを示す。Polmanらによる透明の導波路材料の膜内の例えばＳｉＯ2 、ケイ酸リンガラス、及びＳｉ3 Ｎ4 内へのＭｅＶ打込みを使用しての打込みドーピングは結果として１５ｍｓまでの寿命を持つ１．５μｍ波長を中心とする鋭いピークの光ルミネセンススペクトルを与える。光増幅器の動作はＥｒの１．５μｍ励起状態からの刺激された放射に依存し、増幅の効率はこのレベルからの自然放射速度の寿命に依存する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プレーナ導波路レーザ及び光学増幅器とは別に、光学利得、或は刺激された放射の原理に依存しないプレーナ発光デバイスに対する潜在的な興味が存在する。エルビウムはアクティブ元素として１．５μｍ領域にて動作するデバイスに対する最も約束された選択であると思われる。これはこの内部４ｆ電子状態（intra-4f electronic state ）間の１．５μｍ光学遷移のためであり、これは回りのホストによって殆ど混乱されない。平坦でない（non-planar）１．５μｍ発光デバイス、例えば、光ファイバレーザは、様々な通信システム内に好都合に使用することができるが、但し、平坦でないデバイスが簡単に或は都合よく使用できないような発光デバイスに対する多くの潜在的な分野が存在する。例えば、発光デバイスを電子或はオプトエレクトロニックデバイス或は構造と集積することが、このような集積が結果としてコストの低減、頑丈さ或は速度の大きな向上につながることが期待されるために望まれる。このような集積は効率的なプレーナ１．５μｍ発光デバイスが入手できると実現が楽になる。さらに、このような発光デバイスの提供は完全に集積されたオプティクスに向けての重要な進歩であり；これらデバイスがこれらのよりコンパクトな特性及び機械的な安定性のためにプレーナでないデバイスに対する望ましい代替として期待され、光通信システム内で用途を見つける可能性が大きい。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は二つの反射性ミラーによって形成されるファブリペロ空胴及び原子番号５７から７１までのランタニド系列の元素から選択された希土類元素にてドープされたアクティブ層を持つ光学デバイスを提供する。アクティブ層の厚さはλ／２の整数倍とされる。ここで、λはデバイスの動作、或は放射波長である。この整数は１から５までの数の一つとされ、空胴の基本モードが選択された希土類元素の放射波長と共振するようにされる。
【０００５】
本発明の一例においては、Ｓｉ基板上に成長されたファブリペロマイクロ空胴は二つのＳｉ／ＳｉＯ２ 分散ブラッグ反射器及び一つのＥｒにてドープされたＳｉＯ２ のアクティブ領域から構成される。Ｅｒが空胴の中央ＳｉＯ２ 層内に導入される。空胴の基本モードはＳｉＯ２ 内のＥｒ３＋原子の４ｆ電子遷移の１．５５μｍ放射と共振する。このマイクロ空胴内のＥｒにてドープされたＳｉＯ２ アクティブ領域からの放射特性は空胴を持たない構造と比較して自然放射強度及びスペクトル純度を含めて劇的に変化する。Ｅｒからの１．５μｍ放射の制御はＥｒの励起によって達成される。
本発明の一例では２つの反射ミラーは、ボタム反射ミラーとトップ反射ミラーからなり、アクティブ層がガラス様の材料から選択され、ボタム反射ミラーとトップ反射ミラーの各々がＤＢＲミラーから成り、ＤＢＲミラーが各々複数のペアの層から構成され、各層の厚さがλ／４に等しく、各ペアの一つが他方よりも高い屈折率を持ち、ある屈折率を持つ各ミラーの一つの層がこのある屈折率より低い異なる屈折率を持つアクティブ層に隣接し、ボタムＤＢＲミラー内のペアの層の数が２から１０までの範囲であり、トップＤＲＢミラー内のペアの層の数がボタムＤＢＲミラー内のペアの層の数よりも小さく、１から４までの範囲であり、さらにトップＤＢＲミラー上にキャッピング層が存在する。
本発明の一例ではＤＢＲミラーの前記層の材料が各ペアの二つの層が異なる屈折率を持つようにＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、及びＴｉＯ２ から成る一群から選択される。
構造的にアクティブ層がＳｉ０２から成り、ボタムＤＢＲ反射ミラー内の層が基板に隣接するＳｉＯ２ から始まり、アクティブ層に隣接するＳｉＯ２にて終端し
、そしてトップＤＢＲ反射ミラー内の層がアクティブ層に隣接するＳｉから始まる。
【０００６】
【実施例】
プレーナ発光デバイス（planar light-emitting devices ）の応用性は、例えば、デバイスの発光表面（light-emitting surface）に垂直に沿って測定された出力光パワーとデバイスを励起するために必要とされる光学パワーの比として定義される光出力の効率、及びデバイスのスペクトルの純度（spectral purity ）に大きく依存する。効率及びスペクトル純度の両方ともかなり大きな部分が励起された希土類イオンのその中に光子が放射される光学モードへの結合に依存する。従って、アクティブ要素としてある選択された希土類を含むデバイスの制御、つまり、効率及びスペクトル純度の向上は、利用できる光学モードの制御及び励起された希土類イオンから自然に放射される光子への結合によって実現される。
【０００７】
原子の自然放射の速度（spontaneous emission rate ）はこれが光学空胴内に置かれたとき修正できることが昔から知られている。これは原子の空胴の単一フィールドモード（single field mode ）との共振結合によって引き起こされる。この効果は最初リュードベリ状態（Rydberg state ）の原子ビームを使用してマイクロ波領域において実演された。今日における半導体ヘテロ構造製造分野での進展は電子ルミネセントの寿命及び強度の変化がその中で観察される共振マイクロ空胴の製造を可能にしている。
【０００８】
図１には自然発光能力を持つ光学デバイス１０の略図が示される。デバイス１０は昇番順に基板１１、ボタム反射ミラー１２、アクティブ層１３、及びトップ反射ミラー１４を含む。基板は集積回路に使用される幾つかの材料、例えば、半導体、ガラス、セラミック等であり得る。多くの集積回路がＳｉ基板上に成長されるためにＳｉは特に有効である。
【０００９】
アクティブ層１３は、光励起を受けた場合、自然ルミネセンスの能力を持たないか、或はそのルミネセンスが非常に小さな値であり発光性でないと見なされるような材料から成る。ガラス、例えば、ＳｉＯ2 、ケイ酸リン（phosphosilicate ）ガラス、ケイ酸ホウ素（borosilicate）ガラス、ケイ酸ホウ素リン（borophosphesilicate ）ガラス、ケイ酸ホウ素アルミニウム（boronaluminum silicate）ガラス、酸化ゲルマリウム（germanate ）ガラス、酸化テルルガラス（tellurite glass ）、フッ化物ガラス（fluoride glass）及び酸化物、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、或は窒化物、例えば、Ｓｉ3 Ｎ4 等のようなガラスに似た材料は自然ルミネセンス能力を持たない材料に属し、一方、正四面体的に結合された半導体材料、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、半導体材料、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、及び導電酸化物、例えば、ＣｄＳｎＯ3 及びＩｎＳｎＯ3 は後者、つまり、ルミネセンスの値が非常に弱い材料に属する。
【００１０】
アクティブ層１３は原子番号５７から７１までの元素のランタニド系列の希土類元素のイオンにてドープされる。アクティブ層の材料に応じてドーパントが周知の方法によって、例えば、打込み或はスパッタリング及びこれに続くアニーリング、或はアクティブ層の成長の際のＭＢＥ、ＣＶＤ或はＯＭＶＰＥによって導入される。重要な条件は、大多数のイオンが、例えば、図２に示されるようにアクティブ層に拘束されることである。
アクティブ層１３の厚さはλ／２の整数倍であり、ここで、λは空胴の動作、或は放射波長である。この整数はミラー１２及び１４との組合わせで選択された希土類ドーパントの自然放射に対する共振空胴が提供できるように１から５までの範囲から選択される。
【００１１】
アクティブ層１３の両側に置かれた反射ミラー１２及び１４はアクティブ層と共に共振ファブリペロ空胴を形成する。これらミラーは少なくとも９８％の反射率を持つ高い反射性の材料から製造されるべきである。要求される放射の方向に依存して、これらのミラーの一つが他方のミラーよりもより大きな反射率を持ち、放射がより小さな反射率のミラーを通じて起こる。これらミラーの両方とも、薄い金属膜、分散ブラッグ反射器（distributed Bragg reflectors、ＤＢＲ）、導電性の半透過性酸化物、或はこれらの適当な組合わせから製造される。金属はＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ及びＣｕ等のような金属から選択される。ＤＢＲは典型的には異なる屈折率を持つペアの材料の形式をとる。これら材料は半導体、導電酸化物、ガラス及びガラス様の酸化物から選択される。半導体材料はＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ等のような四面体的に結合された半導体材料、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等のような半導体材料、及びＣＴＯ及びＩＴＯ等のような導電酸化物から選択される。ガラスはＳｉＯ2 、ケイ酸リンガラス（phosphosilicate ）、ケイ酸ホウ素ガラス（borosilicate）、ケイ酸ホウ素リンガラス（borophosphesilicate ）、ケイ酸ホウ素アルミニウムガラス（boronaluminum silicate）、酸化ゲルマリウム（germanate ）ガラス、酸化テルル（tellurite ）、フッ化物（fluoride）から選択される。こうして選択された材料はアクティブ層に隣接する各ミラー内の層がアクティブ層の材料の屈折率よりも高い屈折率を持つようにペアに配列される。例えば、アクティブ層が（ｎ≒１．５を持つ）ＳｉＯ2 のような材料であり、これらミラー内のペアの層が（ｎ≒３．３の）Ｓｉ及びＳｉＯ2 の場合、これら層はより高い屈折率を持つ層（例えば、Ｓｉ）がアクティブ層のより低い屈折率の材料（例えば、ＳｉＯ2 ）に隣接するように位置される。
【００１２】
より高い反射率のミラーがより低い反射率のミラーの反対側に放射が後者を通じて起こるように位置される。金属ミラーの場合は、厚さはミラーを通じての十分な透過率が得られるように選択される。例えば、有効なＡｇミラーを達成するためには、Ａｇが５０から５００オングストロームのレンジの厚さに堆積される。
ＤＢＲミラーは複数のペアの四分の一波層、例えば、１５及び１６から構成される。同一の二つの材料のペアを持つミラーの場合は、ボタムミラー１２内のペアの数はトップミラー１４内のペアの数よりも多い。各層１５及び１６の厚さはλ／４に等しいが、ここで、λはデバイスの動作、或は放射波長である。層１５は層１６とは異なる材料から製造され、また異なる屈折率を持つため、層１５は層１６と厚さにおいても異なる。
【００１３】
ガラスは、光励起を受けたとき、通常は、自然な光ルミネセンスは生成しない。半導体はほんの少しの自然な光ルミネセンスを生成するが、但し、これらの波長は要求される好ましい波長の所には位置しない。この欠陥は、光による励起を受けたとき顕著な自然ルミネセンスを引き起こすイオンを持つガラス材料（或は半導体）を提供することによって克服される。こうして、このアクティブ層はメンデレーエフの周期表（Mendeleyev's Periodic Table ）の原子番号５７から７１までの元素のランタニド系列の少なくとも一つの希土類元素のイオンにてドープされる。このようなデバイスにおいては、動作波長は、完全に注入されたイオンからの放射の波長に依存する。
【００１４】
本発明がエルビウムが好ましい希土類元素として使用される一例としての特定の実現との関連でより詳細に説明される。エルビウムは、シリカファイバの最小損失ウインドウ（minimum loss window ）と一致する１．５μｍにおけるその光学遷移のために光通信技術において広く使用されている希土類元素の一つである。
この特定の実施例においては、デバイス１０は、Ｓｉ基板１１、ボタムＤＢＲミラー１２、ＥｒにてドープされたＳｉＯ２ アクティブ領域１３、及びトップＤＢＲミラー１４から構成される。ボタム及びトップミラーは、それぞれ、Ｓｉの四分の一波層１６（λ／４≒１１５０  ）、及びＳｉＯ２ の四分の一波層１５（λ／４≒２７００  ）のペアから構成される。この特定の例においては、ボタムミラーは層１４及び１６の４ペアから成り、トップミラーは層１５及び１６の２つの１／２ペアから成る。トップミラー１４の最も上の層１６はキャッピング層として機能する。ボタム及びトップＤＢＲミラー内のこれらの層は各ミラーのＳｉ層１６がアクティブ層に隣接するように堆積される。このボタム及びトップＤＢＲの計算反射率は、それぞれ、９９．８％及び９８．５％である。アクティブ領域はλ／２に対応する５４００  の厚さを持つ。
【００１５】
Ｓｉ層１６は１２５  ／秒の速度にてｄｃ−マグネトロンスパッタリング（dc-magnetron sputtering ）によって堆積され、ＳｉＯ2 層１５は３０  ／秒の速度でｒｆ−マグネトロンスパッタリングによって堆積された。このスパッタリングはマティリアルズリサーチ社（Materials Research Corporation）から市販されているモデル６０３スパッタリングシステムを使用してタンデム堆積（tandem deposition ）にて遂行された。別の方法として、これらＳｉ及びＳｉＯ2 層は、例えば、二つの材料のサイドバイサイド（side-by-side）ソースからの電子ビーム蒸発によって、必要な場合は堆積を中断するためのシャッタを使用しながら堆積することもできる。これら層はまた、例えば、ミラー及びアクティブ層の両方の層が一つの手順にて堆積されるような場合は、ＭＢＥ或はＯＭＶＰＥを使用して堆積することもできる。
【００１６】
完全に成長された構造の反射率が希土類インオを注入する前に空胴の共振波長を検証するためにタングステンハロゲン光源及び光学スペクトル分析器を使用して測定された。その後、トップミラーの領域がキャッピング層１６を通じてＥｒにて７．７ｘ１０15ｃｍ-2のドーズ及び３．５５ＭｅＶの注入エネルギにてイオン注入された。この構造への注入の発射レンジ（projected range ）は１．１５μｍである。つまり、Ｅｒ濃度の最大は図２に示されるようにＳｉＯ2 アクティブ領域１３の中心に存在する。注入の発射広がり（projected straggle）は２４５０  であり、注入されたＥｒが殆どアクティブ領域内に拘束されることを示す。Ｅｒイオン注入に起因する損傷を修正するための注入後のアニール（post-implantation anneal）が７００から９００度Ｃにて３０分間遂行された。別の方法として、Ｅｒイオンをアクティブ層の上にスパッタリング或は電子ビーム蒸発にて堆積することもできる。Ｅｒはまたアクティブ層内にこの構造のＭＢＥ成長の際に導入することもできる。
【００１７】
この一例としてのデバイスのマイクロ空胴の光ルミネセンス測定が９８０ｎｍの励起波長にチューニングされたＴｉ／サファイアレーザを使用して室温にて遂行された。同一のＥｒ注入されたサンプルの空胴のある構造と無い構造との比較を可能にするために、幾つかのこれらサンプル上のトップミラーが湿式化学エッチングによって除去された。高い選択性を持つエッチング剤を使用することによってトップミラーのみを選択的に除去することが可能である。エッチング剤の一例はＳｉをＳｉＯ2 に優先して除去するＨＦ或は緩衝された酸化物ＨＦエッチング剤（buffered oxide HF etchant 、ＢＯＥ）であり得る。他の材料に対しては、当分野において周知のように他のエッチング剤を選択することができる。空胴を持つデバイスのトップを通じての光の放射は空胴共振が１．５５μｍのとき、つまり、Ｅｒルミネセンスの波長と一致するとき大きく促進することができる。これら結果は励起されたＥｒ3+の自然放射に関しての光学空胴の原子遷移確率への影響のモデルから理解することができる。
【００１８】
凝縮物体系（condensed matter system ）内の電子遷移に起因する光子の自然放射は初期及び最終の電子状態の特性及び光学モードの密度に依存する。自然放射再結合速度は以下によって与えられる。
【数１】
0003637071.tif 000002
【００１９】
ここで、Ｗlspontは光学モードｌへの自然遷移速度であり、ｐ（ｖl ）は光学モードの密度である。自由空間内では、光学モードの密度は以下によって与えられる。
【数２】
0003637071.tif 000003
【００２０】
ここで、ｎ、Ｖ及びｃは、それぞれ、屈折率、媒体の体積、及び光の速度である。自由空間内においては、光学モードの密度はモード周波数ｖl の連続関数である。この状況は一次元ファブリペロ空胴においては著しく変化する。このような空胴においては、モード密度は“量子化”される。つまり、特定の周波数のモートのみがこの空胴の内側に存在することができる。二つの同一平面反射器から構成される一次元空胴の場合は、空胴のこれらモードの波長は以下によって与えられる。
【数３】
0003637071.tif 000004
【００２１】
ここで、Ｎは整数であり、φ１（λl ）及びφ２（λl ）は空胴のこれら二つの反射器の所で引き起こされる反射波の位相シフトである。これらモデルのスペクトルの広がり（spectral broadening ）は、これら二つの反射器の反射率及び空胴長に依存し、例えば、不確定性関係（uncertainty relation）によって表わすことができる。
空胴の光学モードとＥｒの放射波長との間の共振は非常に重要である。Ｅｒからの放射は原子４ｆ水準間の遷移に起因するものであり、従って、生来的に狭い。但し、Ｅｒ放射ラインはＳｉＯ2 ホスト内のＥｒ原子のランダムな局所環境によって不均一に広げられる。Ｅｒ放射は典型的には１５００から１６００ｎｍの間で起こり、二つの別個の最大値を１５３５ｎｍ及び１５５０ｎｍの所に持つ（図５の曲線５２を参照）。空胴がこの体制において共振状態にあることが必要である。
【００２２】
Ｓｉ／ＳｉＯ2 空胴の反射率が図３に示される。この反射率スペクトルはほぼ垂直の入射角（θ0 ≒２０度）の条件下においてファイバガイドオプティクスを使用して測定された。図３に示される反射率スペクトルは１１５０ｎｍより小さな波長において干渉縞を示し、１２００ｎｍより大きな波長に対して非常に高い反射率バンドを示す。約１．５μｍの波長において、反射率のディップが観察されるが、これは空胴の共振モードを示す。共振の所では、理想ファブリペロ空胴を通って通過する強度はユニティに接近する。つまり、反射率が低減する。要求される共振波長を得るためには、ミラー及びアクティブ領域の成長プロセスの非常に正確な制御が必要である。共振波長は層の寸法に線型的に依存するために、１パーセントよりも良好な層の寸法の制御が要求される。１５００ｎｍから１６００ｎｍまでのレンジ内の伝送共振（transmission resonamce）が図４により詳細に示される。ディップの大きさは３ｄＢであり、この半最大における全幅はΔλ＝５ｎｍである。空胴Ｑ係数は以下の式を使用して伝送共振の幅から推測することができる。
【数４】
0003637071.tif 000005
【００２３】
ここで、λは共振の波長である。Ｑ＝３１０の値が式（４）から推定できる。共振の正確な位置は空胴層の厚さ並びに二つのミラーの所の波の位相シフトに依存し、一方、この位相シフトは二つの四分の一波反射器の層の厚さに依存する。
室温での光ルミネセンス実験がＥｒにてドープされたＳｉ／ＳｉＯ2 共振空胴に関して９８０ｎｍの励起を使用して遂行された。幾つかのサンプルのトップミラーがサンプルの幾つかの部分の選択的乾式化学エッチングによって除去された。トップミラーの除去は空胴を持つ構造と持たないものとの直接の比較を可能にする。
【００２４】
注入されたＥｒの殆どは空胴の中央ＳｉＯ2 層内に位置する（図２を参照）。トップミラーのＳｉＯ2 層内に位置するＥｒの密度は５４００  の厚さ及び２４５０  の計算発射広がりを持つアクティブ層１３から推定される総Ｅｒ密度の７％以下である。Ｅｒの少しの割合のみがトップミラー内に位置するために、トップミラーの除去はこの構造内の光学的にアクティブなＥｒの量をあまり大きく低減させない。
【００２５】
図５にはＥｒにてドープされたＳｉＯ2 の共振空胴を持つ構造及び持たない構造の垂直照射（normal incidence）にて測定された光ルミネセンススペクトルの比較がそれぞれ曲線５１及び５２によって示される。最も驚くことに、この共振空胴構造のピーク強度は空胴を持たない構造と比較して著しく向上される。図５に示されるサンプルに対しては、強度の増加は５０のファクタである。異なるサンプルについて調べられた強度の向上は典型的には１から２のオーダの規模である。この強度の向上は全て共振空胴の存在に起因するものと見なすことができ、空胴のフィネスから理論的に推測することができる。空胴の共振波長の所に起こるδ−関数状の放射スペクトルについては、向上ファクタ（enhancement factor）はおおむね以下の式によって与えられる空胴のフィネスである。
【数５】
0003637071.tif 000006
【００２６】
Ｒ1 ＝９８．５％及びＲ2 ＝９９．８％を使用した場合、フィネスはＦ≒３７０であると計算される。但し、実験のフィネスは計算されたフィネスよりも小さい。これは反射率を低減する反射層の厚さのバラツキに起因するものと考えられる。さらに、これら二つの構造の光ルミネセンスの直接の比較はトップを通じての放射を約２のファクタだけ向上させる空胴無しの構造のボタム反射器のために一層複雑化される。
放射強度特性の変化は空胴を持つ構造と空胴を持たない構造の異なる励起状態に起因するものではなく、全て共振空胴の効果に起因するものといえる。第一に、励起光（λ＝９８０ｎｍ）の幾らかはトップミラーのＳｉ層内に吸収される。トップミラーは、従って、トップ反射器なしの構造と比較して空胴内のアクティブ領域の励起を弱くする。第二に、この励起波長（λ＝９８０ｎｍ）ははるかに離れたオフ共振（far off-resonance ）を持つ。従って、励起光の強度は空胴内の多重反射に起因して増加することはない。
ルミネセンス強度の変化に加えて、図５はまたＥｒ放射のスペクトル純度の大きな変化を示す。この光ネミネセンスは半最大の所に５ｍｅＶの全幅を持つきれいな対称ランイ形状を持つ（曲線５１を参照）。空胴を持たない構造のＥｒエミッションスペクトルはこれより広く、典型的には、２０ｍｅＶの幅であり、二重ピーク構造を持つ（曲線５２）。スペクトル特性のこの変化はこのほぼ垂直の放射（near normal emission）が主にＥｒ−ドープされたＳｉＯ2 の不均一に広がった放射ではなく空胴の特性によって決定されることを示す。
【００２７】
共振空胴からの自然放射は空胴の光学軸に沿うように強く向けられる。このような方向性を持つ放射（directed emission ）は光ファイバアプリケーションにおいては高い結合効率のために望ましいことである。放射の角度依存（angular dependence）を調査するために、光ルミネセンススペクトルが垂直及び垂直を外れた（off-normal）方向に対して取られた。放射角度の関数としての放射波長が図６に示される。垂直を外れる角度に対しては、放射波長はより短い波長、つまり、より高いエネルギの方にシフトする。このシフトは放射モードの軸上（on-axis ）成分の一定のオン共振（on-resonance）エネルギとの関連で理解することができる。光子の一定の軸上エネルギ（on-axis energy）を想定すると、屈折率ｎを持つ一つのアクティブ媒体及び二つのプレーナ（非分散）ミラーから構成される空胴から発せられる空気（ｎair ＝１）内の放射波長は放射角度θo の関数として以下のように表わすことができる。
【数６】
0003637071.tif 000007
【００２８】
ここで、λres は空胴の共振波長である。小さな角度に対しては、式（６）は以下によって近似できる。
【数７】
0003637071.tif 000008
式（６）及び（７）は図６内においてλres ＝１．５５５μｍ及びｎ＝１．５に対して、それぞれ、実線６１、及び点線６２によって表わされる。式（６）及び（７）は薄い同一平面ミラーを持つ空胴に適用する。分散ブラッグ反射器に対しては、有効屈折率ｎeff がｎに対して置換されなければならない。ここに議論された構造では、ｎeff ＞ｎであり、これはλe のθ0 への依存を（式（６）及び（７）と比較して）低減するが、これは実験の結果の傾向と一致する。波長の変化に加えて、角度の増加に伴って強度の落ち込みが観察される。例えば、強度は放射角度を１３度（λe ＝１．５３７μｍ）から２３度（λe ＝１．５１０μｍ）に変えると１５のファクタだけ落ち込む。
【００２９】
追加の長所及び変更が当業者においては簡単に思い付くものである。従って、本発明は、より広い見地から見たとき、上に示され説明された個々の詳細、代表としてのデバイス、及び示される実施例に制限されるものではない。従って、様々な修正が特許請求項に定義される一般的な本発明の概念の精神及び範囲から逸脱することなく可能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｉ基板上に成長された一例としてのＳｉ／ＳｉＯ2 共振空胴構造の略図を示す。
【図２】図１内に示される共振空胴内のＥｒ−打込みプロフィルの略図を示す。
【図３】４つのペアのＳｉ／ＳｉＯ2 ボタムミラー、λ／２のＳｉＯ2 アクティブ領域、及び２つの１／２ペアのＳｉ／ＳｉＯ2 トップミラーを持つ共振空胴の０．６から１．８μｍの範囲の波長に対する反射率を示す。
【図４】図３の共振空胴の１．５μｍから１．６μｍまでの範囲の波長に対する反射率を拡大して示す。
【図５】光学空胴を持つ（実線の曲線）及び光学空胴を持たない（点線の曲線）Ｅｒ打込みされたＳｉＯ2 アクティブ領域の室温光ルミネセンススペクトルを示す。
【図６】放射角度の関数としてのＥｒにてドープされたＳｉ／ＳｉＯ2 共振空胴の放射波長を示す。
【符号の説明】
１１              Ｓｉ基板
１２              ボタムＤＢＲミラー
１３              ＳｉＯ２ アクティブ領域
１４              トップＤＢＲミラー
１５              ＳｉＯ２ λ／４層
１６              Ｓｉλ／４層
【図１】
0003637071.tif 000009
【図２】
0003637071.tif 000010
【図３】
0003637071.tif 000011
【図４】
0003637071.tif 000012
【図５】
0003637071.tif 000013
【図６】
0003637071.tif 000014