(57)【要約】【課題】本発明は、コンパクトな構成でありながら、低コストであって、導波路に導入された光を効率よく垂直に放出することが可能な垂直光放出素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の垂直光放出素子は、半導体層を搭載する基板を備え、当該半導体層に、当該半導体層の半導体よりも低屈折率の媒質からなる格子が周期的に配列された領域及び前記格子が存在しない線状欠陥導波領域を有する２次元フォトニック結晶が形成され、前記線状欠陥導波領域の近傍に、径が他の格子よりも小さい、少なくとも１個の格子からなる点状欠陥共振器を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2014116524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層を搭載する基板を備え、
当該半導体層に、当該半導体層の半導体よりも低屈折率の媒質からなる格子が周期的に配列された領域及び前記格子が存在しない線状欠陥導波領域を有する２次元フォトニック結晶が形成され、
前記線状欠陥導波領域の近傍に、径が他の格子よりも小さい、少なくとも１個の格子からなる点状欠陥共振器を備えることを特徴とする垂直光放出素子。
【請求項２】
前記点状欠陥共振器を複数備え、前記複数の点状欠陥共振器同士で、前記点状欠陥共振器を構成する格子の径が異なることを特徴とする請求項１に記載の垂直光放出素子。
【請求項３】
前記点状欠陥共振器を複数備え、前記複数の点状欠陥共振器同士で、前記点状欠陥共振器を構成する格子の間隔が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直光放出素子。
【請求項４】
前記点状欠陥共振器を複数備え、前記複数の点状欠陥共振器同士で、前記点状欠陥共振器を構成する格子の数が異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の垂直光放出素子。
【請求項５】
前記点状欠陥共振器を挟むように、前記半導体層にｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の垂直光放出素子。
【請求項６】
前記点状欠陥共振器を構成する格子の周辺に半導体結晶欠陥が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の垂直光放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直光放出素子に関する。さらに詳しくは、基板面に対して平行に伝搬する光を、基板面に対して垂直に放出する垂直光放出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
計算機は、信号データの演算、記録および入出力を行う装置群と、それらの間でデータを送受する配線から構成される。発展の過程で、真空管がトランジスターに置き換わることにより、これら装置群と配線は、シリコンチップ（以下、単に「チップ」と略記する場合がある。）に集積化されるに至った。これまでは、これらの装置群と配線は全て電気的に接続され、動作するものであった。
【０００３】
近年、演算部をチップ内に分散する、あるいは複数のチップに分散する流れが定着してきた。メニコア（Ｍａｎｙ  Ｃｏｒｅ）と呼ばれるこのアーキテクチャでは、機能間のデータの送受に必ずしも電気を使う必要はなく、将来の高速化にスケーラブルに対応できる光を使うものである。光には波長多重方式による情報量の増大を波長数の増大により対応できる特徴があるため、今後、光接続方式はメニコアアーキテクチャに不可欠との期待が高まっている。
【０００４】
この光接続方式には、配線の長さに応じて、ファイバーを用いるものと導波路を用いるものに大別される。例えば、短距離の光配線方式である、チップ内やチップ間では導波路を用いるが、比較的長距離のボード間、装置間などでは光ファイバーを用いる。
【０００５】
光接続の方法としては、次の（１）及び（２）の２種類がある。まず、（１）として、チップ内および平行置きしたチップ間を光接続する場合には、光はチップ表面に対し平行に放出され、このため導波路やファイバーはチップに平行に配置される。一方、（２）として、垂直置きしたチップ間あるいはチップ面に相対向するファイバーに光を入力するには、チップ面から垂直に光が放出され、上方あるいは下方においた導波路やファイバーと結合される。
【０００６】
（１）では、通常の端面発光型のレーザをチップ外あるいはチップ面内に平置きし、レーザ光をチップ面上に形成された導波路に導入し、導波路に集積化された変調器により強度を変化させている。現在はこの方式が主流である。これに対し、（２）では、端面発光レーザからチップに光を導入し変調する段階までは（１）と同様であるが、変調光をグレーティングカプラーを介しチップ上面に取り出し、チップ面の上又は下に配置した別のチップあるいはファイバーに導入する点で（１）と異なるものであった（例えば、特許文献１を参照。）。また、光ファイバーを用いた光接続は、高性能コンピュータでアクティブ・オプティカル・ケーブル（Ａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃａｂｌｅｓ）という名称で実用化されており、さらに今後、貼り合わせた上下のチップ間の光接続への展開を左右する重要な技術となると期待されている。なお、（２）では、面発光レーザを直接チップに貼り付け、それからの光を上方に配置した別のチップあるいはファイバーに挿入する方式も研究されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９６９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記したグレーティングカプラーを用いる方法では、光を垂直に放出するためには、グレーティングの直径が大きいことからデバイスの占有面積が大きく、また、面発光レーザを用いた場合には、レーザ自体も大面積であり同様の問題があるとともに、波長多重方式への展開に大きな課題を残していた。また、面発光レーザは注入電流のｏｎ−ｏｆｆにより光のデジタル信号を生成することができるメリットがある。そして、これらのレーザは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の材料で構成されており、シリコンとは異なるため、モノリシック集積化が難しく、貼り付け等のプロセスが発生するため、低コスト化に課題を残していた。
【０００９】
本発明の目的は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成でありながら、低コストであって、導波路に導入された光を、導波路の形成された基板面に対して垂直方向に効率よく放出することが可能な垂直光放出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するために、本発明の垂直光放出素子は、半導体層を搭載する基板を備え、当該半導体層に、当該半導体層の半導体よりも低屈折率の媒質からなる格子が周期的に配列された領域及び前記格子が存在しない線状欠陥導波領域を有する２次元フォトニック結晶が形成され、前記線状欠陥導波領域の近傍に、径が他の格子よりも小さい、少なくとも１個の格子からなる点状欠陥共振器を備えることを特徴とする。
この構成によれば、光が基板面に対して垂直方向に効率よく放出することができ、構成がコンパクトで低コストな垂直光放出素子を提供することができる。
【００１１】
本発明の垂直光放出素子は、前記した本発明において、前記点状欠陥共振器を複数備え、前記複数の点状欠陥共振器同士で、前記点状欠陥共振器を構成する格子の径が異なることが好ましい。
このような構成とすることにより、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器を配置することができる。
【００１２】
本発明の垂直光放出素子は、前記した本発明において、前記点状欠陥共振器を複数備え、前記複数の点状欠陥共振器同士で、前記点状欠陥共振器を構成する格子の間隔が異なることが好ましい。
このような構成とすることにより、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器を配置することができる。
【００１３】
本発明の垂直光放出素子は、前記した本発明において、前記点状欠陥共振器を複数備え、前記複数の点状欠陥共振器同士で、前記点状欠陥共振器を構成する格子の数が異なることが好ましい。
このような構成とすることにより、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器を配置することができる。
【００１４】
本発明の垂直光放出素子は、前記した本発明において、前記点状欠陥共振器を挟むように、前記半導体層にｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域が形成されていることが好ましい。
ｐ型半導体領域からｎ型半導体領域へと順方向に電流を流すことにより、半導体層の屈折率を調整することができ、点状欠陥共振器が共振波長を可変とできる波長可変共振器あるいは光の強度を変調する変調器として利用することができる。
【００１５】
本発明の垂直光放出素子は、前記した本発明において、前記点状欠陥共振器を構成する格子の周辺に半導体結晶欠陥が形成されていることが好ましい。
ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との間に直流バイアス及び交流電圧を印加することにより高い二次非線形光学定数が現出して、点状欠陥共振器が光の強度を変調する変調器として利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の垂直光放出素子は、コンパクトな構成でありながら、半導体よりも低屈折率の媒質からなる点状欠陥共振器で構成されているため、光が基板面に対して垂直方向に効率よく放出される垂直光放出素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態１に係る垂直光放出素子の構成を示した概略図である。
【図２】垂直光放出素子の構成の一例を示した概略図である。
【図３】垂直光放出素子について、光の放出状態を示した図である。
【図４】光の放出状態を図３の矢印方向から観察した図であって、点状欠陥共振器周辺の上下方向に放出される光の分布状態を示した図である。
【図５】点状欠陥共振器を複数備えた垂直光放出素子の一例を示した図である。
【図６】点状欠陥共振器を複数備えた垂直光放出素子の一例を示した図である。
【図７】点状欠陥共振器を複数備えた垂直光放出素子の一例を示した図である。
【図８】本発明に係る垂直光放出素子を示した概略図である。
【図９】本発明の垂直光放出素子の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る垂直光放出素子１を示した概略図である。本発明に係る垂直光放出素子１は、半導体層２を搭載した基板３を備えている。半導体層２には、半導体層２の半導体よりも低屈折率の媒質からなる格子４１が周期的に配列された領域４０、及び格子４１が存在しない線状欠陥導波領域４２を有する２次元フォトニック結晶４が形成されている。線状欠陥導波領域４２の近傍に、径が他の格子（「他の格子」とは、２次元フォトニック結晶を構成する格子４１をいう。以下同じ。）よりも小さい、少なくとも１個の格子５１からなる点状欠陥共振器５を備える。なお、図１にあっては、２次元フォトニック結晶４を構成する格子４１の一部にのみ符号を付して示している（以下、図２、図６から図１０について同じ。）。
【００２０】
本発明にあっては、半導体材料からなる半導体層２をシリコン基板やガラス基板等の基板３の上に形成したり、シリコン基板３等上にシリコン酸化膜を形成し、かかるシリコン酸化膜の上に半導体層２を形成したりする構成を採用するようにしてもよい。また、半導体層２の上に別の半導体材料による半導体層を形成するようにしてもよい。
【００２１】
半導体層２を構成する半導体材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）等が挙げられる。
【００２２】
図１に示した垂直光放出素子１は、例えばシリコンスラブ等で形成された半導体層２に、半導体層２の半導体よりも低屈折率の媒質からなる格子４１、例えば、空気孔を形成し、格子４１が周期的に配列された領域４０を有する。加えて、格子４１が存在しない線状欠陥導波領域４２を有し、これらにより２次元フォトニック結晶４が形成されている。２次元フォトニック結晶４は、周期的な屈折率分布を有する機能材料であり、光の波長オーダーの周期で格子が整列することによりブラッグ反射条件が成り立って、いわゆるフォトニックバンドギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ：禁止帯）を形成する。
【００２３】
また、前記した２次元フォトニック結晶４に、格子４１が存在しない線状欠陥導波領域４２（線欠陥）を導入すると、光導波路を形成することが可能となる。格子４１が形成されない線状欠陥導波領域４２は光導波路となり、光は図１中の矢印で示すように伝搬することになる。
【００２４】
一般に、光導波路となる線状欠陥導波領域４２に近接し、２次元フォトニック結晶４の一部に格子４１が形成されていない部分を有するようにすると、共振器を構成する。共振器に立つ定在波の波長に一致する光のみが、光導波路から共振器に結合することになる。
【００２５】
本発明にあっては、２次元フォトニック結晶４の内部に、点状欠陥共振器５を形成する。点状欠陥共振器５は、線状欠陥導波領域４２の近傍に、径が他の格子４１よりも小さい、少なくとも１個の格子５１からなるものである。
【００２６】
本実施形態では、２次元フォトニック結晶４を構成する格子４１より径が小さい、少なくとも１つの格子５１から形成される。このように、少なくとも１個の格子５１からなる点状欠陥共振器５を形成することにより、点状欠陥共振器５に光が蓄積される共振器が形成される。点状欠陥共振器５の共振波長と一致する光が、線状欠陥導波領域４を伝搬すると、基板面に対して垂直方向に放出されることになる。しかも、点状欠陥共振器５を構成する格子５１の内部は半導体層２を構成する半導体よりも屈折率の低い格子、例えば空気であるため、垂直に光を放出する障害となる高屈折率であるシリコン等だけが存在するよりも、効率よく光が垂直方向に放出されることになる。
【００２７】
従って、光を基板面に対して垂直方向に放出する垂直光放出素子１としては、格子を形成しないようにした共振器と比較して、光の放出効率の点で優れることになる。
【００２８】
また、２次元フォトニック結晶の一部に格子を形成しない構成の共振器にあっては、格子が形成されていない共振器の領域全体にフォトン（Ｐｈｏｔｏｎ：光子）が広がってしまう。しかし、本発明のように径を小さくした格子５１により点状欠陥共振器５を構成することにより、径の小さい格子５１にフォトンが局在化して、基板面に対して垂直方向に効率的に光が放射されることになる。
【００２９】
図２は、垂直光放出素子１の構成の一例を示した概略図である。図２に示した垂直光放出素子１は、点状欠陥共振器５の一例として、他の格子４１の径よりも小さい径を有する格子５１が形成されている態様を示している。
【００３０】
点状欠陥共振器５における共振器としての性能を示すＱ因子（共振器のＱ値）は、点状欠陥共振器５を構成する格子５１の径が小さいほど高くなることになる。一方。光の放出効率は、格子５１の径が大きいほど高くなる。両者のバランスを考慮して、ａを格子定数＝格子間隔とした場合、格子５１の径は０．３ａ程度が好ましい。例えば、ａ＝０．４μｍの場合は、点状欠陥共振器５を構成する格子５１の径は、０．１２μｍとなる。
【００３１】
また、点状欠陥共振器５を構成する格子５１の形状は、特に制限されず、図１及び図２に示した円形状のほか、例えば、多角形状、長円形等の楕円形等、任意の形状を採用することができる。
【００３２】
基板面に対して平行に導入された光を垂直光放出素子１により垂直に放出するには、例えば、垂直光放出素子１の外部あるいは垂直光放出素子１の一部に図示しないレーザを水平配置し、その放出光を線状欠陥導波領域４２に伝搬させ、伝搬された光が点状欠陥共振器５の近傍を通過するように、点状欠陥共振器５を配置する。点状欠陥共振器５に立つ定在波の波長に一致する光が点状欠陥共振器５に結合する。そして、点状欠陥共振器５に結合した光が、基板面に対して垂直方向に放出されることになる。
【００３３】
定在波の波長は、点状欠陥共振器のサイズや点状欠陥共振器の実効屈折率に依存するため、点状欠陥共振器のサイズや点状欠陥共振器の実効屈折率あるいはその両方を変えることにより、線状欠陥導波領域４２を伝搬してくる様々な波長の光を、波長の長さに対応させて共振器に結合させることができる。例えば、点状欠陥共振器５を構成する格子の径、間隔及び数のうちいずれか、あるいはこれらを組み合わせて波長に対応させることができる。
【００３４】
図２の構成の垂直光放出素子１に光が導入されて、かかる光が点状欠陥共振器５から基板面に対して垂直方向に放出されている様子を、図３及び図４に示す。
【００３５】
図３は、図２に示した垂直光放出素子１について、光の放出状態を示した図である。また、図４は、光の放出状態を図３の矢印方向から観察した図であって、点状欠陥共振器５周辺の基板面に対して垂直な上下方向に放出される光の分布状態を示した図である。図３に示すように、光は垂直光放出素子１の垂直な上方向から観察した場合、点状欠陥共振器５から光が放出されているのが分かる。また、図４に示すように、点状欠陥共振器５に結合した光は、基板面に対して垂直な上下両方向に光が放出されていることが分かる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態に係る垂直光放出素子１は、半導体層２に形成された２次元フォトニック結晶４の線状欠陥導波領域４２の近傍に、径が他の格子４１よりも小さい、少なくとも１個の格子５１からなる点状欠陥共振器５を備えている。このため、グレーティングカプラーを用いないコンパクトな構成でありながら、線状欠陥導波領域４２を伝搬してきた光を基板面に対して垂直方向に放出することができる。また、点状欠陥共振器５を構成する格子５１は半導体層の半導体よりも低屈折率の媒質、例えば、空気であるため、光が基板面に対して垂直方向に効率よく放出される垂直光放出素子１となる。このような垂直光放出素子１は、製造も容易なため、低コストな光部品等として使用することができる。
【００３７】
（実施形態２）
実施形態２として、垂直光放出素子１における点状欠陥共振器５を複数備えた態様を例に挙げて説明する。
【００３８】
垂直光放出素子１に点状欠陥共振器５を複数備えるようにした場合、図５から図７に示すように、複数の点状欠陥共振器５を構成する格子５１の径、格子５１の間隔、格子５１の数を調整することにより、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器５を配置することができる。
【００３９】
図５は、点状欠陥共振器５を複数備えた垂直光放出素子１の一例を示した図である。図５では、複数の点状欠陥共振器５ａ、５ｂ同士で、点状欠陥共振器５ａ、５ｂを構成する格子５１ａと５１ｂとで径が異なり、格子５１ａの径より格子５１ｂの径が小さい態様を示している。このように、２つの点状欠陥共振器５ａ、５ｂを構成する格子５１ａ、５１ｂの径を異なるようにすることにより、２つの点状欠陥共振器５ａ、５ｂの実効屈折率が異なることとなり、その結果、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器５ａ、５ｂを配置することができる。
【００４０】
また、図６は、点状欠陥共振器５を複数備えた垂直光放出素子の他の例を示した図である。図６では、複数の点状欠陥共振器５ｃ、５ｄ同士で、点状欠陥共振器５ｃ、５ｄを構成する格子５１ｃと５１ｄとで間隔が異なり、点状欠陥共振器５ｄを構成する格子５１ｄの間隔が、点状欠陥共振器５ｃを構成する格子５１ｃの間隔より小さくなるようにしている。このように、２つの点状欠陥共振器５ｃ、５ｄを構成する格子５１ｃ、５１ｄの間隔を異なるようにすることにより、２つの点状欠陥共振器５ｃ、５ｄの共振波長が異なることとなり、その結果、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器５ｃ、５ｄを配置することができる。
【００４１】
また、図７は、点状欠陥共振器５を複数備えた垂直光放出素子１のもう１つの例を示した図である。図７では、複数の点状欠陥共振器５ｅ、５ｆ同士で、点状欠陥共振器５ｅ、５ｆを構成する格子５１ｅと５１ｆとで数が異なり、点状欠陥共振器５１ｅを構成する格子５１ｅは、点状欠陥共振器５ｆを構成する格子５１ｆよりも数が多くなるようにしている。このように、２つの点状欠陥共振器５ｅ、５ｆを構成する格子５１ｅ、５１ｆの数を異なるようにすることにより、２つの点状欠陥共振器５ｅ、５ｆの共振波長は異なることになり、その結果、共振波長の異なる複数の点状欠陥共振器５ｅ、５ｆを配置することができる。
【００４２】
以上説明したように、複数の点状欠陥共振器同士で、点状欠陥共振器を構成する格子の径が異なるか、点状欠陥共振器を構成する格子の間隔が異なるか、点状欠陥共振器を構成する格子の数が異なるように構成することにより、共振波長の異なる複数の共振器を備える垂直光放出素子とすることができる。
【００４３】
（実施形態３）
次に、実施形態３として、共振波長を可変できる垂直光放出素子１について説明する。
図８は、実施形態３に係る垂直光放出素子１の一態様を示した概略図である。図８に示すように、実施形態３に係る垂直光放出素子１は、点状欠陥共振器５を挟むように、半導体層にｐ型半導体材料による伝導層となるｐ型半導体領域６と、ｎ型半導体材料による伝導層となるｎ型半導体領域７が形成されている。
【００４４】
ｐ型半導体領域６を構成する半導体材料としては、例えば、シリコン結晶にヒ素等をドープした材料等が挙げられる。また、ｎ型半導体領域７を構成する半導体材料としては、シリコン結晶にホウ素等をドープした材料等が挙げられる。
【００４５】
図８に示す構成の垂直光放出素子１は、光をｏｎ−ｏｆｆする変調器や光の共振波長を可変する可変共振器としての機能を有する。なお、これらに適用する場合における変調には、印加される外部電圧の変化により半導体層の屈折率が変化する現象(Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＲ)と、変調器の吸収率が変化する現象（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）を用いることができる。
【００４６】
シリコンは結晶の反転対称性があるため、二次非線形光学定数は零である材料であり、屈折率を変化させるには、一般には、電流注入により屈折率を変化させる、いわゆるプラズマ効果が用いられている。
【００４７】
図８に示した構成にあっては、点状欠陥共振器５がｐ型半導体領域６とｎ型半導体領域７に挟まれた状態で、順方向（ｐ型半導体領域からｎ型半導体領域方向）に電流を流すと、電子は逆方向（ｎ型半導体領域からｐ型半導体領域方向）に移動する。順方向に電流を流すことにより、半導体層２の屈折率が小さくなり、共振波長が短くなる。このようにして流す電流の大小に応じて共振波長が短くなることを利用して、点状欠陥共振器５が、基板面に対して垂直方向に放出する光の波長を可変とできる波長可変共振器として使用することができる。また、特定の波長の光に対して、流す電流の大小に応じて共振の有無を制御すれば、基板面に対して垂直方向に放出する光を電流信号で変調することになり、垂直光放出素子を変調器としても利用することができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係る垂直光放出素子は、点状欠陥共振器に電流を流すことによりプラズマ効果を用いて、波長可変共振器あるいは変調器を備える垂直光放出素子として利用することができる。
【００４９】
（実施形態４）
次に、実施形態４として、共振波長を可変できる垂直光放出素子１について説明する。
実施形態４に係る垂直光放出素子１は、図９において、点状欠陥共振器５を構成する格子の周辺に半導体結晶欠陥が形成されている。さらに、点状欠陥共振器５を挟むように、半導体層にｐ型半導体材料による伝導層となるｐ型半導体領域６と、ｎ型半導体材料による伝導層となるｎ型半導体領域７が形成されている。
【００５０】
ｐ型半導体領域６を構成する半導体材料としては、例えば、シリコン結晶にホウ素等をドープした材料等が挙げられる。また、ｎ型半導体領域７を構成する半導体材料としては、シリコン結晶にヒ素等をドープした材料等が挙げられる。
【００５１】
このような垂直光放出素子１の構成にあっては、点状欠陥共振器５を構成する格子の周辺に半導体結晶欠陥を形成することにより、結晶に存在する反転対称性を局所的に消失させることができる。そして、ポッケルス効果により二次非線形光学定数を増大し、これにより生じる屈折率の変化を通して、共振波長を変化させることが可能となる。
【００５２】
例えば、“Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ、Ｍ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ著、ＰＰ．７３―１０２、２０１０年、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ―Ｖｅｒｌａｇ社発行”では、シリコン中の半導体結晶欠陥は、その構造が半導体結晶欠陥の荷電状態により変化することを示している。よって、点状欠陥共振器５を構成する格子５１の周辺に半導体結晶欠陥を導入することにより、高い二次非線形光学定数を発現させることができると考えられる。
【００５３】
半導体結晶欠陥の荷電状態は、例えば、シリコンのフェルミ準位を外部電圧により変化させることにより変化させることができる。また、本発明の垂直光放出素子１を図８に示した構成とした場合、シリコン等の半導体層２にｐｎ接合を形成することができ、ｐ型半導体領域６とｎ型半導体領域７に挟まれるように点状欠陥共振器５を構成する格子５１を導入させていると、ｐｎ接合に電位を順方向および逆方向に印加することにより、点状欠陥共振器５（格子５１）の荷電状態を変化させることができる。点状欠陥共振器５がｐｎ接合により外部電圧の印加によりフェルミ準位を自由に変化させることができるようになっていることになる。
【００５４】
また、それぞれの荷電状態では半導体結晶欠陥の構造は安定状態であるが、荷電状態を変化させると荷電状態間に存在するエネルギー極大点（鞍点）を経由して半導体結晶欠陥の構造が変化することになる。安定状態と比べ、ポッケルス効果により、より大きな歪みを誘起する鞍点での構造（鞍点構造）は、さらに大きな二次非線形光学定数を与えることになる。
【００５５】
ここで、荷電状態を変える半導体結晶欠陥を導入するには、例えば、イオン注入やドライエッチングに代表される原子や分子に電荷を与え、それを電界により加速し、物理的にシリコンに衝突させる方法がある。具体的には、例えば、シリコンにシリコン原子をイオン注入したり、ハロゲン系のガスイオンを衝突させる方法等を使用することができる。このような半導体結晶欠陥を、点状欠陥共振器を構成する格子の周辺に形成すればよい。
【００５６】
鞍点は、前記したように、荷電状態を変えると空孔構造がそれぞれの安定構造から変化する際に経由するが、鞍点での構造の状態を半導体結晶欠陥が定常状態としてとり続けることは不可能である。換言すれば、鞍点での構造は、荷電状態にある半導体結晶欠陥が電子や正孔を捕獲し、その構造を変えるに必要な時間あるいはそれ以下の時間でのみ存在することになる。電子や空孔のかかる捕獲の時間（捕獲時間）は、例えば欠陥による非発光再結合寿命程度と考えることができ、シリコンの場合、ナノ秒程度となる。これは周波数に直すとＧＨｚ程度となり、半導体結晶欠陥による高い二次非線形光学定数は、極めて短いナノ秒程度の時間内で発生しかつ消失することになる。このように、鞍点での構造は不安定なため、直流バイアスでは、安定的に二次非線形光学定数が現出するような位置に固定するのが困難である。そこで、順方向にバイアスをかけておき、交流電圧を印加して瞬間的に鞍点を通るようにすると、平均的には屈折率が増大することになる。ここで、直流電圧の範囲は、順バイアス方向で＋１Ｖ〜＋１０Ｖを１例としてあげることができる。
【００５７】
すなわち、このような構造の垂直光放出素子１に順バイアスを印加すると、フェルミ準位は、ｎ層側では伝導帯側に、ｐ層側では価電子帯側に近づく。このため、欠陥の存在する位置に応じて、その荷電状態の変化の態様は異なるが、交流電圧を印加して荷電状態を変えるようなフェルミ準位の移動が生じると、鞍点を経由するため、高い二次非線形光学定数が現出して、屈折率が増大することとなる。これにより、垂直光放出素子１の共振波長が長くなることになる。かかる「鞍点」が中心になるようにバイアスを定め、そのバイアスを中心に交流を付加して、「鞍点」を往復通過させることにより、瞬間的に二次非線形定数の増大（ポッケルス定数の増大）を発現させ、平均的な屈折率が増大して共振波長が長くなることになる。
【００５８】
このような垂直光放出素子への順バイアスの印加をｏｎ−ｏｆｆ制御したり、交流電圧の印加をｏｎ−ｏｆｆ制御したりすることによって、共振波長が変化するため、垂直光放出素子から放出される光を変調することができる。
【００５９】
この結果、基板面に対して垂直方向に放出する光をｏｎ−ｏｆｆする変調器としての機能を有する垂直光放出素子１とすることができる。
【００６０】
（実施形態の変形）
なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に載せるような変更等は、本発明の範囲に含まれるものである。
【００６１】
同じ共振波長の点状欠陥共振器５を垂直光放出素子１に対して１次元的又は２次元的に配置する構成も、本発明に含まれる。例えば、同じ共振波長の点状欠陥共振器５を１次元的に配置すると、その１次元の線を含む面内で指向性が向上する。例えば、同じ共振波長の点状欠陥共振器５を２次元的に配置すると、基板面に対して垂直な方向に２次元的に指向性が向上する。
【００６２】
図９は、本発明の垂直光放出素子１の他の態様を示した概略図である。図９に示した垂直光放出素子１は、波長λ１を有する点状欠陥共振器５（図９中、黒丸の格子５１ｇ）と、波長λ２を有する点状欠陥共振器５（図９中、白丸の格子５１ｈ）が２次元的に配置されている。共通する共振波長の点状欠陥共振器５を２次元的に配置することにより、放射する垂直方向の指向性が向上するため、波長λ１及び波長λ２の光を垂直方向に取り出す際の指向性が良好な垂直光放出素子１となる。
【００６３】
複数波長の共振波長の点状欠陥共振器を混在させて２次元的に配置してもよい。これにより、複数波長の光を１本の導波路に入力することができる。
【００６４】
また、前記した実施形態２では、点状欠陥共振器５を複数備えるようにした場合について、図５から図７を用いて、点状欠陥共振器５を構成する格子５１ａ、５１ｂの径（図５）、格子５１ｃ、５１ｄ同士の間隔（図６）、及び格子５１ｅ、５１ｆの数（図７）を調整することにより、共振波長の異なる点状欠陥共振器５を配置した例を示した。例えば、点状欠陥共振器５を複数備える垂直光放出素子１について、それぞれの点状欠陥共振器５を構成する格子５１が複数個存在するようにして、点状欠陥共振器５同士の格子５１の間隔が異なり、かつ、格子５１の数が異なるようにする等、図５から図７に示した例を組み合わせて構成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、垂直に光を放出することが可能な光接続部品等として、通信産業分野やエレクトロニクス産業分野等で利用することができ、産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００６６】
１      垂直光放出素子
２      半導体層（シリコン層）
３      基板（シリコン基板）
４      ２次元フォトニック結晶
４０    格子が周期的に配列された領域
４１    （２次元フォトニック結晶を構成する）格子
４２    線状欠陥導波領域
５      点状欠陥共振器
５ａ〜５ｆ    点状欠陥共振器
５１    （点状欠陥共振器を構成する）格子
５１ａ〜５１ｈ    格子
６      ｐ型半導体領域
７      ｎ型半導体領域
【図１】
2014116524.tif 000003
【図２】
2014116524.tif 000004
【図３】
2014116524.tif 000005
【図４】
2014116524.tif 000006
【図５】
2014116524.tif 000007
【図６】
2014116524.tif 000008
【図７】
2014116524.tif 000009
【図８】
2014116524.tif 000010
【図９】
2014116524.tif 000011