(57)【要約】【課題】電磁波発生・検出素子において、共振器損失の小さい構造として発振しきい値を低減し、比較的低消費電力のものを実現することである。【解決手段】電磁波発生・検出素子は、一定空間内において特定周波数の電磁波をこの空間内に閉じ込めるために屈折率が複数の箇所で変調された屈折率分布構造体１を備え、構造体１内の電磁波が閉じ込められる領域近傍に、半導体ヘテロ構造による量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により電磁波に対する利得を与える媒体４を備える。屈折率分布構造体１としては、細部の構造と全体の構造が相似形になっているフォトニックフラクタル構造、屈折率が周期的に変調を起こした人工結晶であるフォトニック結晶構造などがある。【選択図】図１
2006013405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の空間を有し、特定周波数の電磁波を前記所定の空間内に閉じ込めるために屈折率が複数の箇所で異なる構造体と、前記所定の空間に閉じ込められた前記電磁波に対して利得を与えるための媒体とを備え、前記媒体はポテンシャル障壁に囲まれた量子井戸構造を有し、電力を前記媒体に与えた状態で、前記量子井戸構造中のキャリアがサブバンド間を遷移することにより、前記電磁波に対して利得を与えることを特徴とする電磁波発生素子。
【請求項２】
特定周波数の電磁波を一定空間内に閉じ込めるために屈折率が複数の箇所で変調された屈折率分布構造体が備えられ、該構造体内の電磁波が閉じ込められる領域近傍に、半導体薄膜から成るポテンシャル障壁に囲まれた量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により該電磁波に対する利得を与える媒体が備えられていることを特徴とする電磁波発生・検出素子。
【請求項３】
前記屈折率分布構造体が３次元フラクタル構造であることを特徴とする請求項２記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項４】
前記屈折率分布構造体が、直線状電磁波伝送路において付加された１次元フラクタル構造であることを特徴とする請求項２記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項５】
前記屈折率分布構造体がフォトニック結晶構造であることを特徴とする請求項２記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項６】
前記利得媒体は、前記半導体薄膜から成るポテンシャル障壁に囲まれた量子井戸構造は多層化された共鳴トンネル構造であって、電磁波利得が量子井戸間のフォトンアシストトンネル（photon-assisted tunneling）によるサブバンド間遷移により得ることができる媒体であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項７】
前記利得媒体は、前記屈折率分布構造体における電磁波の局在モードの振幅の強い領域にのみ選択的に配置されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項８】
前記屈折率分布構造体は、光照射、電界印加、または機械的歪により屈折率が変化する材料で構成されており、光照射、電界印加、または機械的歪により、発生する電磁波の発生周波数を変化できることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項９】
請求項２乃至８のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子の近傍に電磁波が結合するように配置した電磁波伝送路によって、該素子より発生した電磁波を伝搬させて、該伝送路近傍に配置した物体のセンシングを行うことを特徴とする電磁波発生・検出素子の駆動方法。
【請求項１０】
請求項２乃至８のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子の使用方法において、発振しきい値以下にバイアスして外部より入射した電磁波を吸収することで変化するバイアス電圧または電流により該電磁波の強度を検出することを特徴とする電磁波検出器としての使用方法。
【請求項１１】
請求項２乃至８のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子の製造方法であって、３次元的に屈折率が変調された屈折率分布構造体が多数の層に分割されており、各層をフォトリソグラフィーとエッチングによる表面プロセスで作製する工程と、該各層を積層して接着する工程と、該構造体のうち電磁波が閉じ込められる空間近傍に電磁波に対する利得を与える媒体を配置する工程とを含むことを特徴とする電磁波発生・検出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布構造体を備え且つ利得媒体として半導体材料を用いた素子、およびその製造方法に関し、特に、主にミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波を発生、検出する装置として機能する半導体材料を用いた電磁波発生・検出素子、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ミリ波からテラヘルツ(THz)波にかけた電磁波（３０GHz〜３０THz）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波の応用分野としては、X線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて原子・分子の結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キャリア濃度や移動度を評価する技術などが開発されている。
【０００３】
THz発生方法としては、従来から光伝導素子に超短パルスレーザ光を照射してTHzパルスを発生させたり、波長の異なる２つのレーザ光を照射してビート周波数としてTHz領域の連続波を発生させたりする方法が用いられている。しかし、このように光からTHz電磁波に変換する方式では、その変換効率があまり高くないために、出力パワーの点や消費電力の点で改善の余地があった。
【０００４】
そこで、光領域の半導体レーザの方式のように、半導体ヘテロ構造による固体デバイスに電流を注入して直接電磁波を発生させるものが検討されている。例えば、伝導帯のサブバンド間のキャリア反転分布による誘導放出を利用した長波長レーザが開示されている（非特許文献１参照）。これは、利得を有する量子井戸構造を多層化して高利得化しており、量子カスケードレーザと呼ばれている。ただし、長波長領域では、レーザ構造にするときの閉じ込め構造を誘電体光導波路として構成するには波長が長過ぎるために構成困難となる。そこで、金属表面プラズモンを用いて導波路の小型化が検討されている（図８参照）。この金属表面プラズモンレーザ構造を有する装置では、半導体基板１１４上にリッジ状の活性領域１１２が形成され、活性領域１１２の上面に表面プラズモン伝達層１２４が形成されている。このとき、図８に示すように金属１３２に周期構造を形成しておけば分布帰還型（DFB）レーザとして機能し、単一モード化も図られている（特許文献１参照）。
【非特許文献１】Applied Physics Letters, vol.８４, p.２４９４,２００４
【特許文献１】特開２００１-２９１９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上に述べた文献のような半導体デバイスにおいては、金属プラズモン導波路となっているため、伝搬損失の低減には限界があり、しきい値電流や最高発振温度にも制限が生じている。また、レーザ共振器を構成するための反射器として半導体のへき開面などを用いる場合には、反射率が大きくできずにやはりしきい値の上昇等につながる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生素子は、所定の空間を有し、特定周波数の電磁波を前記所定の空間内に閉じ込めるために屈折率が複数の箇所で異なる構造体と、前記所定の空間に閉じ込められた前記電磁波に対して利得を与えるための媒体とを備え、前記媒体はポテンシャル障壁に囲まれた量子井戸構造を有し、電力を前記媒体に与えた状態で、前記量子井戸構造中のキャリアがサブバンド間を遷移することにより、前記電磁波に対して利得を与えることを特徴とする。また、本発明の電磁波発生・検出素子は、特定周波数の電磁波を一定空間内に閉じ込めるために屈折率が複数の箇所で変調された屈折率分布構造体が備えられ、該構造体内の電磁波が閉じ込められる領域近傍に、半導体薄膜から成るポテンシャル障壁に囲まれた量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により該電磁波に対する利得を与える媒体が備えられていることを特徴とする。こうした屈折率分布構造体ないし構造体としては、細部の構造と全体の構造が相似形になっている３次元、２次元、１次元のフォトニックフラクタル構造、屈折率が周期的に変調を起こした人工結晶である３次元、２次元、１次元のフォトニック結晶構造などがある。
【０００７】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生・検出素子の駆動方法は、上記の電磁波発生・検出素子の近傍に電磁波が結合するように配置した電磁波伝送路によって、該素子より発生した電磁波を伝搬させて、該伝送路近傍に配置した物体のセンシングを行うことを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生・検出素子の使用方法は、上記の電磁波発生・検出素子を発振しきい値以下にバイアスして外部より入射した電磁波を吸収することで変化するバイアス電圧または電流により該電磁波の強度を検出することを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生・検出素子の製造方法は、３次元的に屈折率が変調された屈折率分布構造体が多数の層に分割されており、各層をフォトリソグラフィーとエッチングによる表面プロセスで作製する工程と、該各層を積層して接着する工程と、該構造体のうち電磁波が閉じ込められる空間近傍に電磁波に対する利得を与える媒体を配置する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、屈折率が複数の箇所で変調されたフォトニックフラクタル構造、フォトニック結晶構造などの屈折率分布構造体を用い且つサブバンド間遷移を利用した電磁波発生・検出素子となっているので、共振器損失が比較的小さい構造とできて発振しきい値を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、テラヘルツ発生・検出などを行うための光半導体装置の一実施形態について説明するが、材料、構造、デバイスなどはここに挙げたものに限定するものではない。また、素子の使用用途や発生電磁波の性質においても、ここで挙げたもの以外に様々のものが可能である。
【００１２】
ここでの実施形態においては、レーザ共振器としてフォトニックフラクタル構造を用いる。フォトニックフラクタル構造では、波長サイズ程度の大きさで低い共振器損失すなわち高いＱ値を示し、波長選択性が高い電磁波閉じ込め構造が達成される。
【００１３】
通常、この構造を光領域で作製することは難しいが、THz領域においては貼り合わせ技術や光加工技術などを用いて３次元フラクタル構造の作製が可能である。電磁波損失の少ない高抵抗Si基板に穴加工したものを積み上げたり、フェムト秒レーザ加工により３次元物体に屈折率分布を形成したりすることができる。または、レーザ光を用いた光造形技術を用いても良い。
【００１４】
レーザ活性層は、化合物半導体ヘテロ構造で作成した電磁波利得部を、フォトニックフラクタルの電磁波閉じ込め領域に配置することで構成する。特に、利得媒体を、屈折率分布構造体における電磁波の局在モードの振幅の強い領域にのみ選択的に配置すれば、屈折率分布構造体を乱すことも無く高効率の素子とできる。３次元のフラクタル構造の場合には、電磁波の閉じ込められる中央低屈折率部に貼り付け領域を構成してエピタキシャル膜の薄膜転写を行なう。電磁波利得部としては、共鳴トンネルダイオード構造または上記非特許文献１で示されるような量子カスケードレーザと同様な構造が適している。
【００１５】
利得媒体の半導体ヘテロ構造が共鳴トンネル構造であって、電磁波利得が量子井戸間のフォトンアシストトンネル（photon-assisted tunneling）によるサブバンド間遷移により得ることができる媒体である場合、２ミクロン程度以上の長波長の電磁波の素子として好適である。異なる井戸間に渡るここでのイントラサブバンド間遷移では、室温程度になっても、例えばミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波に係わるサブバンド準位間の遷移が充分安定的に起こり得る。これに比較して、同一井戸内でのインターバンド間遷移を主に用いるタイプでは、室温程度になると利得を大きくできない可能性がある。
【００１６】
こうした構造の素子では、電磁波はフラクタル構造内部に強く閉じ込められるため外部空間への放射は小さいが、フラクタル構造表面近傍に伝送路を設けてエバネッセント波を取り出したり、中央部に伝送路を差し込んで電磁波を取り出すことができる。また、発振波長を可変にするために、フラクタル構造を構成する材料の誘電率を電界印加、光照射、機械的歪などで変化させるようにしてもよい。
【００１７】
３次元構造以外にも、高周波伝送路用のマイクロストリップ線路などで１次元のフラクタル構造を構成してもよい。また、フォトニック結晶の欠陥部に電磁波利得部を配置する構成でもよい。
【００１８】
以上はTHzレーザ発振器としての説明を行ったが、しきい値以下にバイアスすれば増幅器や高感度な検出器として動作させることもできる。例えば、デバイスにしきい値以下の一定電圧をかけておけば、入射した電磁波の吸収でキャリアが上のサブバンド準位に遷移して電流が変化することで入射電磁波の強度の検出ができる。
【実施例】
【００１９】
以下に図を用いて、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本発明による第１の実施例は、図１（ａ）に示すように３次元フラクタル構造体１としてステージ３のMenger spongeを電磁波の閉じ込めとして用いたものである。角型の穴の空いた領域は空気または低屈折率に変調された部分を表す。全体の立方体の一辺の長さをmとすると、最も小さな屈折率変調部分を埋め込む立方体の１辺はm／２７となる。そこで、例えばテラヘルツ領域で吸収の小さい高抵抗SiでこのMenger
spongeを作製するには、図１の点線で分割した（1）、（2）、（3）、（4）、・・・・を最小単位のシートとして２７枚分積み重ねればよい。各シートとなるSi基板の加工パターンが決まれば、フォトリソグラフィーとエッチングにより作製することができる。同じパターンのSi基板については一括して作製できる。中央部のAからBの近傍では図１（ｂ）のA断面図に示したように、同じ厚さ方向の面内で繋がっていないので４つのピースに分割される。
【００２０】
この構成では、電磁波はこのMenger spongeの中央低屈折率部に閉じ込められる。その局在する電磁波の周波数ｆと一辺の長さmとの間には有効誘電率εeffを用いて、ｃ／ｆ＝２m√εeff／３という関係が知られている。用いたSiの誘電率は１１．４であるが、体積占有率を考えると有効誘電率は約０．６１倍となるので、有効誘電率を７．０と置く。ここでは、１THｚの電磁波の局在化を目的として、立方体の１辺の長さは１７０μmで設計する。そのため、最も小さな屈折率変調部の立方体の１辺は６．３μm、Siシートの厚さも６．３μmとなる。Siシートはそのままの厚さでハンドリングするには薄すぎるため、加工後にCMP等の研磨によって薄片化して貼り合わせるか、薄膜層だけを転写する。
【００２１】
ここではSi基板を１層ずつ積層していく方法を示したが、光感光性樹脂により３次元光造形を用いる方法、フェムト秒レーザ加工により３次元立体中の任意の位置に屈折率変調部を作製する方法を用いることもできる。この場合の材料については、誘電損失の小さい材料が好ましいが、無機材料、有機材料、あるいはこの混合材料のいずれでもよい。
【００２２】
本実施例では、テラヘルツ領域のレーザ発振器を構成するために、３次元フラクタル構造体１の中央低屈折率部のエッジ近傍に、図１（ｂ）のA断面図の符号４で示すように電磁波利得部を配してある。電磁波利得部４は化合物半導体ヘテロ構造薄膜なので、エピタキシャル層のみ基板から剥がして転写してある。また、フラクタル構造体１にはこの転写層を支えるための張り出し部５を設けてあり、これはフラクタル構造の摂動部となり電磁界分布に若干の影響を与える。しかし、電磁波利得部４より発生した電磁波の振幅の強い部分として、図１（ｂ）の断面図の中央部近傍に符号６で示すような円環状になるモード（３次元としては球殻状）が存在するので、これと電磁波利得部５との相互作用によりレーザ発振に至るのである。この張り出し部５の大きさや電磁波利得部４の大きさなどは、電磁波閉じ込め作用に支障を来たさない限り、任意である。
【００２３】
図２に電磁波利得部の拡大図を示す。２０が高抵抗Siによる張り出し部、２１、２２はTi/Au等で構成した電極である。２３は半導体ヘテロ構造の電磁波利得部であり、典型的には全体のサイズとして２μm角程度、厚さは１μm程度である。電磁波利得部２３は、２電極２１、２２間に挟まるような形で、エピタキシャル成長の元となるInP基板から転写されている。このように転写した部位が図１（ａ）に示すA断面に４つ、B断面に４つで、合計８つ実装してある。電極２１、２２は低屈折率部に被さらないように６μmの幅となってフラクタル構造体１の外部に引き出され（図１（ｂ）の断面図で符号３ａ、３ｂで示す）、図１（ａ）の符号２で示したような電極パッドに接続されている。
【００２４】
次に、電磁波利得部について図３の伝導帯バンド図をもとに説明する。本実施例では３重障壁の共鳴トンネルダイオード構造とした。有機金属気相成長（MOCVD）法などで、n＋のコンタクト層InGaAs３５、３６、アンドープ障壁層AlInAs３０、３２、３４、アンドープ井戸層３１、３３がn-InP基板上に略格子整合するようにエピタキシャル成長されている。コンタクト層３５、３６の障壁層３０、３２に接する部分の近傍で数nm程度をアンドープにしてもよい。それぞれの厚さとしては、例えば、層３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６はそれぞれ４nm、５nm、４nm、１０nm、４nm、５００nm、５００nmとしたが、これに限るものではない。井戸層３１より井戸層３３の方が厚くなっているが、これは、図３（ｂ）に示すような量子準位３７と３８を実現するためである。
【００２５】
上記エピタキシャル層の転写にあたっては、エピタキシャル層の表面にAuGe/Ni/Au電極を形成してアロイした後に所望のサイズにカッティングし、まず張り出し部５側の電極との電極同士の圧着もしくはハンダ融着などによる接着を行う。その後、エピタキシャル層のサイドをレジストなどでカバーしてHCl：H２O＝４：１の混合液でウエットエッチングを行うと、InPがおよそ５μm／分のレートで除去されるが、コンタクト層であるInGaAs層が現れればエッチングがストップする。その結果、エピタキシャル層からInP基板が除去されてエピタキシャル層が張り出し部５側に転写される。そして、現れたInGaAs上にTi/Pd/Au電極２２をさらに形成すればよい。
【００２６】
上記の製造方法では、３次元的に屈折率が変調された屈折率分布構造体が多数の層に分割されており、各層をフォトリソグラフィーとエッチングによる表面プロセスで作製する工程と、各層を積層して接着する工程と、屈折率分布構造体のうち電磁波が閉じ込められる空間近傍に電磁波に対する利得を与える媒体を配置する工程とを含んでいる。特にこれはフラクタル構造体を有する電磁波素子の製造に適する。フラクタル構造体の電磁波素子の製造では、フラクタル構造体を作製した後に利得媒体部を挿入するとフラクタル構造自体が崩れてしまう恐れがあるからである。
【００２７】
図３（ｂ）は２つの電極２１、２２間に電圧を印加したときの伝導帯の様子である。電界が掛かるためにバンドが傾くが、量子井戸３１、３２内の量子準位３７と３８のエネルギー差がフラクタル構造体１の局在化する電磁波周波数と一致したところで、電磁波の誘導放出が起こり（すなわち、フォトンアシストトンネル（photon-assisted tunneling）によるサブバンド間遷移が起こり）、典型的には印加電圧１００mVで１THz近傍でのレーザ発振に至る。
【００２８】
ここでは共鳴トンネルダイオードを電磁波利得部としたが、上記非特許文献１で示すような量子カスケードレーザと同様の電磁波利得部の層構成にしてもよい。また、ここでは正方形に分割された８つの電磁波利得部４を示したが、２つの張り出し部を架橋してその上に短冊状の長方形にした電磁波利得部を形成したり、電磁波利得部の分割する数を増減させたりすることも可能である。
【００２９】
ところで、フラクタル構造では電磁波の閉じ込めが強いために、外部の特定方向に電磁波を取り出すには工夫が必要である。図４に示すようにテラヘルツ領域のファイバ伝送路４１のコア４０の先端をピッグテール形状にして、これをフラクタル構造体１の穴に差し込むことで伝送路４１に電磁波を伝搬させて出力を取り出すことができる。この場合、差込み量に応じて取り出し量も変化するが、奥に入りすぎると発振しきい値が上昇するので、仕様に応じて差込み量を制御する。ファイバとしては、テフロンやポリエチレンなどのプラスティックで形成された屈折率差を持つバルク体（コア−クラッド形態）、または細いパイプ状のファイバを束ねたフォトニック結晶タイプなどがある。差し込む部分となるコアの径は５０μmとしてあり、ここでのフラクタル構造体１の最も大きな穴の入り口である１辺５６．６μmの正方形に適合するようになっている。
【００３０】
以上は発振器としての動作を述べてきたが、しきい値以下にバイアスしてテラヘルツ電磁波の検出器や増幅器として用いることもできる。また、材料系として、AlGaAs/GaAs系やGaN/InN系など、異なる材料系を用いても良い。
【００３１】
本実施例によれば、共振器損失が比較的小さい構造とできて発振しきい値を低減し、比較的低消費電力、小型のものを実現できる。特に、ミリ波からテラヘルツ波の電磁波の効率の高い発生源として機能し、各種センシング等への応用分野を拡大することができる。
【００３２】
（実施例２）
本発明による第２の実施例は、図５のようにテラヘルツの平面伝送路に電磁波が結合するようにフラクタル構造体１を有するレーザを載せたものである。本実施例では、Siなどの基板５０上に、信号線５１としてマイクロストリップ線路が形成されている。５２は共振型のプリントダイポールアンテナである。フラクタル構造体１のレーザから発生したテラヘルツ電磁波は伝送線路５１を伝搬してアンテナ５２から外部に放射される。
【００３３】
この構成において、アンテナ５２あるいは伝送線路５１上に物体５３を置くと電磁波の伝搬状態が変化する。この変化によりフラクタル構造体１のレーザの発振状態が変化するので、伝送線路５１近傍に置いた物体５３の物性等をセンシングするセンサーとして用いることができる。これは、物体５３の誘電率や吸収係数などの違いで伝搬定数や振幅が変化し、伝送線路５１がフラクタル構造体１のレーザと電磁波的に結合しているのでこれの発振状態に影響するからである。この変化は、フラクタル構造体１のレーザを駆動している電極間の電圧あるいは電流の変化として検出することができる。
【００３４】
レーザが単一周波数で発振している場合には、その周波数近傍に対する特性の情報のみしか分からないが、周波数可変にして周波数スペクトルを取得できるようにすれば物体５３の物性検査として有効となる。
【００３５】
電磁波素子の周波数を変化させるには、印加する電圧を変化させて電磁波利得部の利得ピーク周波数を変化させるとともに、屈折率分布構造体１の電磁波の局在化する周波数が変化できればよい。そのために、LiNO３やBaSrNbO３などの結晶や高分子アゾベンゼン系の液晶、フォトクロミック材料など光照射で誘電率を変化できるもの、電界や圧力で誘電率あるは体積を変化できるピエゾ素子などで屈折率分布構造体を作製すればよい。誘電率を変化させれば局在周波数が変化するので発振周波数を変えることができる。
【００３６】
このような波長可変で小型のTHz領域のスペクトル測定装置が実現できるので、各種有機材料、生体分子、半導体・誘電体材料などの物質同定などに応用することができる。
【００３７】
（実施例３）
本発明による第３の実施例は、図６に示したように、３次元構造ではなく、１次元のフラクタル構造としてステージ３のCantor barを適用したものである。本実施例では、InP基板６０上に、実施例１と同様の構造をエピタキシャル成長したものを加工している。InP基板６０上の下部コンタクト層ｎ-InGaAs（不図示）に、グランドプレーンとなるTi/Au電極６４、絶縁体となるBCB（商品名サイクロテン）６１、Ti/Auから成る信号線６２のマイクロストリップ線路を構成している。
【００３８】
信号線６２は１次元フラクタル構造になるように途切れており、最も長い中央の信号線部分の長さが全体の１／３で、その信号線部分の両端付近に、実施例１と同様の共鳴トンネルダイオードによる電磁波利得部６３だけがエッチング後に残されている。絶縁部６１の厚さを２μmと厚くするために、絶縁部６１内に埋め込まれる形態の電磁波利得部６３のコンタクト層となるInGaAsは実施例１のそれよりも厚くしている。ここでは、全体の長さを約３００μmとしてテラヘルツ帯の電磁波発振デバイスを構成している。電源６５で２つの電磁波利得部６３に電圧を印加するとレーザ発振が可能となる。すなわち、電磁波利得部６３より発生する電磁波は信号線６２の長手方向に分布するが、特に電磁波利得部６３に電磁波が閉じ込められて振幅の強い部分が存在するようにできるので、レーザ発振に至るのである。電磁波は基板６０の途切れた信号線６２の両端面から空間に向けて取り出すことができる。この場合も、電磁波利得部として量子カスケードレーザと同様の構造を用いてもよい。
【００３９】
基板６０をSiとして、実施例１のように電磁波利得部を転写するタイプでもよい。また、このデバイスをしきい値以下で用いて、検出器や増幅器として用いることもできる。
【００４０】
本実施例では、上記実施例に比較すると、Ｑ値は高くないために発振しきい値は多少上昇するが、簡単な構造のために作製歩留まりは向上し、生産性も上がるので、低コスト化が可能となる。
【００４１】
（実施例４）
本発明による第４の実施例は、図７（ａ）のような井桁状に組んだ３次元フォトニック結晶７０を電磁波の閉じ込め構造体として利用するものである。高抵抗Siのロッド７３の接合によりフォトニック結晶７０が構成されているが、中央部に欠陥部７２を設けており、この近傍に電磁波が局在するように設計されている。欠陥部７２にある利得領域７１のロッド７３の拡大図を図７（ｂ）に示す。電磁波利得部７６に電力を供給する電極７４、７５がロッド７３上に形成されている。電磁波利得部７６の転写による作製法等は実施例１と同様である。
【００４２】
本実施例によるフォトニック結晶構造体では、波長の数倍（例えば、８倍程度）の複数の周期構造が必要になるために、波長程度のサイズでよいフラクタル構造よりも、全体サイズが多少大きくなる。しかし、フォトニック結晶は、フラクタル構造に比べて作製が容易で、３次元の高効率な電磁波閉じ込めが可能である。この場合にも、フォトニック結晶の材料はSi以外にも、樹脂材料、セラミック材料など様々なものが適用可能であり、作製も光を利用した方法等を用いることができる。レーザ発振に至る電磁波は発振モードによって指向性を持った方向に出射するので空間に取り出すことができる。
【００４３】
本実施例によっても、共振器損失が比較的小さい構造とできて発振しきい値を低減し、比較的低消費電力、比較的小型のものを実現できる。また、ミリ波からテラヘルツ波の電磁波の効率の高い発生源として機能し、各種センシング等への応用分野を拡大することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による第１実施例の電磁波発生・検出素子の構造図。
【図２】第１実施例の電磁波利得部の構造を説明する図。
【図３】電磁波利得部の動作を説明する図。
【図４】第１実施例の電磁波発生・検出素子における電磁波の取り出しを説明する図。
【図５】本発明による第２実施例の電磁波発生・検出素子を用いる物体の物性検査方法を説明する構造図。
【図６】本発明による第３実施例の電磁波発生・検出素子の構造図。
【図７】本発明による第４実施例の電磁波発生・検出素子の構造図。
【図８】電磁波発生素子の従来例を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１、６２、７０‥屈折率分布構造体（３次元フラクタル構造体、１次元フラクタル構造伝送線路、フォトニック結晶）
４、２３、６３、７６‥電磁波利得媒体
６‥電磁波が閉じ込められる領域（電磁波モード）
５１‥伝送線路
５３‥検査物体
【図１】
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【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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