(57)【要約】【課題】シリコンからなる発光素子により、高効率で高い発光強度が得られるようにする。【解決手段】シリコン細線コア１０２にスロット１２１が形成され、スロット１２１の内部に活性層１２２が配置されている。スロット１２１は、シリコン細線コア１０２の延在方向（光の導波方向）に延在して設けられ、長辺の長さがＬの平面視長方形に形成されている。例えば、スロット１２１の最も広い部分の幅Ｇは、０．０５μｍに形成され、シリコン細線コア１０２の幅Ｗは、０．４１μｍに形成され、シリコン細線コア１０２の高さＨは、０．３μｍに形成されている。また、活性層１２２は、例えばエルビウムなどの希土類元素のイオンが添加（分散）された酸化シリコンから構成されている。【選択図】  図１
2006332137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成されてたシリコンからなるコアと、
前記コアから構成された導波路の光入射端と、
前記コアの一部に前記コアの上面より光の導波方向に延在して形成されたスロットと、
このスロット内部に形成されて発光部質を含む活性層と、
前記導波路の光出射端と
を少なくとも備え、
前記導波路は、シングルモード導波路であり、
前記スロットの幅は、高々０．１μｍである
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の発光素子において、
前記活性層が配置されている前記コアの領域に配置された共振器を備える
ことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項２記載の発光素子において、
前記共振器は、前記活性層が配置されている前記コアの領域を挾むように前記コアに形成された第１回折格子及び第２回折格子から構成されたものである
ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項２記載の発光素子において、
前記共振器は、前記活性層が配置されている前記コアの領域に形成された回折格子から構成されたものである
ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項２記載の発光素子において、
前記共振器は、前記活性層が配置されている前記コアよりなるリング共振器から構成されたものである
ことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項１記載の発光素子において、
前記スロットの端部は、先細りに形成されている
ことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項３記載の発光素子において、
前記第１回折格子及び第２回折格子は、前記コアの両方の側面及び前記コアの上面のいずれかに形成されている
ことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項４記載の発光素子において、
前記回折格子は、前記コアの両方の側面及び前記コアの上面のいずれかに形成されている
ことを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項３又は７記載の発光素子において、
前記第１回折格子が形成されている前記コアに接続して前記下部クラッド層の上に形成された第１スラブシリコン層と、
前記第２回折格子が形成されている前記コアに接続して前記下部クラッド層の上に形成された第２スラブシリコン層と、
前記第１スラブシリコン層に接続する第１電極と、
前記第２スラブシリコン層に接続する第２電極と
を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
請求項４又は８記載の発光素子において、
前記回折格子が形成されている前記コアに接続して前記下部クラッド層の上に形成されたスラブシリコン層と、
このスラブシリコン層に接続する第１電極及び第２電極と
を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項１１】
請求項３，４，７及び８のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記下部クラッド層の上に形成された複数の前記発光素子と、
複数の前記発光素子に近設して配置されたシリコンからなるチャネルコアと
を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項１２】
請求項５記載の発光素子において、
前記下部クラッド層の上に形成された複数の前記発光素子を備えることを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンをコアとした導波路を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信用の発光素子が抱えている大きな課題の一つに、低コスト化がある。従来の光通信用発光素子は、直接遷移型の化合物半導体を用いたものが主流となっている。この形態の発光素子は、化合物半導体基板をもとに、結晶成長技術及び微細加工技術を用いて素子を作製しているが、基板は大きなものでも直径３インチ程度であり、大量生産には限界がある。また結晶成長技術が必須となり、基板あたりの製造原価も高い。
【０００３】
一方、化合物半導体以外を用いた発光素子としては、希土類イオンを発光材料とするものがある。光ファイバのコア中心部にＥｒイオンをドープし、波長０．９８μｍから１．４８μｍの電磁波（光）で励起することで、通信波長帯である１．５５μｍ付近の発光を得ることができる。しかしながら、発光素子として十分な光出力強度を得るためには、希土類イオンが添加された光ファイバを数十メートルにまで長くする必要があるため、装置が大きくなる。このため、希土類イオンを利用した技術は、光増幅器としては広く普及しているが、発光素子として実用化されるにはいたっていない。
【０００４】
ところで、メモリや演算装置などの電子デバイスは、主にシリコンをもとに作製されている。これらシリコンデバイスの製造に用いられるシリコン基板は、大きなもので直径が１２インチに達し、また、化合物半導体に比べて微細加工技術や量産技術が先行しており、安価なデバイスを大量に生産することが可能となっている。更に、シリコン用の製造装置は広く普及しており、また、現在も急速な勢いで開発が進められている。このため、シリコンによる発光素子が実現できれば、この市場に対する影響は計り知れない。しかし、シリコンは間接遷移型の半導体であるため、発光を得ることが容易ではない。シリコンの微細構造等を用いて発光素子を作製する試みはあるが、デバイスとして大量生産されているものは未だない。
【０００５】
シリコンを用いた発光素子以外の光部品の開発は、盛んに行われている（非特許文献１参照）。シリコンは、通信波長帯である波長１．５５μｍ付近の電磁波に対して屈折率が約３．５と大きいため、シリコンをコアとし、酸化シリコンなどをクラッドとする誘電体チャネル導波路を形成すると、上記波長に対してコア断面が概ね０．４μｍ角以下になることは広く知られている。この場合、コア部分での光強度が光ファイバの光強度に対して１０００倍程度になるため、コア部分にＥｒイオンなどの蛍光物質が分散されていれば、高効率な発光が期待できると考えられる。
【０００６】
【非特許文献１】K.Yamada, et al., "Microphotonics devices Based on Silicon Wire Waveguiding System", IEICE TRANS. ELECTRON., Vol.E87-C, No.3, pp. 351-358, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、半導体結晶中のＥｒイオンは、常温では効率的に励起できないことがわかっている。シリコン結晶の代わりにアモルファスシリコンを用いると効率的な励起が可能だが、現在得られるアモルファスシリコンは光伝搬損失が小さくなく、結果として、効率のよい発光デバイス開発までにはいたっていない。
【０００８】
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、シリコンからなる発光素子により、高効率で高い発光強度が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る発光素子は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成されてたシリコンからなるコアと、コアから構成された導波路の光入射端と、コアの一部にコアの上面より光の導波方向に延在して形成されたスロットと、このスロット内部に形成されて発光部質を含む活性層と、導波路の光出射端とを少なくとも備え、導波路は、シングルモード導波路であり、スロットの幅は、高々０．１μｍであるようにしたものである。スロットの部分では電場強度が増強され、この領域に配置された活性層に励起光が導入されると、活性層に含まれる発光部質より発光が得られる。なお、スロットの端部は、先細りに形成されていてもよい。
【００１０】
上記発光素子において、活性層が配置されているコアの領域に配置された共振器を備えることで、レーザ発振が得られるようになる。なお、共振器は、活性層が配置されているコアの領域を挾むようにコアに形成された第１回折格子及び第２回折格子から構成されたものであってもよい。第１回折格子及び第２回折格子は、コアの両方の側面及びコアの上面のいずれかに形成されていればよい。この場合、第１回折格子が形成されているコアに接続して下部クラッド層の上に形成された第１スラブシリコン層と、第２回折格子が形成されているコアに接続して下部クラッド層の上に形成された第２スラブシリコン層と、第１スラブシリコン層に接続する第１電極と、第２スラブシリコン層に接続する第２電極とを備えることで、発振する波長の変調が可能となる。
【００１１】
また、上記発光素子において、共振器は、活性層が配置されているコアの領域に形成された回折格子から構成されたものであってもよい。回折格子は、コアの両方の側面及びコアの上面のいずれかに形成されていればよい。この場合、回折格子が形成されているコアに接続して下部クラッド層の上に形成されたスラブシリコン層と、このスラブシリコン層に接続する第１電極及び第２電極とを備えることで、発振する波長の変調が可能となる。また、共振器は、活性層が配置されているコアよりなるリング共振器から構成されたものであってもよい。
【００１２】
上記発光素子において、下部クラッド層の上に形成された複数の発光素子と、複数の発光素子に近設して配置されたシリコンからなるチャネルコアとを備えるようにしてもよい。また、リング共振器の場合、下部クラッド層の上に形成された複数の発光素子を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、シリコンからなるコアに設けられて幅が０．１μｍ以下とされたスロットに活性層を配置し、電場強度が増強される領域で発光が得られるようにしたので、シリコンからなる発光素子により、高効率で高い発光強度が得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における発光素子の構成例を模式的に示す平面図（ａ），（ａ’）及び断面図（ｂ），（ｃ）である。この発光素子は、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０１の上に、例えば単結晶シリコンから構成されたシリコン細線コア１０２及びシリコン細線コアを覆うように配置された上部クラッド層１０３を備えている。シリコン細線コア１０２は、多結晶シリコンやアモルファスシリコンから構成されていてもよ。ここで、下部クラッド層１０１の表面で形成される平面に接触しているシリコン細線コア１０２の面を下面とし、これに対向しているシリコン細線コア１０２の面を上面とし、これらに隣接して上記平面にほぼ垂直なシリコン細線コア１０２の面を側面とする。
【００１５】
また、シリコン細線コア１０２の入力端及び出力端には、例えば酸窒化シリコンから構成されたスポットサイズ変換コア１０４及びスポットサイズ変換コア１０５が配置され、スポットサイズ変換コア１０４には、入力側の光ファイバ１０６が光接続し、スポットサイズ変換コア１０５には、出力側の光ファイバ１０７が光接続している。また、スポットサイズ変換コア１０４の領域において、シリコン細線コア１０２は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状とされている。同様に、スポットサイズ変換コア１０５の領域において、シリコン細線コア１０２は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りの形状とされている。また、スポットサイズ変換コア１０４，スポットサイズ変換コア１０５の形成領域にも、これらを覆うように上部クラッド層１０３が形成されている（図１（ｃ））。
【００１６】
また、スポットサイズ変換コア１０４，スポットサイズ変換コア１０５は、高さ，幅が、光ファイバ１０６及び光ファイバ１０７のコアの半分程度からほぼ同程度までの寸法となっている。これらのように構成されたスポットサイズ変換領域においては、「シリコン細線コア１０２の屈折率＞スポットサイズ変換コア１０４，スポットサイズ変換コア１０５の屈折率＞上部クラッド層１０３の屈折率」となっている。このように構成したスポットサイズ変換領域により、光ファイバ１０６を導波してきた光は、損失が低減された状態でスポットサイズが変換され、シリコン細線コア１０２の一端に結合される。同様に、シリコン細線コア１０２を出射した光は、損失が低減された状態でスポットサイズが変換され、光ファイバ１０７へ結合される。
【００１７】
加えて、図１に示す発光素子は、シリコン細線コア１０２にスロット１２１が形成され、スロット１２１の内部に活性層１２２が配置されている。スロット１２１は、シリコン細線コア１０２の延在方向（光の導波方向）に延在して設けられ、長辺の長さがＬの平面視長方形に形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、下部クラッド層１０１の平面の法線方向（膜厚方向）に、シリコン細線コア１０２の上面からシリコン細線コア１０２の底面にかけて貫通して形成されている。例えば、スロット１２１の最も広い部分の幅Ｇは、０．０５μｍに形成され、シリコン細線コア１０２の幅Ｗは、０．４１μｍに形成され、シリコン細線コア１０２の高さＨは、０．３μｍに形成されている。また、活性層１２２は、例えばエルビウムなどの希土類元素のイオンが添加（分散）された酸化シリコンから構成されている。活性層１２２は、シリコン細線コア１０２より屈折率の低い材料を基部とし、ここに希土類元素のイオンや蛍光物質などの励起光により発光する発光物質が添加されていればよい。
【００１８】
このように構成された発光素子によれば、まず、シリコン細線コア１０２のスロット１２１が設けられている領域において、図２に示すように、スロット１２１の部分における電場強度が、スロットのないコアに比較して著しく増大する。従って、図１に示す発光素子によれば、シリコン細線コア１０２の活性層１２２の部分は、光強度を著しく大きくすることが可能となる。従って、シリコン細線コア１０２よりなる導波路に、例えば波長１．４８ｎｍの励起光を入射することで、通信波長帯となる波長１．５４μｍの発光が、活性層１２２より効率的に得られるようになる。なお、図２において、スロット１２１を備えたシリコン細線コア１０２（導波路）の断面方向（図１のｂｂ線方向）の電場強度が実線で示され、スロットのないコア（導波路）の電場強度が、波線で示されている。
【００１９】
また、図１に示す発光素子では、シリコン細線コア１０２における群屈折率が、スロット１２１の形成領域とスロット１２１のない領域とでは異なる。このため、スロット１２１の両端部の境界面１３１，境界面１３２で反射があり、シリコン細線コア１０２の活性層１２２の配置部では、長さＬのファブリペロ共振器が形成された状態となっている。この結果、活性層１２２による発光は、上記ファブリペロ共振器により増幅され、レーザ発振（多モード発振）へと至る。なお、図３に示すように、スロット１２１の幅が０．１μｍを超えると、この部分における電場強度の増大効果が、あまり得られなくなる。図３において、縦軸の値（電場強度2）が１は、スロットがないシリコン細線コアの値を示している。従って、スロット１２１の幅は、高々０．１μｍ（０．１μｍ以下）とすればよい。
【００２０】
ここで、シリコン細線コア１０２は、断面寸法が１μｍより小さいので、シリコン細線コア１０２より構成される導波路は、波長４μｍ以下の光がシングルモードで伝搬する。言い換えると、シリコン細線コア１０２は、酸化シリコンからなるクラッドと構成される導波路が、シングルモードとなる寸法に形成されていればよい。例えば、赤外光をシングルモードとする場合、シリコン細線コア１０２の断面寸法は、縦及び幅が、０．３〜０．４μｍ程度とされていればよい。
【００２１】
なお、図１に示す発光素子は、市販されているＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで容易に製造可能である。例えば、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０１として用い、埋め込み絶縁層の上のＳＯＩ層を微細加工することで、シリコン細線コア１０２及びスロット１２１が形成可能である。このようにスロット１２１が形成された後、例えば、塩化エルビウムが分散添加されているＳＯＧ（Spin on Glass）をスピンコートして添加膜が形成された後、これを微細加工することで、スロット１２１の内部に活性層１２２が形成された状態とすることができる。また、これらの上に、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法により酸窒化シリコンの膜を形成し、この膜を微細加工することでスポットサイズ変換コア１０４及びスポットサイズ変換コア１０５が形成された状態とすることができる。
【００２２】
また、これらの上に、例えばＣＶＤ法により酸化シリコンの膜を形成し、この膜を微細加工することで、上部クラッド層１０３が形成された状態とすることができる。また、所望の屈折率を備えた有機樹脂を塗布し、この塗布膜を微細加工することで、上部クラッド層１０３が形成された状態としてもよい。なお、上述した微細加工としては、例えば、公知の電子線リソグラフィー技術もしくはフォトリソグラフィー技術と、公知のドライエッチング技術とを用いればよい。また、ナノインプリンティング技術によりパターンの形成を行うようにしてもよい。
【００２３】
ところで、例えば図４の平面図に示すように、活性層１２２（スロット１２１）の両端部において、シリコン細線コア１０２に他より細い細部４０１，細部４０２が形成されているようにしてもよい。このようにすることで、より高い反射率となった反射面４３１，反射面４３２よりなるファブリペロ共振器が構成でき、多モード発振のレーザとすることができる。図４では、シリコン細線コア１０２の側部に凹部を形成ることで、細い部分が形成されるようにしたが、図５に示すように、シリコン細線コア１０２の上面に凹部を形成することで、細い部分が形成されるようにしてもよい。なお、図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ），（ｃ）は断面図である。また、図５（ａ）では、下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０３を省略している。図５に示す構成によれば、シリコン細線コア１０２の上面に形成された凹部により、細部５０１，細部５０２が形成され、より高い反射率の反射面５３１，反射面５３２が形成された状態となる。
【００２４】
また、図６の平面図に示すように、活性層１２２の領域を挾むように、シリコン細線コア１０２にコア径が周期的に変化するブラッグミラー６０１，ブラッグミラー６０２が形成されているようにしてもよい。図６では、シリコン細線コア１０２の側面に凹凸（回折格子）を形成することで、ブラッグミラー６０１，ブラッグミラー６０２が形成された状態としている。このように構成されたブラッグミラー６０１，ブラッグミラー６０２により共振器が構成され、図６に一部を示す発光素子によれば、単一モード発振のレーザが得られる。なお、図６では、下部クラッド層，上部クラッド層，及びスポットサイズ変換の部分を省略しているが、これらの他の構成は、図１に示す発光素子と同様である。
【００２５】
また、図７に示すように、シリコン細線コア１０２の上面にブラッグミラー７０１，ブラッグミラー７０２が形成されていてもよい。なお、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ），（ｃ）は断面図である。また、図７（ａ）では、下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０３を省略している。図７に示す構成によれば、シリコン細線コア１０２の上面に形成されたブラッグミラー７０１，ブラッグミラー７０２により共振器が構成され、図７に一部を示す発光素子によれば、単一モード発振のレーザが得られる。
【００２６】
また、図８の平面図に示すように、シリコン細線コア１０２の活性層１２２が形成されている領域に、コア径が周期的に変化するブラッグミラー８０１が形成されているようにしてもよい。図８では、シリコン細線コア１０２の側面に凹凸（回折格子）を形成することで、ブラッグミラー８０１が形成された状態としている。このように構成されたブラッグミラー８０１により共振器が構成され、図８に一部を示す発光素子によれば、単一モード発振のレーザが得られる。また、ブラッグミラー８０１は、均一な周期構造に限らず、λ／４（λは発振波長）シフト構造であってもよい。このようにすることで、安定した単一モード発振が得られる。なお、図８では、下部クラッド層，上部クラッド層，及びスポットサイズ変換の部分を省略しているが、これらの他の構成は、図１に示す発光素子と同様である。
【００２７】
また、図９の平面図に示すように、スロット１２１にスロット幅が周期的に変化するブラッグミラー９０１が形成されているようにしてもよい。このように構成されたブラッグミラー９０１により共振器が構成され、図９に一部を示す発光素子によれば、単一モード発振のレーザが得られる。また、ブラッグミラー９０１は、均一な周期構造に限らず、λ／４（λは発振波長）シフト構造であってもよい。このようにすることで、安定した単一モード発振が得られる。なお、図９では、下部クラッド層，上部クラッド層，及びスポットサイズ変換の部分を省略しているが、これらの他の構成は、図１に示す発光素子と同様である。
【００２８】
また、図１０に示すように、活性層１２２が形成されている領域のシリコン細線コア１０２の上面にブラッグミラー１００１が形成されていてもよい。なお、図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ），（ｃ）は断面図である。また、図１０（ａ）では、下部クラッド層１０１，上部クラッド層１０３を省略している。図１０に示す構成によれば、シリコン細線コア１０２の上面に形成されたブラッグミラー１００１により共振器が構成され、図１０に一部を示す発光素子によれば、単一モード発振のレーザが得られる。また、ブラッグミラー１００１は、均一な周期構造に限らず、λ／４（λは発振波長）シフト構造であってもよい。このようにすることで、安定した単一モード発振が得られる。
【００２９】
なお、図１に示す発光素子では、スロット１２１の形状によりこの両端部の境界面１３１，境界面１３２に反射があるようにしたが、図１１（ａ）の平面図に示すように、端部が、先細りに形成されたスロット１１２１により、活性層１１２２が形成されているようにしてもよい。先細りとすることで、スロット１１２１の端部における導波光の内部反射が低減される。このように構成すると、共振器の構造が得られずレーザ発振は得られないが、励起光により活性層１２２より発光が得られ、発光素子として機能する。
【００３０】
これとは逆に、図１１（ｂ）の平面図に示すように、中央部に比較して端部の方が幅広に形成されたスロット１１２１ａにより、活性層１１２２ａが形成されているようにしてもよい。このように構成することで、スロット１１２１ａの両端部の境界面１１３１，境界面１１３２における反射強度を向上させることができる。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図１２は、本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。図１２に一部を示す発光素子は、リング状のシリコン細線コア１２０２と、これに方向性結合器１２４１により結合するシリコン細線コア１２１１及び方向性結合器１２４２により結合するシリコン細線コア１２１２とを備える。シリコン細線コア１２０２により、よく知られたリング共振器が構成されている。また、図１２に一部を示す発光素子では、シリコン細線コア１２０２にスロットが形成され、スロットの内部に活性層１２２２が配置されている。スロットは、シリコン細線コア１２０２の延在方向（光の導波方向）に延在して、リング状に設けられている。
【００３２】
例えば、スロットの最も広い部分の幅Ｇは、０．０５μｍに形成され、シリコン細線コア１２０２の幅は、０．４１μｍに形成され、シリコン細線コア１２０２の高さは、０．３μｍに形成されている。また、活性層１２２２は、例えばエルビウムなどの希土類元素のイオンが添加（分散）された酸化シリコンから構成されている。なお、図示していないが、各コアは、クラッド層により覆われて導波路を形成している。このように構成された発光素子によれば、シリコン細線コア１２１１による導波路に励起光を入射することで、入射された励起光が方向性結合器１２４１によりシリコン細線コア１２０２に結合する。このことにより、シリコン細線コア１２０２では、結合した励起光により活性層１２２２のエルビウムが励起され、活性層１２２２より発光が得られ、得られた発光がリング共振器により増幅され、多モード発振する。発振したレーザ光は、方向性結合器１２４２によりシリコン細線コア１２１２よりなる導波路に結合して導波し、出力される。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図１３は、本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１３に一部を示す発光素子は、電極１３０８，電極１３０９によりキャリアを注入することで、発振波長を変化させるようにしたものである。この発光素子は、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０１の上に、例えば単結晶シリコンから構成されたシリコン細線コア１０２を備え、シリコン細線コア１０２にスロット１２１が形成され、スロット１２１の内部に活性層１２２が配置されている。また、活性層１２２の領域を挾むように、シリコン細線コア１０２にコア径が周期的に変化するブラッグミラー部１３０１，ブラッグミラー部１３０２が形成されている。
【００３４】
加えて、図１３に示す発光素子では、ブラッグミラー部１３０１，ブラッグミラー部１３０２の形成領域に、シリコン細線コア１０２に接続してシリコン細線コア１０２より薄く形成されたスラブシリコン層１０２ａを備え、スラブシリコン層１０２ａに、電極１３０８，電極１３０９が接続されている。スラブシリコン層１０２ａは、ブラッグミラー部１３０１形成領域のシリコン細線コア１０２接続する部分と、ブラッグミラー部１３０２形成領域のシリコン細線コア１０２接続する部分とを備える。また、これら２つの部分は、シリコン細線コア１０２とは離間した部分のスラブシリコン層１０２ａにより接続されている。
【００３５】
このように構成された図１３の発光素子によれば、電圧が印加された電極１３０８及び電極１３０９により、ブラッグミラー部１３０１及びブラッグミラー部１３０２にキャリアを注入することで、ブラッグミラー部１３０１及びブラッグミラー部１３０２における反射特性を変化させることができる。このように、共振器を構成するブラッグミラー部１３０１及びブラッグミラー部１３０２における反射特性を変化させることにより、図１３の発光素子によれば、発振波長を変化させることが可能とされている。なお、各ブラッグミラー部の構成は、図７に示す発光素子と同様にしてもよい。
【００３６】
また、図１４に示す発光素子においても、電極１４０８，電極１４０９によりキャリアを注入することで、発振波長を変化させることができる。図１４は、本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１４に一部を示す発光素子は、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０１の上に、例えば単結晶シリコンから構成されたシリコン細線コア１０２を備え、シリコン細線コア１０２にスロット１２１が形成され、スロット１２１の内部に活性層１２２が配置されている。また、活性層１２２の領域において、シリコン細線コア１０２にコア径が周期的に変化するブラッグミラー部１４０１が形成されている。
【００３７】
加えて、図１４に示す発光素子では、ブラッグミラー部１４０１の形成領域に、シリコン細線コア１０２に接続してシリコン細線コア１０２より薄く形成されたスラブシリコン層１０２ｂを備え、スラブシリコン層１０２ｂに、電極１４０８，電極１４０９が接続されている。電極１４０８及び電極１４０９は、活性層１２２の領域を挾むように配置されている。このように構成された図１４の発光素子によれば、電圧が印加された電極１４０８及び電極１４０９により、ブラッグミラー部１４０１にキャリアを注入することで、ブラッグミラー部１４０１における反射特性を変化させることができる。このように、共振器を構成するブラッグミラー部１４０１における反射特性を変化させることにより、図１４の発光素子によれば、発振波長を変化させることが可能とされている。なお、ブラッグミラー部の構成は、図９，１０に示す発光素子と同様にしてもよい。
【００３８】
次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図１５は、本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。図１５は、図６に例示する発光素子を集積したものである。図１５において、複数の発光素子部１５０１が、シリコンからなるチャネルコア１５１０に近設して配置されている。なお、図示していないが、各発光素子１５０１及びチャネルコア１５１０は、例えば二酸化シリコンからなるクラッドにより覆われている。
【００３９】
このように構成された集積化発光素子によれば、チャネルコア１５１０よりなる導波路に励起光を導波させることで、導波している励起光が近設配置されている各発光素子部１５０１に結合し、各発光素子部１５０１の活性層１２２より発光が得られる。この結果、各発光素子部１５０１よりレーザ発振が得られる。発光からレーザ発振に至る過程は、例えば、図６に示す発光素子と同様である。各発光素子部１５０１毎に、ブラッグミラーの反射状態を変えることで、単一モードに発振した複数の波長のレーザ光が得られるようになる。
【００４０】
次に、本発明の実施の形態における他の発光素子について説明する。図１６は、本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。図１６は、図１２に例示する発光素子を集積したものである。図１６において、複数の発光素子部１６０１が、共通に設けられたシリコン細線コア１６１１に、各々方向性結合器１６４１により光結合して配置されている。また、各発光素子部１６０１において、シリコン細線コア１６１２が、方向性結合器１６４２により光結合している。各発光素子部１６０１は、図１２に示す発光素子と同様である。なお、図示していないが、各発光素子部１６０１及びシリコン細線コア１６１１，シリコン細線コア１６１２は、例えば二酸化シリコンからなるクラッドにより覆われている。
【００４１】
このように構成された集積化発光素子によれば、シリコン細線コア１６１１よりなる導波路に励起光を導波させることで、導波している励起光が方向性結合器１６４１を介して各発光素子部１６０１に結合し、各発光素子部１６０１の活性層１２２２より発光が得られる。この結果、各発光素子部１６０１よりレーザ発振が得られる。発光からレーザ発振に至る過程は、例えば、図１２に示す発光素子と同様である。
【００４２】
なお、上述では、希土類元素としてエルビウムを用いる場合について説明したが、これに限るものではなく、ツリウム（Ｔｍ），プラセオジウム（Ｐｒ）及びホルミウム（Ｈｏ）などを用いるようにしてもよい。例えば、ツリウムを用いた場合、発光波長は１．６５μｍとなり、ホルミウムを用いた場合、発光波長は１．９６μｍとなる。また、これらを組み合わせて添加することで、発光波長帯を広くすることが可能となる。また、活性層は、これらの希土類元素のイオンが添加（分散）された酸化シリコンに限らず、上記希土類元素のイオンが添加された酸窒化シリコン、窒化シリコンから構成されていてもよい。また、活性層は、上記希土類元素のイオンが添加されたエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの有機材料から構成されていてもよい。
【００４３】
ところで、スロットは、シリコン細線コアを貫通していてもよく、シリコン細線コアの上面よりシリコン細線コアの途中まで形成されているようにしてもよい。また、シングルモードで光が導波する範囲であれば、屈曲した部分であってもスロットを設けることが可能である。また、下部クラッド層１０１の平面方向において、スロットは、シリコン細線コア１０２の中央に配置されている必要はない。ただし、シリコン細線コア１０２のほぼ中央にスロットが配置されるようにすることで、電場強度の増大効果が最も高く得られるようになる。また、上述では、活性層が形成されているシリコン細線コアに励起光を導波させることで、活性層に励起光が照射されるようにしたが、活性層が形成されている部分のシリコン細線コアが露出する窓を設け、ここより励起光を照射するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態における発光素子の構成例を模式的に示す平面図（ａ），（ａ’）及び断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】スロット１２１が形成されたシリコン細線コア１０２における断面方向の電場強度の分布を示す分布図である。
【図３】スロットの幅と電場強度との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図６】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図８】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図１１】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ），断面図（ｂ）である。
【図１４】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図（ａ），断面図（ｂ）である。
【図１５】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態における他の発光素子の一部構成例を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１…下部クラッド層、１０２…シリコン細線コア、１０３…上部クラッド層、１０４，１０５…スポットサイズ変換コア、１０６，１０７…光ファイバ、１２１…スロット、１２２…活性層、１３１，１３２…境界面。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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