(57)【要約】【課題】２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置に関して、高い光取り出し効率を有するとともに集積化に適し、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な、光源装置を提供すること。【解決手段】デバイス基板と、該デバイス基板上にウエハ接合用接着材料を介して形成された、コアに発光体が導入された２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路及び該水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーとを含む光源装置であって、該２次元フォトニック結晶光共振器が、少なくとも１つの鏡映面を有し、該水素化アモルファスシリコン光導波路が、２次元フォトニック結晶光共振器近傍において、少なくとも１つの鏡映面を有するとともに、２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されていることを特徴とする光源装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス基板と、該デバイス基板上にウエハ接合用接着材料を介して形成された、コアに発光体が導入された２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路及び該水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーとを含む光源装置であって、
該２次元フォトニック結晶光共振器が、少なくとも１つの鏡映面を有し、該水素化アモルファスシリコン光導波路が、２次元フォトニック結晶光共振器近傍において、少なくとも１つの鏡映面を有するとともに、２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
上記２次元フォトニック結晶が、三角格子２次元フォトニック結晶又は正方格子２次元フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料が、化合物半導体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体が、量子井戸、又は量子ドットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
上記２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ２であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
上記水素化アモルファスシリコン光導波路が、細線光導波路構造、又はリブ型光導波路構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
上記水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ２であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
上記水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーが、１次元フォトニック結晶、２次元フォトニック結晶又はループミラーであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
上記ウエハ接合用接着材料が、有機ポリマー又はＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
上記デバイス基板が、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板又は石英基板であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光インターコネクション、量子暗号通信等に利用される光源装置に係り、特に、２次元フォトニック結晶光共振器を用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小光共振器を用いた微小光源の研究が注目を集めている。
特に、図３６に示すような２次元フォトニック結晶（２−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ：２ＤＰＣ）光共振器の利用は、超小型、高性能な光共振器の実現が可能であることから、有力な方法の一つとして、大きく期待されている。
【０００３】
例えば、２ＤＰＣ光共振器中に、量子井戸、量子ドット等の発光体を導入することにより、高効率ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、低閾値レーザー、量子光源（単一光子源等）の実現が可能となる（非特許文献１、２）。
２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源は、光通信、光インターコネクション、量子暗号通信等への幅広い応用が期待される。
しかしながら、２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源には、以下の問題点が挙げられる。
【０００４】
第一の問題点として、２ＤＰＣ光共振器は、上下対称構造を有するため、上下方向に対して対称に光を放射することが挙げられる（図３７参照）。ここで、上面、及び下面への光出力が、それぞれ５０％となる。
よって、上面（又は下面）に受光光学系を配置した場合、光取り出し効率は、最大で５０％となる。
この時、他方への光出力５０％は、利用することができない。
【０００５】
第二の問題点として、２ＤＰＣ光共振器は、数μｍ程度の微小光共振器であるため、広い放射角に対して光を放射することが挙げられる。
広い放射角に対して光が放射される場合、受光光学系（例えば、光ファイバー）との接続においては、無視できない結合損失が生じる。
【０００６】
第一の問題点として挙げた上下対称構造に起因する５０％の損失に加えて、第二の問題点として挙げた受光光学系との接続に起因する損失により、２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源における光取り出し効率は、低い値となる。
受光光学系により取り出されず、損失となる光出力は、全くの無駄である。つまり、光取り出し効率が低い場合には、無駄な消費電力が生じていることになる。
よって、低消費電力化という観点から、高い光取り出し効率を有する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現が望まれる。
また、単一光子源への応用を考えた場合、単一光子が損失により失われると、直ちに情報が失われるため、高い光取り出し効率を有する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現が、特に、望まれる。
【０００７】
次に、実用化のためには、光源装置は、集積化に適した構造であることが求められる。集積化としては、光源装置同士の高集積化に加え、他の光デバイスとの光・光集積化、他の電子デバイスとの光・電子集積化が挙げられる。
よって、集積化に適した２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現が望まれる。
【０００８】
さらに、実用化のためには、光源装置は、光出力の偏波方向を制御できることが望ましい。例えば、注目を集めているシリコンフォトニクスでは、従来の石英系光デバイスに比べ、光デバイス特性の偏波依存性が大きいという問題が指摘されている。従って、光出力の際に、偏波方向を制御することは重要と言える。
よって、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現が望まれる。
【０００９】
また、単一光子源への応用を考えた場合、直交する２つの偏波方向に対して、信号の０、１を割り当てる量子暗号通信方式では、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現が、特に、望まれる。
また、πずれた２つの位相に対して、信号の０、１を割り当てる量子暗号通信方式においても、光デバイスの偏波依存性の影響を避けられることから、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現が望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】O. Painter et al、“Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser、” Science、vol.284、pp.1819-1821 (1999)
【非特許文献２】Dirk Englund et al、“Controlling the Spontaneous Emission Rate of Single Quantum Dots in a Two-Dimensional Photonic Crystal、” Physical Review Letters、vol.95、pp.013904-1-4 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置に関して、高い光取り出し効率を有するとともに集積化に適し、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な、光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）デバイス基板と、該デバイス基板上にウエハ接合用接着材料を介して形成された、コアに発光体が導入された２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路及び該水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーとを含む光源装置であって、  該２次元フォトニック結晶光共振器が、少なくとも１つの鏡映面を有し、該水素化アモルファスシリコン光導波路が、２次元フォトニック結晶光共振器近傍において、少なくとも１つの鏡映面を有するとともに、２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されていることを特徴とする光源装置。
（２）上記２次元フォトニック結晶が、三角格子２次元フォトニック結晶又は正方格子２次元フォトニック結晶であることを特徴とする（１）に記載の光源装置。
（３）上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料が、化合物半導体であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光源装置。
（４）上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体が、量子井戸、又は量子ドットであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の光源装置。
（５）上記２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ２であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の光源装置。
（６）上記水素化アモルファスシリコン光導波路が、細線光導波路構造、又はリブ型光導波路構造であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の光源装置。
（７）上記水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ２であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の光源装置。
（８）上記水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーが、１次元フォトニック結晶、２次元フォトニック結晶又はループミラーであることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の光源装置。
（９）上記ウエハ接合用接着材料が、有機ポリマー又はＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）であることを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の光源装置。
（１０）上記デバイス基板が、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板又は石英基板であることを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の光源装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路によるエバネッセント結合、反射ミラーを用いることで、従来のレンズ光学系による光取り出しに比べ、格段に高い光取り出し効率の実現が可能となる。
また本発明によれば、本光源装置は、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路に基づくシリコンフォトニクスデバイスとの高効率な接続が可能である。
例えば、本光源装置は、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路に、スポットサイズ変換器を付け加えることで、光ファイバーとの高効率な接続が可能である。
【００１４】
さらに本発明によれば、ウエハ接合用接着材料によるウエハ接合を導入しており、他の光デバイスとの光・光集積化、他の電子デバイスとの光・電子集積化が実現可能である。
また本発明によれば、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されているため、光出力の偏波方向を、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の一例。
【図２】２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の一例。
【図３】光源装置の構成要素である２ＤＰＣ光共振器の一例。
【図４】光源装置の構成要素であるａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一例。
【図５】２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の配置方法の一例。
【図６】光源装置の構成要素であるａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の例。
【図７】光源装置の構成要素である反射ミラーの例。
【図８】作製上生じる２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置合わせ誤差の説明図。
【図９】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板とデバイス基板の一例。
【図１０】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。
【図１１】ウエハ接合界面へのウエハ接合用接着材料の導入例。
【図１２】ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合の一例。
【図１３】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板に対して余分な部材の除去を実施した例。
【図１４】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料への２ＤＰＣ光共振器構造の導入例。
【図１５】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。
【図１６】低屈折率材料上へのａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の導入例。
【図１７】ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路上への低屈折率材料の導入例。
【図１８】低屈折率材料上へのａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造の導入例。
【図１９】ａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造上への低屈折率材料の導入例。
【図２０】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料への２ＤＰＣ光共振器構造の導入例。
【図２１】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。
【図２２】低屈折率材料上へのａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の導入例。
【図２３】ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路上への低屈折率材料、ａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造の導入例。
【図２４】ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合の一例。
【図２５】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板に対して余分な部材の除去を実施した例。
【図２６】２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。
【図２７】２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例の説明図。
【図２８】２ＤＰＣＬ７光共振器の一例。
【図２９】２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードの電界分布（Ｅｙ）の一例。
【図３０】積層型１ＤＰＣの一例。
【図３１】２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例における鏡映面上の電界分布（Ｅｙ）の一例。
【図３２】２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例の説明図。
【図３３】２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラーの距離を変化させた場合の光取り出し効率。
【図３４】２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラーの距離を変化させた場合のＱ値。
【図３５】２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の配置方法の一例。
【図３６】従来法による２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の一例。
【図３７】上下対称構造を有する２ＤＰＣ光共振器における放射光の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１、２に、本発明に係る２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例を示す。
本光源装置は、第一の構成要素として、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を含む。例えば、上記２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体を用いる。
【００１７】
本光源装置は、第二の構成要素として、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体を含む。例えば、上記発光体としては、量子井戸、量子ドットを用いる。
【００１８】
本光源装置は、第三の構成要素として、２ＤＰＣ光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料を含む。例えば、上記低屈折率材料としては、ＳｉＯ２を用いる。
【００１９】
本光源装置は、第四の構成要素として、ａ−Ｓｉ：Ｈをコアとする光導波路を含む。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、２ＤＰＣ光共振器内で生成された光を、効率よく取り出すために使用される。
【００２０】
本光源装置は、第五の構成要素として、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料を含む。例えば、上記低屈折率材料としては、ＳｉＯ２を用いる。
【００２１】
本光源装置は、第六の構成要素として、水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーを含む。本構成要素は、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一端に配置され、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一方向のみに、光を出力するために使用される。例えば、上記反射ミラーとしては、１ＤＰＣ、２ＤＰＣ、又はループミラーを用いる。
【００２２】
本光源装置は、第七の構成要素として、ウエハ接合用接着材料を含む。例えば、上記ウエハ接合用接着材料としては、有機ポリマーの一種であるＢＣＢ樹脂を用いる。
【００２３】
本光源装置は、第八の構成要素として、デバイス基板を含む。例えば、上記デバイス基板としては、Ｓｉ基板を用いる。
【００２４】
上記一〜三の構成要素により、２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源が形成される。
上記四〜六の構成要素により、２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源に対する、光取り出し構造が形成される。
上記四〜六の構成要素は、高い光取り出し効率を有する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現に寄与する。
【００２５】
上記七の構成要素を用いたウエハ接合工程を用いることで、２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源を、様々なデバイス基板上に集積することが可能となる。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合は、ウエハ接合界面に凹凸が存在する場合にも、良好なウエハ接合が可能であるという特長がある。つまり、２ＤＰＣ光共振器を用いた微小光源を、光デバイス、電子デバイス上へ集積することも可能である。
上記七の構成要素を用いたウエハ接合工程の導入により、他の光デバイスとの光・光集積化、他の電子デバイスとの光・電子集積化が実現可能となる。
上記七の構成要素は、集積化に適した、２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現に寄与する。
また、上記七の構成要素を用いたウエハ接合工程を用いることで、２ＤＰＣ光共振器コアの上下両面に低屈折材料を導入することが可能となる。
【００２６】
さらに、本発明に係る２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置は、光出力の偏波方向の制御を実現するために、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路に関して、以下の条件を満たす必要がある。
（１）本光源装置において、２ＤＰＣ光共振器は、少なくとも一つの鏡映面を含むこと（図３）。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、２ＤＰＣ光共振器近傍において、少なくとも一つの鏡映面を含むこと（図４）。
（２）２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、互いの鏡映面が重なり合うように配置されること（図５）。
このように、互いの鏡映面が重なり合うように配置することで、光出力の偏波方向を、ＴＥ偏波、又はＴＭ偏波に制御することが可能となる。
上記鏡映面に関する条件は、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実現に寄与する。
【００２７】
上記鏡映面に関する条件を考慮しないで２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の配置を行った場合には、光出力の偏波方向は、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波の両方を含んだ状態となる。よって、光デバイスの偏波依存性が大きい場合、光制御に支障が生じる問題がある。
【００２８】
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料として、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体を挙げたが、本発明では、その他の材料を用いてもよい。
例えば、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料として、Ｓｉを、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料中に導入する発光体として、Ｇｅ量子ドットを利用する場合が挙げられる。
【００２９】
上記実施例では、２ＤＰＣとして、三角格子２ＤＰＣを用いているが（図１）、本発明では、その他の２ＤＰＣを用いてもよい。例えば、正方格子２ＤＰＣの利用が挙げられる。
また上記実施例では、２ＤＰＣの基本構造として、円孔を用いているが（図１）、本発明では、その他の基本構造を用いてもよい。例えば、楕円孔、三角孔の利用が挙げられる。
【００３０】
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器として、円孔を複数埋め込んだ２ＤＰＣ光共振器を用いているが（図１）、本発明では、その他の２ＤＰＣ光共振器を用いてもよい。
例えば、２ＤＰＣ光共振器の形成方法としては、円孔サイズを変える方法、円孔位置をシフトさせる方法、２ＤＰＣ線欠陥導波路をヘテロ接続させる方法、２ＤＰＣ線欠陥導波路の一部に変調構造を導入する方法が挙げられる。
但し、本発明において、２ＤＰＣ光共振器は、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路と共有することが可能な鏡映面を、少なくとも一つはもつ必要がある。
【００３１】
ここで、２ＤＰＣ光共振器の構造としては、２ＤＰＣ光共振器中心から十分離れた領域、すなわち、２ＤＰＣ光共振器の共振モードの電磁界が無視できる程減衰している領域の構造は考慮しなくてよい。実際に、２ＤＰＣ光共振器の動作上、有効な範囲において、上記鏡映面に関する条件が満たされれば、問題ない。
【００３２】
上記実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路として、直方体型細線光導波路構造を用いているが（図１、２）、本発明では、その他の光導波路構造を用いてもよい。例えば、ハの字型細線光導波路構造、リブ型光導波路構造、直方体型細線光導波路構造に新たな材料（例えば、ＳｉＮ）を付加した光導波路構造が挙げられる（図６）。
【００３３】
上記実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路として、先端部まで一様な光導波路構造を用いているが（図１、２）、本発明では、一様でない光導波路構造を用いてもよい。
例えば、先端部を細くした光導波路構造、先端部を太くした光導波路構造、導波路幅を任意に変調した光導波路構造が挙げられる。
但し、本発明において、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、２ＤＰＣ光共振器と共有することが可能な鏡映面を、少なくとも一つはもつ必要がある。
【００３４】
ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の鏡映面は、２ＤＰＣ光共振器近傍でのみ存在が求められる。つまり、２ＤＰＣ光共振器中心から十分離れた領域、すなわち、２ＤＰＣ光共振器の共振モードの電磁界が無視できる程減衰している領域においては、鏡映面をもたない光導波路構造が許される。例えば、鏡映面をもたない光導波路構造としては、曲がり光導波路が挙げられる。
【００３５】
上記実施例では、水素化アモルファスシリコン光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーとして、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路上部にグレーティング構造を導入した積層型１ＤＰＣを用いているが（図１、２）、本発明では、その他の１ＤＰＣを用いてもよい。
例えば、１ＤＰＣとしては、櫛形１ＤＰＣ，円孔型１ＤＰＣ、四角孔型１ＤＰＣ，四角柱型１ＤＰＣが挙げられる（図７）。また、２ＤＰＣ、ループミラーを利用してもよい。
【００３６】
上記実施例では、反射ミラーによって、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一方向のみに、光を出力するとしたが、本発明では、反射ミラーの反射率を抑え、一部の光を反射ミラー側に出力することも可能である。反射ミラーの反射率を適切に調整することで、２方向に、任意の配分で光を出力することが可能である。例えば、用途としては、反射ミラー側の光出力をモニター用に利用する場合が挙げられる。
例えば、反射ミラーの反射率を調整する方法としては、１ＤＰＣの周期数を調整する方法が挙げられる。
【００３７】
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、互いの鏡映面が重なり合うように配置されるとした（図５）。しかしながら、本光源装置を実際に作製する際には、作製上生じる位置合わせ誤差により、互いの鏡映面にわずかな位置ずれΔｒが発生する（図８）。
本発明では、２つの鏡映面の位置ずれΔｒが零であることが理想的であるが、Δｒが零から外れたからといって、突然に動作不良に至るわけではない。Δｒが十分小さな値であれば、正常な動作が保証される。これは、通常の光デバイスにおける作製誤差に関する議論と同様である。
【００３８】
本発明において、２つの鏡映面の位置ずれΔｒは、十分小さな値であることが望ましい。例えば、最新のフォトリソグラフィ技術を用いれば、位置ずれΔｒを数十ｎｍ以下の十分小さな値に抑えることが可能である。
【００３９】
上記実施例では、低屈折率材料として、ＳｉＯ２を挙げたが、本発明では、その他の低屈折率材料を用いてもよい。また、複数の低屈折率材料を組み合わせて用いてもよい。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）、ＳｉＮ、有機ポリマー、樹脂が挙げられる。
【００４０】
上記実施例では、ウエハ接合用接着材料として、ＢＣＢ樹脂を挙げたが、本発明では、その他のウエハ接合用接着材料を用いてもよい。例えば、ＳＯＧ、有機ポリマー、樹脂、金属材料が挙げられる。
【００４１】
上記実施例では、デバイス基板として、Ｓｉ基板を挙げたが、本発明では、その他の基板を用いてもよい。また、デバイス基板上には、任意のデバイス（例えば、光デバイス、電子デバイス）が作製されていてもよい。例えば、デバイス基板としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、石英基板、化合物半導体基板が挙げられる。
【００４２】
次に、本発明による２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の作製方法の一例を簡単に説明する。
第一に、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板と、デバイス基板を用意する（図９）。例えば、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としては、化合物半導体が挙げられる。例えば、デバイス基板としては、Ｓｉ基板が挙げられる。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上に、２ＤＰＣ光共振器のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１０）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
【００４３】
ウエハ接合用接着材料をウエハ接合界面に塗布する（図１１）。例えば、ウエハ接合用接着材料としては、ＢＣＢ樹脂が挙げられる。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合を実施する（図１２）。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板のうち、余分な部材を除去する（図１３）。
【００４４】
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に、２ＤＰＣ光共振器構造を作製する（図１４）。
２ＤＰＣ光共振器、及びａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１５）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
【００４５】
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する（図１６）。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１７）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
【００４６】
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を伝搬する光を反射するための反射ミラーとして、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路上部に、ａ−Ｓｉ：Ｈを用いたグレーティング構造を形成する（図１８）。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路とａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造により、積層型１ＤＰＣが形成される。
【００４７】
最後に、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１９）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
以上の作製工程を用いることで、図１で示した本発明に係る２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置を実際に作製することができる。
【００４８】
本発明に係る２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の作製に当たって、次のような作製工程を用いてもよい。
上記実施例では、ウエハ接合後に、２ＤＰＣ光共振器構造を作製したが（図１４）、本発明では、最初の段階で、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に２ＤＰＣ光共振器構造を作製してもよい。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板上に、ウエハ接合用接着材料を塗布しているが（図１１）、本発明では、デバイス基板側にウエハ接合用接着材料を塗布してもよい。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板における余分な部材を除去する際、犠牲層を用いるとしているが（図１２、１３）、本発明では、その他の基板除去法を用いてもよい。例えば、エッチストップ層を用いる方法、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法、水素イオン注入を用いる方法が挙げられる。
【００４９】
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器の直上にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成しているが（図１６）、２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成してもよい。
２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する場合の作製工程としては、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板上にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を作製し、その後、ウエハ接合を用いてデバイス基板上に集積するという工程が挙げられる。
図２０〜図２６に、作製工程の説明図を示す。但し、本作製工程では、最初の段階で、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に２ＤＰＣ光共振器構造を作製するとした。
以下に、作製工程を簡単に説明する。
【００５０】
第一に、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板と、デバイス基板を用意する。２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としては、化合物半導体が挙げられる。また、デバイス基板としては、Ｓｉ基板が挙げられる。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に、２ＤＰＣ光共振器構造を作製する（図２０）。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上に、２ＤＰＣ光共振器、及びａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図２１）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
【００５１】
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する（図２２）。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する。ａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造を形成する。再び、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図２３）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
【００５２】
ウエハ接合用接着材料をウエハ接合界面に塗布する。例えば、ウエハ接合用接着材料としては、ＢＣＢ樹脂が挙げられる。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合を実施する（図２４）。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板のうち、余分な部材を除去する（図２５）。
【００５３】
最後に、２ＤＰＣ光共振器のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図２６）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２が挙げられる。
以上の作製工程を用いることで、２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成した、本発明による２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置を実際に作製することができる。
【００５４】
また、２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する場合の作製工程としては、上記作製工程の他に、例えば、デバイス基板上にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を作製、その後、ウエハ接合を用いてデバイス基板上に２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板を集積するという作製工程も挙げられる。
【００５５】
本発明に係る２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例について具体的な数値を挙げて説明する。以下では、光通信波長１．５５μｍ、ＴＥ偏波の光を出力する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例を例示する。
【００５６】
図２７に、２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の実施例の断面図を示す。
図２８に、本実施例で用いた２ＤＰＣ光共振器の構造を示す。本２ＤＰＣ光共振器は、円孔を７個埋め込むことで形成されることから、一般に、２ＤＰＣＬ７光共振器と呼ばれる。
本２ＤＰＣＬ７光共振器は、光共振器のＱ値を向上させるために、光共振器両端の円孔位置を微調整している。１個目の円孔を、外側に０．２５ａシフト、３、４個目の円孔を、外側に０．１８ａシフトさせている。ａは、２ＤＰＣの円孔間隔である。
ここで、２ＤＰＣ光共振器のコアの屈折率は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体を想定し、３．４とした。また、２ＤＰＣ光共振器のクラッドの屈折率は、ＳｉＯ２を想定し、１．４４５とした。
【００５７】
２ＤＰＣのコアの厚さを２７４ｎｍ、円孔間隔を３９２ｎｍ、円孔半径を１２２ｎｍとした場合、本２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードの共振波長は１．５５μｍとなる。ここで、本２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードは、１４万８０００と十分大きなＱ値を有する。
図２９に、本２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードの電界分布（Ｅｙ）を示す。
【００５８】
本実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路として、幅４００ｎｍ、高さ２００ｎｍの直方体型細線光導波路を用いた。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のコアの屈折率は、３．５とした。また、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドの屈折率は、ＳｉＯ２を想定し、１．４４５とした。
本ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、光通信波長１．５５μｍ、ＴＥ偏波に対して、シングルモード条件を満たす。
【００５９】
次に、本実施例では、反射ミラーとして、積層型１ＤＰＣを用いた（図３０）。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造は、周期３３６ｎｍ、幅１６８ｎｍ、高さ１１０ｎｍとした。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路とａ−Ｓｉ：Ｈグレーティング構造の中心間距離は、１９２ｎｍとした。
この場合、積層型１ＤＰＣは、１．５５μｍ、ＴＥ偏波の光を反射する反射ミラーとして機能する。
【００６０】
図３１に、上記で説明した２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路、反射ミラーを用いた場合の数値解析結果を示す。図３１では、鏡映面上における電界分布（Ｅｙ）を示している。数値解析手法としては、一般的な３次元電磁界解析手法である３ＤＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。
図３１より、２ＤＰＣＬ７光共振器から、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一方向（右方向）に対して、良好に光が取り出されていることが分かる。
【００６１】
ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路中を伝搬する光は、ＴＥ偏波のみである。これは、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、２ＤＰＣＬ７光共振器の共振モードが、ＴＥ偏波であることに起因する。
偏波制御においては、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の鏡映面を一致させることが非常に重要である。
【００６２】
次に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離（図３２）を６０３ｎｍと固定し、２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラーの距離（図３２）を、変化させた場合の、光取り出し効率、Ｑ値を示す。
【００６３】
図３３に、２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラーの距離を変化させた場合の光取り出し効率を示す。２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラー１個目のグレーティングの中心間距離を、４．１〜４．９μｍまで変化させた。ここで、グレーティング構造の周期数は、１６周期とした。
中心間距離４．４８μｍにおいて、光取り出し効率９０％以上が実現されている。
【００６４】
図３４に、２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラーの距離を変化させた場合のＱ値を示す。光取り出し効率９０％以上が得られる中心間距離４．４８μｍにおけるＱ値は、３１００である。この値は、微小レーザー、単一光子源の実現が十分に可能な値である。
【００６５】
ここで、グレーティング構造の周期数を増加させた場合、反射特性は向上する。上記構造（２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離６０３ｎｍ、２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラー１個目のグレーティングの中心間距離４．４８μｍ）に対して、グレーティング構造の周期数を１６周期から３１周期に増加させた場合、光取り出し効率が２％向上し、光取り出し効率９４％が得られた。
【００６６】
さらに、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離を６７２ｎｍ、２ＤＰＣＬ７光共振器、反射ミラー１個目のグレーティングの中心間距離を４．４８μｍとした場合、光取り出し効率９０％、Ｑ値１万６００が実現された。
このように、本発明では、１万程度の十分に高いＱ値を実現すると同時に、高い光取り出し効率を実現することも可能である。
【００６７】
本発明では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路によるエバネッセント結合、反射ミラーを用いることで、従来のレンズ光学系による光取り出しに比べ、格段に高い光取り出し効率の実現が可能である。
以上、光通信波長１．５５μｍ、ＴＥ偏波の光を出力する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置の具体的な実施例について説明を行った。
【００６８】
上記実施例では、ＴＥ偏波の光を出力する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置に関して説明を行ったが、本発明では、ＴＭ偏波の光を出力する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置を実現することも可能である。
【００６９】
出力される光の偏波は、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上における、２ＤＰＣ光共振器の共振モードの偏波方向で決定される。
上記実施例のように、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、２ＤＰＣ光共振器の共振モードがＴＥ偏波である場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を伝搬する光もＴＥ偏波となる。
【００７０】
一方、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、２ＤＰＣ光共振器の共振モードがＴＭ偏波である場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を伝搬する光もＴＭ偏波となる。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、ＴＥ偏波となる基底共振モードを用いたが、共有する鏡映面上において、ＴＭ偏波となる高次共振モードに注目すれば、ＴＭ偏波の光を出力する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置を実現できる。
【００７１】
また、図３５に示すように２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を配置した場合、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の共有する鏡映面上において、基底共振モードはＴＭ偏波となる。よって、この場合にも、ＴＭ偏波の光を出力する２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置を実現できる。
【００７２】
本発明は、２ＤＰＣ光共振器を用いた光源装置に関して、高い光取り出し効率を有する、集積化に適した、光出力の偏波方向を所望の方向に制御することが可能な、光源装置を提供するものであり、今後、光通信、光インターコネクション、量子暗号通信等への幅広い応用が期待される。
【図３３】
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【図３４】
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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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