(57)【要約】【課題】光学材料の応答特性をより高速にする。【解決手段】光学材料は、母体１０１と、母体１０１に分散された半導体からなる複数の微結晶１０２とを備える。母体１０１は、微結晶１０２を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。また、複数の微結晶１０２の粒径分布の平均値は、微結晶１０２の内部の原子数に対する微結晶１０２の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母体と、この母体に分散された半導体からなる複数の微結晶とを備え、
前記母体は、前記半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成され、
複数の前記微結晶の粒径分布の平均値は、前記微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている
ことを特徴とする光学材料。
【請求項２】
請求項１記載の光学材料において、
前記微結晶は、水素もしくは酸素により終端されたダングリングボンドを備えることを特徴とする光学材料。
【請求項３】
請求項１または２記載の光学材料において、
前記光学材料は、光導波路のコアの材料として用いられることを特徴とする光学材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノサイズの半導体微結晶を含んで構成された光学材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信用光ネットワーク，光通信，光制御用光回路，および光機能素子においては、ＧＨｚ以上の高速動作が必要とされている。これは、時間領域で言うとピコ秒領域での高速動作となる。しかしながら、従来より光素子の材料（光学材料）として用いられているバルク半導体の時間応答特性は、ナノ秒程度であり、上述した要求が満たされていない。
【０００３】
これに対し、例えばドット構造などのように半導体の微結晶を用いることで、より高速な動作を実現しようとする提案がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C.Y.Jin, et al. ,"Vertical-geometry all-optical switches based on InAs/GaAs quantum dots in a cavity", Appl. Phys. Lett. , vol.95, 021109, 2009.
【非特許文献２】H.Shinojima, "Optical Nonlinearity in CdSSe Microcrystallites Embedded in Glasses", IEICE TRANS. ELECTRON, vol.E90-C, no.1,pp.127-134, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、微結晶を用いるキャリア誘起の屈折率変化型の高速応答光素子では、微結晶を用いているがバルク半導体の特性を多く含み、高速応答を可能とする微結晶の寸法について、設計指針が規定されていなく曖昧である。
【０００６】
例えば、上述したような光素子として、ＣｄＳＳｅの微結晶をガラス中に分散したものがある。この技術では、ガラス中に分散されたＣｄＳＳｅ微結晶の寸法（粒子径）が数１００ｎｍ程度の大きさである場合、この素子の光応答時間を縮退四光波混合の実験によって調べると、少なくともピコ秒オーダーとナノ秒オーダーとの２つの応答時間を含むことが示される。
【０００７】
ここで、縮退四光波混合の実験で測定されるエネルギー緩和時間は、光励起キャリアの緩和時間を反映し、遅い緩和成分の存在は、系の励起キャリアの遅い緩和の存在を示すが、同一の径の中でナノ秒オーダーの長い緩和があると、系の光応答時間はナノ秒オーダーとなる。従って、上述した素子では、早い応答特性の可能性を有しながら、ナノ秒オーダーの遅い応答時間の方で、系の応答特性が決められしまい、ピコ秒領域での高速動作が得られていない。
【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、光学材料の応答特性をより高速にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光学材料は、母体と、この母体に分散された半導体からなる複数の微結晶とを備え、母体は、上記半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成され、複数の微結晶の粒径分布の平均値は、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【００１０】
上記光学材料において、微結晶は、水素もしくは酸素により終端されたダングリングボンドを備えるようにしてもよい。なお、光学材料は、例えば、光導波路のコアの材料として用いられる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、母体に分散された半導体からなる複数の微結晶の粒径分布の平均値は、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされているようにしたので、光学材料の応答特性をより高速にすることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光学材料の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、ガラスの母体にＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88の微結晶が分散した光学材料を試料として用いた縮退四光波混合の実験結果である。
【図３】図３は、本実施の形態における光学材料を用いた光導波路の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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光学材料の構成を模式的に示す断面図である。光学材料は、母体１０１と、母体１０１に分散された半導体からなる複数の微結晶１０２とを備える。母体１０１は、微結晶１０２を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成されている。また、複数の微結晶１０２の粒径分布の平均値は、微結晶１０２の内部の原子数に対する微結晶１０２の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされている。
【００１４】
例えば、母体１０１は、ソーダガラスなどのガラスより構成されていればよい。また、微結晶１０２は、ＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88から構成されていればよい。また、複数の微結晶１０２の平均粒径は、１ｎｍ程度とされていればよい。微結晶１０２の粒径が１ｎｍ程度であれば、微結晶１０２の内部の原子数に対する微結晶１０２の表面の原子数の割合が、１より大きくなる。
【００１５】
このような光学材料は、母体を構成する材料および微結晶の材料を混合した混合原料を、全ての成分が溶解する温度に加熱して溶解させ、融液において各成分を均一な状態にしてから、所定の停止温度まで徐冷し、停止温度の状態を所定時間（停止時間）維持し、この後、室温にまで徐冷することで形成することができる。
【００１６】
例えば、ガラスを構成する成分およびＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88を混合した混合材料を用意し、この混合材料を１０００℃以上に加熱して溶解する。次いで、溶解した状態を所定の時間維持し、また、融液を撹拌することなどにより、融液における各成分を均一にする。次に、融液を８００℃程度にまで徐々に冷却（徐冷）する。この停止温度としての８００℃の状態を所定の停止時間維持した後、室温にまで徐冷すればよい。停止温度および停止時間を制御することで、微結晶の平均粒径を制御することができる。停止温度を高くし、また、停止時間を長くするほど、微結晶の平均粒径が大きくなる。
【００１７】
また、上述した混合原料における微結晶の材料の組成比を制御することで、光学材料における微結晶の密度（分布）を制御することができる。当然ながら、混合原料における微結晶の材料の組成を多くすることで、光学材料における微結晶の密度を高くすることができる。また、光学材料における微結晶に密度は、光学材料の所望とする特性が得られるように、適宜に設定すればよい。
【００１８】
なお、母体１０１のバンドギャップエネルギーが微結晶１０２より大きくないと、例えば光励起により生成した電子・正孔の再結合など光による応答を、選択的に微結晶１０２において起こさせることができなくなる。従って、母体１０１は、微結晶１０２を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成する。
【００１９】
このように構成した本実施の形態における光学材料によれば、微結晶１０２においては、結晶内部におけるバルク半導体の遅い光応答特性より、結晶表面における励起キャリアの表面再結合過程に起因した高速光応答が支配的になる。この結果、この光学材料を用いた光素子の応答速度を向上させることができるようになる。なお、この光学材料は、非線形光学現象を起こすものとなる。
【００２０】
以下、上述した光応答についてより詳細に説明する。
【００２１】
まず、ガラスより母体を構成し、この母体中にＣｄＳＳｅ微結晶を分散させた光学材料を試料とした縮退四光波混合（非特許文献１参照）の実験の結果について示す（非特許文献２参照）。図２は、ガラスの母体にＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88の微結晶が分散した光学材料を試料として用いた縮退四光波混合の実験結果である。この図２は、母体（ガラス）中のＣｄＳＳｅ微結晶の縮退四光波混合過程におけるエネルギー緩和の時間変化（エネルギー緩和曲線）の、微結晶粒径依存性を示している。
【００２２】
図２において、Ｒavは、母体中に分散しているＣｄＳ0.12Ｓｅ0.88微結晶の粒径分布の平均値を示している。この実験では、Ｒavとして、１ｎｍ，３ｎｍ，５ｎｍ，および１０．８ｎｍを試料としている。なお、各粒径は、透過型電子顕微鏡による試料の観察で得られた値である。また、例えば、Ｒavが１ｎｍの試料では、透過型電子顕微鏡の観察の結果、微結晶の分布（微粒子密度）が、１０15個／ｃｍ3であった。
【００２３】
図２に示されているように、Ｒav＝３ｎｍ，５ｎｍ，および１０．８ｎｍでは、エネルギー緩和の時間変化の曲線に２つの傾き成分が見られ、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和の時間変化が、２成分から構成されていることがわかる。また、図２より、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和曲線を構成する２つの緩和成分を特徴付ける緩和時間は、微結晶の粒径（平均粒径）が小さいほど短縮される（高速になる）ことがわかる。加えて、平均粒径が１ｎｍの条件では、ＣｄＳＳｅ結晶のエネルギー緩和曲線が、１つの緩和成分から構成されるものとなり、長い緩和時間をもつ緩和成分が全く観測されなくなることがわかる。
【００２４】
この実験結果は、平均粒径が１ｎｍの条件では、微結晶粒の表面における励起キャリアの再結合過程が顕著になり、これが、微結晶粒内部での励起キャリアの再結合過程を確率の上で上回っていることを示している。ここで、粒径が１ｎｍの条件は、半導体微結晶表面にある原子数の微結晶内部にある原子数に対する割合が、おおよそ１より大きくなる状態である。
【００２５】
従って、半導体からなる複数の微結晶の粒径分布の平均値が、微結晶の内部の原子数に対する微結晶の表面の原子数の割合が、１より大きくなる値とされていれば、バルク半導体の遅い光応答特性より、微粒子化により発現した励起キャリアの表面再結合過程に起因した高速光応答が支配的になる。このような状態として微結晶粒における励起キャリアの再結合時間に要する時間を制御することで、系の時間応答を制御することができるようになる。
【００２６】
ところで、微結晶粒を分散させる母体の材料は、ガラスに限るものではなく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）やアモルファス状のシリコンから構成してもよい。これらの材料を用いることで、既存の光通信用光ネットワーク、光通信，光制御用光回路，および光機能素子などに対して整合性よく本実施の形態の光学材料を適用させることができる。また、上述したガラスなどの非晶質状態の材料より母体を構成することで、前述した光学材料の作製における停止温度や停止時間の制御により、微結晶の大きさを制御することが容易である。
【００２７】
図３は、本実施の形態における光学材料を用いた光導波路の構成例を示す断面図（部分）である。この光導波路は、本実施の形態による光学材料からなるコア３０１と、コア３０１に連結しているシリコンからなるコア３０２と、これらコアを覆う酸化シリコンからなるクラッド３０４とから構成されている。これらは、所謂シリコン細線導波路である。
【００２８】
この光導波路は、コア３０１を本実施の形態における光学材料から構成しており、母体としてのシリコンからなるコア３０１の中に分散された半導体からなる複数の微結晶３０３を備える。微結晶３０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体の結晶から構成してもよく、また、ゲルマニウムなどの半導体の結晶から構成してもよい。
【００２９】
この光導波路では、コア３０１の部分において、光スイッチなどの機能を発現させることができる。このように構成した光導波路によれば、コア３０１の径をより小さくすることができるので、光スイッチなどの機能を備える光導波路全体の小型化が図れる。加えて、コア３０１の部分においては、光電場集中による光非線形効果を向上させることができる。
【００３０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、母体として用いるガラスは、ソーダガラスに限るものではなく、石英ガラスなどの他のガラスでもよい。また、母体は、ＺｎＯ，ＧａＮ，およびＢＮから構成することもできる。これら材料を用いる場合においても、母体はアモルファスなど非晶質状態の材料から構成するとよい。
【００３１】
また、微結晶は、ＣｄＳＳｅに限らず、亜鉛，カドミウム，硫黄，セレン，テルル，およびマンガンの中より選択された元素の化合物からなる半導体であればよい。また、微結晶は、インジウム，ガリウム，窒素，砒素，およびリンの中より選択された化合物からなる半導体で構成してもよい。
【００３２】
また、微結晶の表面におけるキャリアの再結合の状態は、微結晶表面のダングリングボンドの状態（数）によって影響を受ける。従って、微結晶表面のダングリングボンドの状態を制御することで、光学材料の特性を制御することができる。例えば、微結晶の表面にあるダングリングボンドを水素あるいは酸素で終端することで、微結晶の表面状態を制御すればよい。終端したダングリングボンドの割合により、光学材料の特性を制御することができる。この終端は、例えば、光学部品を水素雰囲気中で加熱すればよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０１…母体，１０２…微結晶。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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