(57)【要約】      （修正有）【課題】互いに波長の異なる複数種類の光を出射可能としながら、小型化を図ることができる多波長光源装置およびこれを用いた多波長光源システムを提供する。【解決手段】多波長光源装置１０１は、半導体基材および半導体基材中に分散された量子ドットから構成される活性層１１３を有する積層構造体１１０を備える。ここで、積層構造体１１０は、２次元フォトニック結晶を構成する第１フォトニック結晶領域ＰＣ１〜ＰＣ４と、幅方向における両側に第１フォトニック結晶領域ＰＣ１が隣接しフォトニック結晶領域を伝播できない第１波長帯域の光の一部の第２波長帯域の光が伝播可能な複数の第１導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４とから構成される。そして、発光材料における、光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、第２波長帯域の高状態密度波長帯域に含まれ、複数の第１導波路領域のうちの少なくとも２つの高状態密度波長帯域が互いに異なる。【選択図】図１０
2015060880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基材および当該半導体基材中に分散された発光材料から構成される活性層を有する積層構造体を備える多波長光源装置であって、
前記積層構造体は、
２次元フォトニック結晶を構成する第１フォトニック結晶領域と、
幅方向における両側に前記第１フォトニック結晶領域が隣接し前記フォトニック結晶領域を伝播できない第１波長帯域の光の一部の第２波長帯域の光が伝播可能な複数の第１導波路領域とから構成され、
前記発光材料における、光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、第２波長帯域の高状態密度波長帯域に含まれ、
前記複数の第１導波路領域のうちの少なくとも２つの前記高状態密度波長帯域が互いに異なる
多波長光源装置。
【請求項２】
前記複数の第１導波路領域それぞれにおける前記第２波長帯域および前記高状態密度波長帯域が、互いに異なる
請求項１記載の多波長光源装置。
【請求項３】
前記フォトニック結晶領域は、前記積層構造体における、前記積層構造体の厚み方向に貫通し且つ前記積層構造体の厚み方向に直交する方向に周期的に並列する複数の空孔が形成された領域であり、
前記第１波長帯域、前記第２波長帯域および前記高状態密度波長帯域が、前記複数の空孔の空孔間隔、前記複数の空孔それぞれの大きさおよび前記積層構造体の厚みの少なくとも１つに基づいて定まる
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項４】
前記積層構造体は、前記複数の第１導波路領域において生成された光の全てを伝送する光伝送部を更に有し、
前記光伝送部は、
２次元フォトニック結晶を構成する第２フォトニック結晶領域と、
幅方向における両側に前記第２フォトニック結晶領域が隣接し前記第２フォトニック結晶領域を伝播できない第３波長帯域の光の一部の第４波長帯域の光が伝播可能な第２導波路領域とから構成され、
前記第２導波路領域には、前記複数の第１導波路領域が並列に接続され、
前記第４波長帯域は、前記複数の第１導波路領域それぞれの前記高状態密度波長帯域全てを含む
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項５】
前記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの前記高状態密度波長帯域は、他の第１導波路領域の前記第２波長帯域よりも短波長側に存在する
請求項４記載の多波長光源装置。
【請求項６】
前記第２フォトニック結晶領域は、前記積層構造体における、前記積層構造体の厚み方向に貫通し且つ前記積層構造体の厚み方向に直交する方向に周期的に並列する複数の空孔が形成された領域であり、
前記第３波長帯域および前記第４波長帯域が、前記複数の空孔の空孔間隔、前記複数の空孔それぞれの大きさおよび前記積層構造体の厚みの少なくとも１つに基づいて定まる
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項７】
前記複数の第１導波路領域は、直列に結合され、
前記複数の第１導波路領域の少なくとも１つの前記高状態密度波長帯域は、他の第１導波路領域の前記第２波長帯域内に存在する
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項８】
前記複数の第１導波路領域は、その１つの並び方向において、前記高状態密度波長帯域が漸次長波長側に移動していくよう配置され、
前記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの前記第２波長帯域は、前記１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域の高状態密度波長帯域とを含む
請求項７記載の多波長光源装置。
【請求項９】
前記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの前記高状態密度波長帯域は、前記１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域の前記第２波長帯域よりも長波長側に存在する
請求項８記載の多波長光源装置。
【請求項１０】
前記発光材料は、複数の量子ドットから構成される
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項１１】
前記複数の量子ドットは、サイズ分布を有し、
当該サイズ分布が、前記複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が前記複数の第１導波路領域それぞれの前記高状態密度波長帯域の全てを含むように設定されている
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の多波長光源装置と、
前記多波長光源装置の前記複数の第１導波路領域それぞれに励起光を照射する励起光源と、を備える
多波長光源システム。
【請求項１３】
前記励起光源は、前記複数の第１導波路領域毎に、複数個設けられている
請求項１２記載の多波長光源システム。
【請求項１４】
前記励起光源は、前記複数の第１導波路領域それぞれに対して、時分割で順次励起光を照射していく
請求項１３記載の多波長光源システム。
【請求項１５】
前記積層構造体の前記複数の第１導波路領域毎に設けられた複数の電極を更に備える
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の多波長光源装置。
【請求項１６】
前記積層構造体は、前記複数の電極のうち隣り合う２つの電極の間の領域に、当該２つの電極のいずれか一方から注入された電流が他の電極に対応する前記第１導波路領域に流入するのを抑制する電流ブロック層を有する
請求項１５記載の多波長光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多波長光源装置およびこれを用いた多波長光源システムに関し、特に、フォトニック結晶を利用した多波長光源装置およびこれを用いた多波長光源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長の異なる複数種類の光を出射する多波長光源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この種の多波長光源装置としては、例えば、半導体レーザと波長変換素子とを組み合わせたものや互いに発振波長が異なる複数のレーザ光源を組み合わせたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−６６０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の多波長光源装置では、半導体レーザと波長変換素子とを組み合わせたり複数の半導体レーザを用いたりする必要があることから、多波長光源の小型化が困難となる虞があった。
【０００５】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、互いに波長の異なる複数種類の光を出射可能としながら、小型化を図ることができる多波長光源装置およびこれを用いた多波長光源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）ある観点から見た本発明に係る多波長光源装置は、半導体基材および当該半導体基材中に分散された発光材料から構成される活性層を有する積層構造体を備える多波長光源装置であって、積層構造体が、２次元フォトニック結晶を構成する第１フォトニック結晶領域と、幅方向における両側に第１フォトニック結晶領域が隣接し第１フォトニック結晶領域を伝播できない第１波長帯域の光の一部の第２波長帯域の光が伝播可能な複数の第１導波路領域とから構成され、発光材料における、光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、第２波長帯域の高状態密度波長帯域に含まれ、複数の第１導波路領域のうちの少なくとも２つの高状態密度波長帯域が互いに異なる。
【０００７】
本構成によれば、発光材料における、光学遷移可能な２つの電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、第２波長帯域の高状態密度波長帯域に含まれる。これにより、発光材料において、高状態密度波長帯域に含まれる波長の光の放出を伴う２つの電子準位間の光学遷移が促進されるいわゆるパーセル効果を発生させることができるので、高状態密度波長帯域に含まれる波長の光を増強して当該波長を発振波長とするレーザ光を生成することができる。そして、複数の第１導波路領域のうちの少なくとも２つの高状態密度波長帯域が互いに異なることにより、発振波長の異なる少なくとも２種類のレーザ光を出射する多波長光源を実現することができる。従って、発振波長の異なる複数種類のレーザ光が、対応するレーザ光源素子から各別に出射される多波長光源に比べて、集積化が容易であり、小型化を図ることができる。
また、発光材料において、パーセル効果により高状態密度波長帯域に含まれる波長の光が増強されることに伴い、当該高状態密度波長帯域に含まれる発振波長でのレーザ発振が起こりやすくなる。即ち、比較的低い励起密度でレーザ光を得ることができるので、消費電力の低減を図ることができる。
【０００８】
（２）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記複数の第１導波路領域それぞれにおける上記第２波長帯域および上記高状態密度波長帯域が、互いに異なるものであってもよい。
本構成によれば、複数の第１導波路領域における高状態密度波長帯域が互いに異なることにより、複数の第１導波路領域それぞれにおいてパーセル効果により増強される光の波長が互いに異なる。従って、互いに波長が異なる複数種類のレーザ光を出射できる。
また、複数の第１導波路領域それぞれにおいて、他の第１導波路領域から出射された光の一部が第１導波路領域に進入しないようにすることができるので、第１導波路領域における戻り光ノイズの発生を抑制できる。
【０００９】
（３）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記フォトニック結晶領域が、上記積層構造体における、積層構造体の厚み方向に貫通し且つ積層構造体の厚み方向に直交する方向に周期的に並列する複数の空孔が形成された領域であり、上記第１波長帯域、上記第２波長帯域および上記高状態密度波長帯域が、複数の空孔の空孔間隔、複数の空孔それぞれの大きさおよび積層構造体の厚みの少なくとも１つに基づいて定まるものであってもよい。
本構成によれば、複数の空孔の空孔間隔、複数の空孔それぞれの大きさおよび積層構造体の厚みの少なくとも一つを変化させることにより、第１波長帯域、第２波長帯域および高状態密度波長帯域を変化させることができるので、第１波長帯域、第２波長帯域および高状態密度波長帯域の設計の容易化を図ることができる。
【００１０】
（４）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記積層構造体が、上記複数の第１導波路領域において生成された光の全てを伝送する光伝送部を更に有し、上記光伝送部が、２次元フォトニック結晶を構成する第２フォトニック結晶領域と、幅方向における両側に第２フォトニック結晶領域が隣接し第２フォトニック結晶領域を伝播できない第３波長帯域の光の一部の第４波長帯域の光が伝播可能な第２導波路領域とから構成され、第２導波路領域には、前記複数の第１導波路領域が並列に接続され、第４波長帯域が、複数の第１導波路領域それぞれの上記高状態密度波長帯域全てを含むものであってもよい。
本構成によれば、第４波長帯域が、複数の第１導波路領域それぞれの上記高状態密度波長帯域全てを含むことにより、光伝送部は、複数の第１導波路領域それぞれにおいて生成されたレーザ光全てを伝送させることができるので、波長多重通信を実現することができる。
【００１１】
（５）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの上記高状態密度波長帯域が、他の第１導波路領域の上記第２波長帯域よりも短波長側に存在するものであってもよい。
本構成によれば、複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの高状態密度波長帯域が、他の第１導波路領域の第２波長帯域よりも短波長側に存在することにより、上記複数の第１導波路領域のいずれか１つから出射されたレーザ光が、他の第１導波路領域に進入できない。これにより、他の第１導波路領域における戻り光ノイズの発生を抑制できる。
【００１２】
（６）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記第２フォトニック結晶領域が、上記積層構造体における、積層構造体の厚み方向に貫通し且つ積層構造体の厚み方向に直交する方向に周期的に並列する複数の空孔が形成された領域であり、上記第３波長帯域および上記第４波長帯域が、複数の空孔の空孔間隔、複数の空孔それぞれの大きさおよび積層構造体の厚みの少なくとも１つに基づいて定まるものであってもよい。
本構成によれば、複数の空孔の空孔間隔、複数の空孔それぞれの大きさおよび積層構造体の厚みの少なくとも一つを変化させることにより、第３波長帯域および第４波長帯域を変化させることができるので、第３波長帯域および第４波長帯域の設計の容易化を図ることができる。
【００１３】
（７）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記複数の第１導波路領域が、直列に結合され、複数の第１導波路領域の少なくとも１つの上記高状態密度波長帯域が、他の第１導波路領域の上記第２波長帯域内に存在するものであってもよい。
本構成によれば、複数の第１導波路領域の少なくとも１つの上記高状態密度波長帯域が他の第１導波路領域の第２波長帯域内に存在するので、複数の第１導波路領域の少なくとも１つの第１導波路領域で生成された光が他の第１導波路領域中を伝播することができる。従って、多波長光源装置の構造の簡素化を図ることができる。
【００１４】
（８）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記複数の第１導波路領域が、その１つの並び方向において、上記高状態密度波長帯域が漸次長波長側に移動していくよう配置され、上記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの上記第２波長帯域が、１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域の高状態密度波長帯域とを含むものであってもよい。
本構成によれば、上記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの上記第２波長帯域が、上記１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域の高状態密度波長帯域を含むことにより、上記１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域で生成されたレーザ光を上記１つの並び方向側へ伝送させることができる。
【００１５】
（９）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記複数の第１導波路領域のうちのいずれか１つの上記高状態密度波長帯域が、上記１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域の上記第２波長帯域よりも長波長側に存在するものであってもよい。
本構成によれば、上記複数の第１導波路領域のいずれか１つから出射されたレーザ光が、１つの並び方向側とは反対側に隣接する第１導波路領域に進入できない。これにより、第１導波路領域における戻り光ノイズの発生を抑制できる。
【００１６】
（１０）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記発光材料が、複数の量子ドットから構成されるものであってもよい。
本構成によれば、積層構造体の活性層において、比較的低い励起密度でレーザ発振を生じさせることができるので、消費電力の低減を図ることができる。
【００１７】
（１１）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記複数の量子ドットが、サイズ分布を有し、当該サイズ分布が、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が上記複数の第１導波路領域それぞれの上記高状態密度波長帯域の全てを含むように設定されているものであってもよい。
本構成によれば、複数の量子ドットが、サイズ分布を有することにより、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が、量子サイズ効果に起因して、単一の量子ドットから発せられる光の波長帯域よりも広い波長帯域に広がる。そして、サイズ分布が、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が複数の第１導波路領域それぞれの高状態密度波長帯域の全てを含むように設定されていることにより、複数の第１導波路領域それぞれの高状態密度波長帯域に含まれる発振波長を有するレーザ光を得ることができる。従って、例えば複数の発振波長毎に異なる活性層を有する多波長光源に比べて、製造容易化を図ることができる。
【００１８】
（１２）他の観点から見た本発明に係る多波長光源システムは、上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の多波長光源装置と、多波長光源装置の上記複数の第１導波路領域それぞれに励起光を照射する励起光源と、を備える。
本構成によれば、多波長光源装置自体に第１導波路領域を励起する手段を設ける必要がないので、多波長光源装置の構造の簡素化を図ることができる。
【００１９】
（１３）また、本発明に係る多波長光源システムは、上記励起光源が、上記複数の第１導波路領域毎に、複数個設けられているものであってもよい。
本構成によれば、複数の第１導波路領域毎に異なる信号が重畳されたレーザ光を生成することができるので、波長多重通信を実現することができる。
【００２０】
（１４）また、本発明に係る多波長光源システムは、上記励起光源が、上記複数の第１導波路領域それぞれに対して、時分割で順次励起光を照射していくものであってもよい。
本構成によれば、複数の第１導波路領域の数よりも少ない数の励起光源を備える構成とすることができるので、多波長光源システムの部品点数の削減や小型化を図ることができる。
【００２１】
（１５）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記積層構造体の上記複数の第１導波路領域毎に設けられた複数の電極を更に備えるものであってもよい。
本構成によれば、複数の第１導波路領域それぞれを光励起する構成に比べて、励起光源が不要となるので、構成の簡素化および小型化を図ることができる。
【００２２】
（１６）また、本発明に係る多波長光源装置は、上記積層構造体が、上記複数の電極のうち隣り合う２つの電極の間の領域に、当該２つの電極のいずれか一方から注入された電流が他の電極に対応する上記第１導波路領域に流入するのを抑制する電流ブロック層を有するものであってもよい。
本構成によれば、隣り合う２つの電極のいずれか一方から注入された電流の、他方の電極に対応する第１導波路領域への流入が制限される。従って、隣り合う２つの電極それぞれに対応する第１導波路領域から出射されるレーザ光に重畳された信号同士が干渉するのを抑制できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、互いに波長の異なる複数種類の光を出射可能としながら、小型化を図ることができる多波長光源装置およびこれを用いた多波長光源システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る試料について、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＡ１−Ａ１線で破断した断面の矢視図である。
【図２】（ａ）は、実施形態１に係る試料の導波路領域ＷＧにおける光の群速度分散の計算を行った結果を示す図であり、（ｂ）は、実施形態１に係る試料の導波路領域における光の透過率測定の結果を示す図である。
【図３】（ａ）は、実施形態１に係る試料の導波路領域における光の透過率測定の結果を示す図であり、（ｂ）は、実施形態１に係る試料の、導波路領域における空孔間隔と透過帯域との関係を示す図である。
【図４】実施形態１に係る試料の導波路領域を光励起した場合における光の正規化発光強度を測定した結果を示す図である。
【図５】実施形態１に係る試料の導波路領域におけるキャリア緩和過程を説明するための模式図である。
【図６】実施形態１に係る試料の導波路領域ＷＧにおける群速度分散の計算を行った結果を示す図である。
【図７】（ａ）は、実施形態１に係る試料の導波路領域を光励起した場合における光の発光強度を測定した結果を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）についてピーク位置での発光強度で正規化して得られる正規化発光強度を示す図である。
【図８】実施形態１に係る試料について、発光強度の測定により得られた発光強度スペクトルのピーク波長と、空孔間隔との関係を示す図である。
【図９】実施形態１に係る試料について、高強度励起を行った場合に得られる発光スペクトルを示す図である。
【図１０】実施形態１に係る多波長光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ１−Ｂ１線で破断した断面の矢視図である。
【図１１】実施形態１に係る多波長光源装置の動作説明図である。
【図１２】実施形態１に係る多波長光源装置の各製造工程における概略断面図である。
【図１３】実施形態１に係る多波長光源装置の一部のＳＥＭ写真である。
【図１４】実施形態２に係る多波長光源装置の平面図である。
【図１５】実施形態２に係る多波長光源装置の動作説明図である。
【図１６】実施形態３に係る多波長光源装置の概略構成図である。
【図１７】実施形態４に係る多波長光源装置の一部を示す斜視図である。
【図１８】実施形態４に係る多波長光源装置の一部を示す断面図である。
【図１９】実施形態４に係る多波長光源装置の各製造工程における概略断面図である。
【図２０】実施形態４に係る多波長光源装置の各製造工程における概略断面図である。
【図２１】変形例に係る多波長光源システムの概略構成図である。
【図２２】変形例に係る多波長光源装置の各製造工程における概略断面図である。
【図２３】実施形態１に係る試料について、試料の導波路領域を光励起した場合に導波路領域から発せられる光の偏光特性を調査した結果である。
【図２４】変形例に係る多波長光源システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜実施形態１＞
＜１＞本発明の動機となった研究結果について
まず、本発明の動機となった研究結果について説明する。発明者らは、フォトニック結晶を備える試料の光学的特性について研究を行っている。
【００２６】
＜１−１＞試料の構成
図１は、本実施形態に係る試料を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）におけるＡ１−Ａ１線で破断した断面の矢視図である。
試料１は、半導体基板１５と、ブリッジ層１６と、積層構造体１０と、を備える。
半導体基板１５は、例えばＧａＡｓ基板から構成されている。
ブリッジ層１６は、例えばＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５３）混晶から形成されている。このブリッジ層１６は、半導体基板１５と積層構造体１０との間に空隙１６ａが介在するように形成されている。
積層構造体１０は、３層の活性層１３と、４層の中間層１４とから構成される。また、積層構造体１０には、厚み方向に貫通する複数の空孔１１が形成されている。この積層構造体１０の厚み（スラブ厚）は、例えば２４０ｎｍ程度に設定されている。
活性層１３は、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２）から形成された基材中にＩｎＡｓから形成された量子ドット（発光材料）が分散した構造を有する。この活性層１３の厚みは、例えば３ｎｍ程度に設定されている。中間層１１４は、例えばＧａＡｓから形成され、厚みは例えば５０ｎｍ程度に設定されている。この複数の量子ドットは、サイズ分布を有しており、例えば、高さおよび粒径がそれぞれ２〜７ｎｍ、３０〜７０ｎｍの範囲内で分布している。
中間層１４は、ＧａＡｓ層から構成されている。
【００２７】
空孔１１は、積層構造体１０における、帯状の導波路領域ＷＧ以外の領域ＰＣにおいて三角格子状に周期的に配列している。例えば、半径ｒ１の空孔が、間隔（以下、「空孔間隔」と称する。）ａ１で周期的に並んでいる。この領域ＰＣにおいては、試料１の厚み方向に直交する方向において、屈折率の異なる領域が周期的に並んでおり、いわゆる２次元フォトニック結晶を形成している。具体的には、空気から構成される部位と、空気の屈折率の３〜４倍程度の屈折率を有する半導体から構成される部位とが、周期的に並ぶこととなる。
即ち、積層構造体１０は、導波路領域ＷＧと、導波路領域ＷＧの幅方向における両側に隣接した２次元フォトニック結晶を構成する領域（以下、「フォトニック結晶領域」と称する。）ＰＣと、を有している。
【００２８】
＜１−２＞分析結果について
積層構造体１０のフォトニック結晶領域ＰＣでは、フォトニックバンドギャップが形成されており、当該フォトニックバンドギャップに対応した第１波長帯域（以下、「非透過帯域」と称する。）の光が伝播できない。一方、積層構造体１０の導波路領域ＷＧでは、上記非透過帯域中に含まれる第２波長帯域（以下、「透過帯域」と称する。）の光が伝播（透過）できる。
これは、導波路領域ＷＧにおける光の群速度分散において、フォトニック結晶領域ＰＣのフォトニックバンドギャップに相当する領域内に、フォトニックバンドが存在していることによるものである。
【００２９】
図２（ａ）は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧにおける光の群速度分散の計算を行った結果を示す図であり、図２（ｂ）は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧにおける光の透過率測定の結果を示す図である。なお、図２（ａ）は、導波路領域ＷＧの長手方向にＴＥモードで伝播する光（電場の振幅方向が試料１の厚み方向に直交し且つ導波路領域Ｗの幅方向に平行である光）について計算を行った結果を示している。
【００３０】
導波路領域ＷＧにおける光の群速度分散の計算では、例えば３次元ＦＤＴＤ法と呼ばれる計算方法を採用した。この計算で用いられる主なパラメータとして、フォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔１１の半径ｒ１や空孔間隔ａ１、スラブ厚等が挙げられる。
図２（ａ）に示すように、導波路領域ＷＧでは、フォトニック結晶領域ＰＣにおいて光が存在し得ない非透過帯域に、光の存在し得る透過帯域が形成されている。
実際、図２（ｂ）に示すように、発明者らは、計算結果から得られた透過帯域に対応する波長帯域において、導波路領域ＷＧにおける光の透過率が増加するという知見を得ている。
【００３１】
また、発明者らは、試料１について、フォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１を変化させた場合における透過帯域の変化について知見を得ている。
図３（ａ）は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧにおける光の透過率測定の結果を示す図であり、図３（ｂ）は、本実施形態に係る試料１のフォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１と、導波路領域ＷＧにおける透過帯域との関係を示す図である。
図３（ａ）に示すように、発明者らは、フォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１を３２１ｎｍから３５７ｎｍまで増加させると、透過帯域が長波側に移動していくという知見を得ている。図３（ａ）において、例えば透過率が−３５ｄＢ以上となる波長帯域を透過帯域と定義したとする。この場合、図３（ｂ）に示すように、透過帯域は、空孔間隔ａ１の増加とともに長波長側に移動していく。
【００３２】
つまり、発明者らは、導波路領域ＷＧの幅方向における両側に隣接するフォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１を変化させることにより、導波路領域ＷＧの透過帯域を制御することができるという知見を得ている。
【００３３】
ところで、導波路領域ＷＧにおける光の状態密度は、当該導波路領域ＷＧを伝播する光のうち、群速度が低いほど高くなる。ここで、導波路領域ＷＧにおける光の群速度は、下記式（１）で表される。
【数１】
2015060880.tif 000003
ここで、ωは光の周波数を示し、Ｋｘは光の波数を示し、ｖｇは光の群速度を示す。式（１）に示すように、群速度が低くなるほど、波数の変化に対する光の周波数の変化が小さくなる。つまり、群速度が低い光ほど、単位周波数あたりに存在する互いに波数の異なる光の密度（状態密度）が大きくなる。
そこで、発明者らは、導波路領域ＷＧにおけるフォトニックバンドの形状から、状態密度が高くなる光の波長帯域（以下、「高状態密度波長帯域」と称する。）を見積もった。
ところで、導波路領域ＷＧから放出される光の自然放出レートは、下記式（２）で表される。
【数２】
2015060880.tif 000004
ここで、Ａは上記自然放出レート、ρ（ω）は光の状態密度、ｃｏｅｆｆは導波路領域ＷＧにおける光学遷移の確率を反映した係数である。
式（２）に示すように、自然放出レートＡは、光の状態密度が増加するとともに増加する。そして、発明者らは、上記自然放出レートが所定の大きさ以上となる光の波長帯域を高状態密度波長帯域と定義した。
図２（ａ）に示すように、高状態密度波長帯域は、楕円で囲んだ領域（周波数ωがω１，ω２，ω３近傍の領域、以下、「低群速度領域」と称する。）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する波長帯域に相当する。
ここにおいて、発明者らは、活性層１３中に分散された量子ドットにおける、光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、上記高状態密度波長帯域に含まれる場合、量子ドットから発せられる光がパーセル効果により増強されると考えた。そして、発明者らは、この点を検証すべく、試料１の導波路領域ＷＧを光励起した場合に導波路領域ＷＧから発せられる光の強度スペクトルの測定を行った。
【００３４】
図４（ａ）は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧを光励起した場合に導波路領域ＷＧから発せられる光の強度スペクトルの測定方法を説明する模式図である。また、図４（ｂ）は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧを光励起した場合に導波路領域ＷＧおける光の正規化発光強度を測定した結果を示す図である。更に、図４（ｃ）は、フォトニック結晶領域ＰＣを有しない試料を光励起した場合に試料から発せられる光の強度スペクトルを測定した結果である。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、強度スペクトルの測定では、導波路領域ＷＧの長手方向に発せられる光の強度スペクトル（以下、「水平方向強度スペクトル」と称する。）と、試料１の厚み方向に発せられる光の強度スペクトル（以下、「垂直方向強度スペクトル」と称する。）と、を測定した。また、図４（ｂ）では、水平方向強度スペクトルを「Ｈ」、垂直方向強度スペクトルを「Ｖ」で表す。
図４（ｃ）に示すように、フォトニック結晶領域ＰＣを有しない試料を光励起した場合に試料から発せられる光の強度スペクトルは、量子ドットのサイズ分布を反映して、１１２０ｎｍ〜１３３０ｎｍの波長帯域に亘るブロードな形状をしている。
これに対して、図４（ｂ）に示すように、試料１の導波路領域ＷＧを光励起した場合に導波路領域ＷＧから発せられる光の水平方向強度スペクトルＨは、波長λ１，λ３近傍に２つのピーク「Ｐｅａｋ１」，「Ｐｅａｋ３」が生じている。また、垂直方向強度スペクトルＶにも、波長λ２近傍に１つのピーク「Ｐｅａｋ２」が生じている。
そして、波長λ１，λ２，λ３近傍の波長帯域は、導波路領域ＷＧにおける高状態密度波長帯域（図２中のＰ１，Ｐ２，Ｐ３（図２参照））と略一致している。
【００３６】
図５は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧにおけるキャリア緩和過程を説明するための模式図である。
活性層１３中に分散された量子ドットでは、いわゆる電子の３次元の量子サイズ効果により電子準位が離散化している。また、活性層１３中に分散された複数の量子ドットは、サイズ分布を有している。例えば、複数の量子ドットには、粒径がｂ１〜ｂ４の間で互いに異なるものが存在する。そして、複数の量子ドットにおける電子準位は、この粒径ｂ１〜ｂ４の違いに応じて異なっている。各量子ドットでは、電子が２つの電子準位間のうち高い方の電子準位から低い方の電子準位へ光学遷移する際に、当該２つの電子準位間のエネルギ差に相当する光を放出する。
【００３７】
例えば、粒径ｂ３の量子ドットでは、伝導帯側で最も低い電子準位から価電子帯側の電子準位への電子の光学遷移に伴う光と、伝導帯側で２番目に低い電子準位から価電子帯側の電子準位への電子の光学遷移に伴う光とが放出されるとする。また、粒径ｂ４の量子ドットでは、伝導帯側で最も低い電子準位から価電子帯側の電子準位への電子の光学遷移に伴う光が放出されるとする。
そして、発明者らは、例えば粒径ｂ３，ｂ４の量子ドットにおける光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する波長が、導波路領域ＷＧにおける高状態密度波長帯域に含まれているために、当該電子準位間における振動子強度が増大したと考察している。つまり、活性層１３中に分散された複数の量子ドットのいずれかにおいて、パーセル効果による発光強度の増強が生じていると考察している。
例えば、粒径ｂ３の量子ドットにおける光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差Ｅ（ω１），Ｅ（ω３）（Ｅ（λ１），Ｅ（λ３））に相当する光の波長が、導波路領域ＷＧの高状態密度帯域に含まれる波長λ１，λ３に等しい。また、粒径ｂ３の量子ドットにおける光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差Ｅ（ω２）（Ｅ（λ２））に相当する光の波長が、波長λ２に等しい。
【００３８】
ところで、導波路領域ＷＧにおけるフォトニックバンドの形状は、フォトニック結晶領域ＰＣにおけるフォトニック結晶の構造、即ち、空孔間隔ａ１や空孔半径ｒ１に依存している。従って、フォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１を変化させると、導波路領域ＷＧにおけるフォトニックバンドの形状が変化し、それに伴い、高状態密度波長帯域の位置も変化する。
そこで、発明者らは、フォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１を変化させることにより、高状態密度波長帯域の位置を変化させ、増強される光の波長を変化させることを試みた。
【００３９】
図６は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧにおける群速度分散の計算を行った結果を示す図である。ここでは、フォトニック結晶領域ＰＣにおける空孔間隔ａ１を変化させて計算を行った。図６において、（ａ）は空孔間隔３３０ｎｍの場合、（ｂ）は空孔間隔３３９ｎｍの場合、（ｃ）は空孔間隔３４８ｎｍの場合、（ｄ）は空孔間隔３５７ｎｍの場合の計算結果を示す。
図６に示すように、空孔間隔ａ１が長くなると、導波路領域ＷＧの高状態密度波長帯域に対応する波長λ２（１），λ２（２），λ２（３），λ２（４），λ１（１），λ１（２），λ１（３），λ１（４）が長くなることが判った。ここで、導波路領域ＷＧの高状態密度波長帯域に対応する周波数ω２（１），ω２（２），ω２（３），ω２（４），ω１（１），ω１（２），ω１（３），ω１（４）は短くなっていく。
【００４０】
図７（ａ）は、本実施形態に係る試料の導波路領域ＷＧを光励起した場合に導波路領域ＷＧから発せられる光の強度スペクトルを測定した結果を示す図であり、図７（ｂ）は、（ａ）についてピーク位置での強度で正規化して得られる強度スペクトルを示す図である。ここでは、図４（ｂ）における「Ｐｅａｋ２」について測定を行った。
図７（ａ）および（ｂ）に示すように、図６に示す計算結果から得られる高状態密度波長帯域（例えばλ２（１），λ２（２），λ２（３），λ２（４）））において、強度スペクトルのピークが生じることが判った。そして、当該ピーク位置は、空孔間隔ａ１が長くなるほど長波長側に移動していくことが判った。
【００４１】
また、発明者らは、強度スペクトルのピーク「Ｐｅａｋ２」以外の他のピーク「Ｐｅａｋ１」，「Ｐｅａｋ３」の波長についても、空孔間隔ａ１との関係を調査した。
図８は、本実施形態に係る試料について、発光強度の測定により得られた発光強度スペクトルのピーク波長と、空孔間隔との関係を示す図である。ここで、計算値は、本実施形態に係る試料１の導波路領域ＷＧにおける群速度分散の計算から得られるフォトニックバンドの低群速度領域に対応する波長に相当する。
他のピーク「Ｐｅａｋ１」，「Ｐｅａｋ３」の波長も、空孔間隔ａ１が長くなるほど長波長側に移動していくことが判った。
【００４２】
以上のように、発明者らは、フォトニック結晶領域ＰＣにおけるフォトニック結晶の構造、即ち、空孔間隔ａ１や空孔半径ｒ１を変化させることにより、透過帯域や高状態密度波長帯域の位置を変化させることができるという知見を得た。
【００４３】
更に、発明者らは、試料１の導波路領域ＷＧを励起する際の励起強度をある程度高くすると、レーザ発振が生じることも実証している。
図９は、本実施形態に係る試料１について、導波路領域ＷＧを高い励起強度で光励起した場合に導波路領域から発せされる光の強度スペクトルを示す図である。
図９に示すように、試料１において、導波路領域ＷＧをある程度高い励起強度で光励起すれば、レーザ発振した場合に特有の幅の狭いスペクトルが得られることが判った。また、この発振波長は、活性層１３中に分散された量子ドットから発せられる光の波長帯域内に存在し且つ試料１における高状態密度波長帯域内に存在することが判った。
つまり、発明者らは、フォトニック結晶領域ＰＣと導波路領域ＷＧとを有する積層構造体１０について、導波路領域ＷＧの励起強度をある程度高くすれば、高状態密度波長帯域に含まれる発振波長を有するレーザ光を得ることができるという知見を得た。
【００４４】
＜２＞多波長光源装置について
次に、発明者らが、＜１＞で説明した知見に基づいて考案した多波長光源装置について説明する。
図１０は、本実施形態に係る多波長光源装置１０１を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ１−Ｂ１線で破断した断面の矢視図である。
多波長光源装置１０１は、積層構造体１１０と、ブリッジ層１１６と、半導体基板１１５と、を備える。
半導体基板１１５は、例えばＧａＡｓ基板から構成されている。
ブリッジ層１１６は、例えばＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５３）混晶から形成されている。このブリッジ層１１６は、半導体基板１１５と積層構造体１１０との間に空隙１１６ａが介在するように形成されている。
【００４５】
積層構造体１１０は、互いに異なる波長帯域の光を生成する複数の領域ＡＲ１〜ＡＲ４を有している。そして、複数の領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれは、フォトニック結晶領域（第１フォトニック結晶領域）ＰＣ１〜ＰＣ４と、導波路領域（第１導波路領域）ＷＧ１〜ＷＧ４とから構成されている。
ここで、フォトニック結晶領域ＰＣ１〜ＰＣ４は、２次元フォトニック結晶を構成している。また、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４は、幅方向における両側にフォトニック結晶領域ＰＣ１〜ＰＣ４が隣接しフォトニック結晶領域ＰＣ１〜ＰＣ４を伝播できない非透過帯域（第１波長帯域）の光の一部の透過帯域（第２波長帯域）の光が伝播可能となっている。
【００４６】
また、積層構造体１１０は、３層の活性層１１３および４層の中間層１１４とから構成されている。この積層構造体１１０の厚み（スラブ厚）ｔは、例えば２４０ｎｍ程度に設定されている。
活性層１１３は、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２）から形成された半導体基材中にＩｎＡｓから形成された量子ドットが分散した構造を有する。この活性層１１３の厚みは、例えば３ｎｍ程度に設定されている。このように、活性層１１３が複数の量子ドットが分散した構造を有することにより、積層構造体１１０の活性層１１３において、比較的低い励起密度でレーザ発振を生じさせることができるので、消費電力の低減を図ることができる。
また、この複数の量子ドットは、サイズ分布を有している。そして、このサイズ分布は、活性層１１３中に分散された複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域は、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれの高状態密度波長帯域の全てを含むように設定されている。具体的には、複数の量子ドットの粒径は、例えば、高さ２〜７nm、直径３０〜７０ｎｍの範囲で分布している。さらに、各量子ドットは離散的な準位を持つことで複数の発光ピークを有する。これにより、複数の量子ドットから発せられる光の強度スペクトルは、波長帯域１１２０ｎｍ〜１３３０ｎｍに亘るブロードな形状となる。
中間層１１４は、例えばＧａＡｓから形成され、厚みは例えば５０ｎｍ程度に設定されている。
【００４７】
フォトニック結晶領域ＰＣ１〜ＰＣ４は、積層構造体１１０における、積層構造体１１０の厚み方向に貫通し、積層構造体１１０の厚み方向に直交する方向に三角格子状に周期的に並列する複数の空孔１１が形成された領域である。
そして、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４における非透過帯域、透過帯域および高状態密度波長帯域が、複数の空孔１１１の空孔間隔ａ２、空孔１１１の大きさ（空孔半径ｒ２）および積層構造体１１０の厚み（スラブ厚）に基づいて定まっている。具体的には、前述＜１＞で説明したように、空孔間隔ａ２が長いほど、透過帯域全体および高状態密度波長帯域全体が、長波長側に位置する。
これにより、空孔間隔ａ２、空孔半径ｒ２および積層構造体１１０の厚みの少なくとも１つを変化させることにより、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４それぞれにおける非透過帯域、透過帯域および高状態密度波長帯域を変化させることができる。従って、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４それぞれにおける、非透過帯域、透過帯域および高状態密度波長帯域の設計の容易化を図ることができる。
【００４８】
また、積層構造体１１０は、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４において生成されたレーザ光の全てを伝送する領域（光伝送部）ＡＲ５を有している。この領域ＡＲ５は、フォトニック結晶領域（第２フォトニック結晶領域）ＰＣ５と、導波路領域（第２導波路領域）ＷＧ５と、から構成されている。ここで、フォトニック結晶領域ＰＣ５は、２次元フォトニック結晶を構成している。また、導波路領域ＷＧ５は、幅方向における両側にフォトニック結晶領域ＰＣ５が隣接し、フォトニック結晶領域ＰＣ５を伝播できない非透過帯域（第３波長帯域）の光の一部の透過帯域（第４波長帯域）の光が伝播可能となっている。
【００４９】
また、フォトニック結晶領域ＰＣ５も、積層構造体１１０における、積層構造体１１０の厚み方向に貫通し、積層構造体１１０の厚み方向に直交する方向に三角格子状に周期的に並列する複数の空孔１１１が形成された領域である。
そして、導波路領域ＷＧ５における非透過帯域および透過帯域は、複数の空孔１１１の空孔間隔ａ２、空孔１１１の大きさ（空孔半径ｒ２）および積層構造体１１０の厚みに基づいて定まっている。具体的には、前述＜１＞で説明したように、空孔間隔ａ２が長いほど、透過帯域全体が、長波長側に位置する。
これにより、空孔間隔ａ２、空孔半径ｒ２および積層構造体１１０の少なくとも１つを変化させることにより、導波路領域ＷＧ５における非透過帯域および透過帯域を変化させることができる。従って、導波路領域ＷＧ５における非透過帯域および透過帯域の設計の容易化を図ることができる。
【００５０】
ところで、多波長光源装置１０１では、各領域ＡＲ１〜ＡＲ４において、活性層１１３中の複数の量子ドットのうちの少なくとも１つにおける、光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、高状態密度波長帯域に含まれるよう空孔間隔ａ２および空孔半径ｒ２が設定されている。ここで、「高状態密度波長帯域」とは、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４において、上記自然放出レートが所定の大きさ以上となる光の波長帯域を意味する。
具体的には、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が、１１２０ｎｍ〜１３３０ｎｍであるとする。即ち、複数の量子ドットにおける光学遷移可能な電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長が、１１２０ｎｍ〜１３３０ｎｍの範囲内で分散している。これに対して、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれの高密度状態波長帯域が、例えば１２１５ｎｍ（λ１（１））近傍、１２４０ｎｍ（λ１（２））近傍、１２５５ｎｍ（λ１（３））近傍、１２９０ｎｍ（λ１（４））近傍に設定されている。
【００５１】
また、空孔１１１の空孔間隔ａ２および空孔１１１の空孔半径ｒ２が、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４において互いに異なっている。これにより、領域ＡＲ１〜ＡＲ４の透過帯域および高状態密度波長帯域それぞれが、互いに異なっている。
このように、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４における高状態密度波長帯域が互いに異なることにより、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれにおいてパーセル効果により増強される光の波長が互いに異なる。従って、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれから、互いに波長が異なる複数種類のレーザ光を出射できる。また、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれにおいて、他の領域から出射された光の一部が導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４に進入しないようにすることができるので、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４における戻り光ノイズの発生を抑制できる。
ここにおいて、領域ＡＲ１〜ＡＲ４では、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４における高状態密度波長帯域の中心波長を、λ１（１），λ１（２），λ１（３），λ１（４）とすると、下記式（３）の関係式が成立するように、空孔間隔ａ２および空孔半径ｒ２が設定されている。
【数３】
2015060880.tif 000005
【００５２】
また、領域ＡＲ５における空孔間隔ａ２および空孔半径ｒ２は、下記式（４）で表される関係式が成立するように設定されている。
【数４】
2015060880.tif 000006
ここで、領域ＡＲ５の導波路領域ＷＧ５における透過帯域の下限をλ１５ｔ、上限をλ１５ｃとしている。
式（４）に示すように、領域ＡＲ５の導波路領域ＷＧ５の透過帯域は、４つの領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４それぞれの高状態密度波長帯域全てを含むように設定されている。これにより、４つの領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４それぞれで発生するレーザ光全てが、領域ＡＲ５の導波路領域ＷＧ５内を伝播できるので、波長多重通信を実現することができる。
【００５３】
図１１は、本実施形態に係る多波長光源装置１０１の動作説明図である。ここで、図１０（ａ）〜（ｄ）では、各領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４それぞれで発生するレーザ光の発振波長と、図１０における４つの光伝播経路ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３，ＰＡ４それぞれに沿って伝播する光の透過帯域とを示している。
領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４のフォトニック結晶領域ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３，ＰＣ４における空孔間隔は、例えば３３０ｎｍ，３３９ｎｍ，３４８ｎｍ，３５７ｎｍに設定されている。そして、領域ＡＲ５のフォトニック結晶領域ＰＣ５における空孔間隔は、例えば３３０ｎｍに設定されている。
【００５４】
図１１（ａ）に示すように、領域ＡＲ１の透過帯域（下限λ１１ｔ上限λ１１ｃ）と、領域ＡＲ５の透過帯域（下限λ１５ｔ上限λ１５ｃ）とは、一致している。
図１１（ｂ）に示すように、領域ＡＲ１の高状態密度波長帯域（波長λ１（１）近傍の波長帯域）は、他の領域ＡＲ２の透過帯域λ１２ｔ〜λ１２ｃよりも短波長側に存在する。これにより、光伝播経路ＰＡ１を通って領域ＡＲ５の導波路領域ＷＧ５に到達した光は、領域ＡＲ２の導波路領域ＷＧ２に進入できなくなっている。また、領域ＡＲ２の高状態密度波長帯域（波長λ１（２）近傍の波長帯域）は、領域ＡＲ５の透過帯域（下限λ１５ｔ上限λ１５ｃ）の中心よりもやや短波側に位置する。
【００５５】
図１１（ｃ）に示すように、領域ＡＲ１，ＡＲ２の高状態密度波長帯域（波長λ１（１），λ１（２）近傍の波長帯域）は、他の領域ＡＲ３の透過帯域λ１３ｔ〜λ１３ｃよりも短波長側に存在する。これにより、光伝播経路ＰＡ１，ＰＡ２を通って領域ＡＲ５の導波路領域ＷＧ５に到達した光は、領域ＡＲ３の導波路領域ＷＧ３に進入できなくなっている。また、領域ＡＲ３の高状態密度波長帯域（波長λ１（３）近傍の波長帯域）は、領域ＡＲ５の透過帯域（下限λ１５ｔ上限λ１５ｃ）の中心よりもやや長波側に位置する。
【００５６】
図１１（ｄ）に示すように、領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３の高状態密度波長帯域（波長λ１（１），λ１（２）近傍の波長帯域）は、領域ＡＲ４の透過帯域λ１４ｔ〜λ１４ｃよりも短波長側に存在する。これにより、光伝播経路ＰＡ１〜ＰＡ３を伝播して領域ＡＲ５の導波路領域ＷＧ５に到達した光は、領域ＡＲ４の導波路領域ＷＧ４に進入できなくなっている。また、領域ＡＲ１の高状態密度波長帯域（波長λ１（１）近傍の波長帯域）は、領域ＡＲ５の透過帯域（下限λ１５ｔ上限λ１５ｃ）の長波側の帯域端近傍に位置する。
【００５７】
以上のように、多波長光源装置１０１では、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４のうちのいずれか１つ（例えば領域ＡＲ１）の高状態密度波長帯域が、他の領域（例えば領域ＡＲ２）の透過帯域よりも短波長側に存在する。これにより、領域ＡＲ１から出射されたレーザ光が、他の領域ＡＲ２の導波路領域ＷＧ２に進入できないので、領域ＡＲ２の導波路領域ＷＧ２における戻り光ノイズの発生を抑制できる。
【００５８】
＜３＞多波長光源装置の製造方法について
次に、本実施形態に係る多波長光源装置１０１の製造工程について説明する。
図１２は、本実施形態に係る多波長光源装置１０１の各製造工程における未完成品の断面図である。なお、図１２は模式図であり、図１２に表された各層の厚みは実測寸法を反映したものではない。
まず、図１２（ａ）に示すように、半導体基板１１５上に、犠牲層１５６をエピタキシャル成長法により形成し、その後、犠牲層１５６上に、４つの中間層１１４と３つの活性層１１３とからなる積層構造体１１０をエピタキシャル成長法により形成する。ここで、犠牲層１５６は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５３）混晶から形成されている。この犠牲層１５６の厚みは、例えば２μｍに設定されている。
犠牲層１５６を形成する際のエピタキシャル成長法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｉｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を採用すればよい。そして、ＭＢＥ法を採用する場合、成長条件は、例えば成長温度を５６０℃、砒素圧力を１×１０−５Ｔｏｒｒに設定すればよい。
また、積層構造体１１０を形成する際のエピタキシャル成長法としては、ＭＢＥ法が採用される。そして、成長条件は、例えば成長温度を４５０℃、砒素圧力を３×１０−６Ｔｏｒｒに設定すればよい。
【００５９】
次に、図１２（ｂ）に示すように、積層構造体１１０上に、電子線リソグラフィ技術を利用して、複数の空孔１２１ａを有するレジストマスク１２１を形成する。
具体的には、積層構造体１１０上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトレジストに対して電子線照射（ＥＢ露光）を行う。ここで、電子線は、レジストマスク１２１の形成予定領域（空孔１２１ａに対応する領域以外の領域）に照射される。そして、現像液に浸漬することにより、電子線が照射されていない部分のフォトレジストを除去する。次に、水洗により現像液を除去し、続いて、加熱処理（ポストベーク処理および焼成処理）を行うことにより、レジストマスク１２１が形成される。
【００６０】
続いて、図１２（ｃ）に示すように、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法により、レジストマスク１２１をマスクとして、積層構造体１１０および犠牲層１５６の一部をエッチングする。ここで、エッチングガスとしては、例えばＣＣｌ２Ｆ２等を用いればよい。その後、Ｏ２（酸素）アッシャー等によりレジストマスク１２１を除去すれば、図１２（ｄ）に示すような構造が得られる。
【００６１】
次に、図１２（ｅ）に示すように、ウェットエッチング法により、犠牲層１５６の一部をエッチングにより除去することにより、空隙１１６ａを有するブリッジ層１１６を備えた多波長光源装置１０１が完成する。ここで、エッチング液としては、例えば、ＢＨＦ（バッファドフッ酸）等を用いればよい。
【００６２】
図１３は、本実施形態に係る多波長光源装置１０１の一部のＳＥＭ写真である。
図１３に示すように、前述の製造方法により、３層の活性層１１３および４層の中間層１１４から構成される積層構造体１１０に複数の空孔１１１が形成された多波長光源装置１０１が製造できることが判る。また、積層構造体１１０と半導体基板１１５との間に空隙１１６ａが形成されていることも判る。
【００６３】
＜４＞まとめ
結局、本実施形態に係る多波長光源装置１０１は、波長λ１（１）〜λ１（４）が、透過帯域（第２波長帯域）の高状態密度波長帯域に含まれる。ここで、波長λ１（１）〜λ１（４）は、活性層１１３中に分散された複数の量子ドットの少なくとも１つにおける光学遷移可能な２つの電子準位間のエネルギ差に相当する光の波長である。
これにより、量子ドットにおいて、高状態密度波長帯域に含まれる波長の光の放出を伴う２つの電子準位間の光学遷移が促進されるいわゆるパーセル効果を発生させることができる。従って、高状態密度波長帯域に含まれる波長λ１（１）〜λ１（４）の光を増強させることができる。
そして、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４の高状態密度波長帯域が互いに異なることにより、発振波長の異なる４種類のレーザ光を出射する多波長光源１０１を実現することができる。従って、発振波長の異なる複数種類のレーザ光が、対応するレーザ光源素子から各別に出射される多波長光源に比べて、領域ＡＲ１〜ＡＲ４の集積化が容易であり、小型化を図ることができる。
【００６４】
また、量子ドットにおいて、パーセル効果により高状態密度波長帯域に含まれる波長の光が増強されることに伴い、当該高状態密度波長帯域に含まれる発振波長でのレーザ発振が起こりやすくなる。即ち、比較的低い励起密度でレーザ光を得ることができるので、消費電力の低減を図ることができる。
【００６５】
更に、本実施形態に係る多波長光源装置１０１では、複数の量子ドットが、サイズ分布を有することにより、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が、量子サイズ効果に起因して、単一の量子ドットから発せられる光の波長帯域よりも広い波長帯域に広がる。そして、サイズ分布が、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域が、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれの高状態密度波長帯域の全てを含むように設定されている。これにより、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれの高状態密度波長帯域に含まれる発振波長λ１（１）〜λ１（４）を有するレーザ光を得ることができる。従って、例えば４つの発振波長λ１（１）〜λ１（４）毎に異なる活性層を有する多波長光源に比べて、製造容易化を図ることができる。
また、本実施形態に係る多波長光源装置１０１では、サイズ分布を大きくして、複数の量子ドットから発せられる光の波長帯域を広げることができる。この場合、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれの高状態密度波長帯域の間隔を広げることができるので、多波長光源１０１から出射されるレーザ光の波長可変範囲を拡大することができる。
【００６６】
＜実施形態２＞
図１３は、本実施形態に係る多波長光源装置２０１の平面図である。
多波長光源装置２０１の基本的な構造は、実施形態１に係る多波長光源装置１０１と同様である。そして、多波長光源装置２０１は、平面視における空孔１１１の配置が実施形態１に係る多波長光源装置１０１とは相違する。なお、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６７】
多波長光源装置２０１では、空孔１１１の空孔間隔ａ２および空孔１１１の空孔半径ｒ２が、４つの領域（領域）ＡＲ２１〜ＡＲ２４において互いに異なっている。そして、４つの領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４それぞれの導波路領域（第１導波路領域）ＷＧ２１〜ＷＧ２４は、直列に結合されている。また、導波路領域ＷＧ２１〜ＷＧ２４に隣接してフォトニック結晶領域ＰＣ２１〜ＰＣ２４が配置されている。
領域ＡＲ２１，ＡＲ２２，ＡＲ２３，ＡＲ２４における空孔間隔ａ２および空孔半径ｒ２は、下記式（５）および式（６）で表される関係式が成立するように設定されている。
【数５】
2015060880.tif 000007
【数６】
2015060880.tif 000008
ここで、λ２１（１），λ２１（２），λ２１（３），λ２１（４）は、領域ＡＲ２１，ＡＲ２２，ＡＲ２３，ＡＲ２４の導波路領域ＷＧ２１，ＷＧ２２，ＷＧ２３，ＷＧ２４それぞれで発生するレーザ光の発振波長を示す。また、領域ＡＲ２１，ＡＲ２２，ＡＲ２３，ＡＲ２４の導波路領域ＷＧ２１，ＷＧ２２，ＷＧ２３，ＷＧ２４における透過帯域それぞれの下限をλ２１ｔ，λ２２ｔ，λ２３ｔ，λ２４ｔとし、上限をλ２１ｃ，λ２２ｃ，λ２３ｃ，λ２４ｃとしている。
【００６８】
即ち、式（５）に示すように、４つの領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４が、その１つの並び方向（図１４における光伝播経路ＰＡを伝播する光の伝播方向、以下、「光伝播経路ＰＡ方向」と称する。）において、高状態密度波長帯域が漸次長波長側に移動するよう配置されている。そして、４つの領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４のうちの１つ（例えば領域ＡＲ２１）の高状態密度波長帯域は、光伝播経路ＰＡ方向側に隣接する領域（例えば領域ＡＲ２２）の高状態密度波長帯域よりも短波側に存在する。
また、式（６）に示すように、４つの領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４の少なくとも１つの高状態密度波長帯域は、他の領域の透過帯域内に存在する。
【００６９】
図１５は、本実施形態に係る多波長光源装置２０１の動作説明図である。ここで、図１４では、各領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４の導波路領域ＷＧ２１〜ＷＧ２４それぞれで発生するレーザ光の発振波長と、図１４における光伝播経路ＰＡを伝播する光の透過帯域とを示している。
【００７０】
領域ＡＲ２１の導波路領域ＷＧ２１で発生したレーザ光の波長は、領域ＡＲ２２，ＡＲ２３，ＡＲ２４の透過帯域（下限λ２２ｔ上限λ２２ｃの帯域，下限λ２３ｔ上限λ２３ｃの帯域、下限λ２４ｔ上限λ２４ｃの帯域）内に位置する。従って、導波路領域ＷＧ２１で発生したレーザ光は、３つの領域ＡＲ２２，ＡＲ２３，ＡＲ２４の導波路領域ＷＧ２２，ＷＧ２３，ＷＧ２４を伝播していく。
また、領域ＡＲ２２の導波路領域ＷＧ２２で発生したレーザ光の波長は、領域ＡＲ２３，ＡＲ２４の透過帯域（下限λ２３ｔ上限λ２３ｃの帯域、下限λ２４ｔ上限λ２４ｃの帯域）内に位置する。但し、領域ＡＲ２２の高状態密度波長帯域は、光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接する領域ＡＲ２１の透過帯域λ２１ｔ〜λ２１ｃよりも長波長側に存在する。従って、導波路領域ＷＧ２２で発生したレーザ光は、２つの領域ＡＲ２３，ＡＲ２４の導波路領域ＷＧ２３，ＷＧ２４へは伝播するが、領域ＡＲ２１の導波路領域ＷＧ２１へは伝播できない。
【００７１】
領域ＡＲ２３の導波路領域ＷＧ２３で発生したレーザ光の波長は、領域ＡＲ２４の透過帯域（下限λ２４ｔ上限λ２４ｃの帯域）内に位置する。但し、領域ＡＲ２３の高状態密度波長帯域は、光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接する領域ＡＲ２２の透過帯域（下限λ２２ｔ上限λ２２ｃの帯域）よりも長波長側に存在する。従って、導波路領域ＷＧ２３で発生したレーザ光は、領域ＡＲ２４の導波路領域ＷＧ２４へは伝播するが、領域ＡＲ２１，ＡＲ２２の導波路領域ＷＧ２１，ＷＧ２２へは伝播できない。
また、但し、領域ＡＲ２４の高状態密度波長帯域は、光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接する領域ＡＲ２３の透過帯域（下限λ２３ｔ上限λ２３ｃの帯域）よりも長波長側に存在する。従って、導波路領域ＷＧ２４で発生したレーザ光は、３つの領域ＡＲ２１，ＡＲ２２，ＡＲ２３の導波路領域ＷＧ２１，ＷＧ２２，ＷＧ２３へは伝播できない。
【００７２】
以上のように、多波長光源装置２０１では、４つの領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４が、光伝播経路ＰＡ方向において、高状態密度波長帯域が漸次長波長側に移動するよう配置されている。そして、領域ＡＲ２２（ＡＲ２３，ＡＲ２４）の透過帯域（第２波長帯域）が、光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接する領域ＡＲ２１（ＡＲ２２，ＡＲ２３）の高状態密度波長帯域を含んでいる。
【００７３】
これにより、領域ＡＲ２２（ＡＲ２３，ＡＲ２４）では、光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接するＡＲ２１（ＡＲ２２，ＡＲ２３）で生成されたレーザ光を、光伝播経路ＰＡ方向側へ伝送させることができる。
【００７４】
結局、本実施形態に係る多波長光源装置２０１では、領域ＡＲ２１における高状態密度波長帯域が、領域ＡＲ２２〜ＡＲ２４の透過帯域内に存在するので、領域ＡＲ２１で生成した光が領域ＡＲ２２〜ＡＲ２４それぞれの導波路領域ＷＧ２２〜ＷＧ２４中を伝播することができる。従って、多波長光源装置２０１の構造の簡素化を図ることができる。
【００７５】
また、多波長光源装置２０１では、領域ＡＲ２２（ＡＲ２３，ＡＲ２４）の高状態密度波長帯域が、領域ＡＲ２２（ＡＲ２３，ＡＲ２４）の光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接する領域ＡＲ２１（ＡＲ２２，ＡＲ２３）の透過帯域よりも長波長側に存在する。これにより、領域ＡＲ２２（ＡＲ２３，ＡＲ２４）から出射されたレーザ光は、光伝播経路ＰＡ方向側とは反対側に隣接する領域ＡＲ２１（ＡＲ２２，ＡＲ２３）の導波路領域ＷＧ２１（ＷＧ２２，ＷＧ２３）に進入できない。従って、領域ＡＲ２１（ＡＲ２２，ＡＲ２３）の導波路領域ＷＧ２１（ＷＧ２２，ＷＧ２３）における戻り光ノイズの発生を抑制できる。
【００７６】
＜実施形態３＞
図１６は、本実施形態に係る多波長光源システム３０１の概略構成図である。
本実施形態に係る多波長光源システム３０１は、実施形態１で説明した多波長光源装置１０１を用いたものである。
多波長光源システム３０１では、多波長光源装置１０１の各領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４を各別に光励起する機能を有する。
多波長光源システム３０１は、多波長光源装置１０１と、４つの励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄと、各励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄに対応する走査レンズ３１３Ａ〜３１３Ｄと、を備える。
【００７７】
励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄは、例えば半導体レーザ等のレーザ光源から構成される。そして、励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄそれぞれは、外部から入力される制御信号Ｄａｔａ１〜Ｄａｔａ４に基づいて、レーザ光を出力する。
走査レンズ３１３Ａ〜３１３Ｄは、励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄから出射される光を、多波長光源装置１０１の各領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４の一部に集光する。
【００７８】
結局、本実施形態に係る多波長光源システム３０１では、多波長光源装置１０１自体に導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４を励起する手段を設ける必要がないので、多波長光源装置１０１の構造の簡素化を図ることができる。
【００７９】
また、多波長光源システム３０１では、励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄが、複数の領域ＡＲ１〜ＡＲ４毎に、１つずつ設けられている。
これにより、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４毎に異なる信号が重畳されたレーザ光を生成することができるので、波長多重通信を実現することができる。
【００８０】
＜実施形態４＞
図１７は、本実施形態に係る多波長光源装置４０１の一部を示す斜視図であり、図１８は、本実施形態に係る多波長光源装置４０１の一部を示す断面図である。
本実施形態に係る多波長光源装置４０１は、実施形態１に係る多波長光源装置１０１と略同様の構成である。そして、多波長光源装置４０１は、主として、４つの電極４１７と、電流ブロック層４２０とを備える点が実施形態１に係る多波長光源装置１０１と相違する。ここで、４つの電極４１７は、積層構造体４１０の４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれが有する導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４毎に設けられている。
【００８１】
多波長光源装置４０１は、半導体基板４１５と、ブリッジ層４１６と、積層構造体４１０と、電極４２２を備える。
半導体基板４１５は、例えば導電型がＮ型のＧａＡｓ基板から構成される。
ブリッジ層４１６は、例えば導電型がＮ型のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５３）混晶から形成されている。このブリッジ層４１６は、半導体基板１１５と積層構造体１１０との間に空隙１１６ａが介在するように形成されている。
電極４２２は、例えばＴｉ／Ａｕ等から構成され、半導体基板４１５のブリッジ層４１６側とは反対側の全面を覆うように形成されている。
【００８２】
図１８に示すように、積層構造体４１０は、第１クラッド層４１８と、３層の活性層１１３と、２層の中間層１１４と、第２クラッド層４１９と、電流ブロック層４２０と、コンタクト層４２１と、４つの電極４１７と、を備える。そして、積層構造体４１０には、厚み方向に貫通する複数の空孔１１が形成されている。
【００８３】
第１クラッド層４１８は、例えば導電型がＮ型のＧａＡｓ層から構成されている。ここで、Ｎ型の不純物としては、例えばＳｉを用いればよい。
活性層１１３は、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２）層中にＩｎＡｓから形成された量子ドットが分散した構造を有する。
中間層１１４は、例えばＧａＡｓ層から構成されている。
第２クラッド層４１９は、例えば導電型がＰ型のＧａＡｓ層から構成されている。ここで、Ｐ型の不純物としては、例えばＢｅを用いればよい。
【００８４】
電流ブロック層４２０は、例えば導電型がＮ型のＧａＡｓ層から構成されている。この電流ブロック層４２０は、積層構造体４１０における隣り合う２つの電極４１７の間の領域に設けられている。この電流ブロック層４２０内では、４つの電極４１７と、電極４２２との間にバイアスを印加した場合、電流ブロック層４２０と第２クラッド層４１９との境界近傍の一部に空乏層が形成される。これにより、隣り合う２つの電極４１７のいずれか一方から注入された電流の、他の電極４１７に対応する導波路領域への流入が制限される。従って、隣り合う２つの電極４１７それぞれに対応する導波路領域から出射されるレーザ光に重畳された信号同士が干渉するのを抑制できる。
コンタクト層４２１は、例えば導電型がＰ型のＧａＡｓ層から構成されている。このコンタクト層４２１の不純物濃度は、第２クラッド層４１９の不純物濃度よりも大きい。
電極４１７は、例えばＴｉ／Ａｕ等の金属材料から形成され、コンタクト層４２１の上方に設けられている。電極４１７は、不純物濃度が高くなっているコンタクト層４２１との間でオーミック接触している。
【００８５】
この多波長光源装置４０１では、電流ブロック層４２０を有することにより、電極４１７から注入された電流の大部分が、対応する導波路領域のみに流入し、他の導波路領域へ拡散が抑制されている。
【００８６】
次に、本実施形態に係る多波長光源装置４０１の製造方法について説明する。
図１９および図２０は、本実施形態に係る多波長光源装置４０１の各製造工程における未完成品の断面図である。なお、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。また、図１９および図２０は模式図であり、図１９および図２０に表された各層の厚みは実測寸法を反映したものではない。
図１９（ａ）に示すように、まず、半導体基板４１５上に、犠牲層４５６をエピタキシャル成長法により形成する。その後、犠牲層４５６上に、第１クラッド層４１８、３つの活性層１１３、中間層１１４、第２クラッド層４１９、コンタクト層４２１を順にエピタキシャル成長法により形成する。
【００８７】
そして、コンタクト層４２１上に、電子線リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、電極４１７を形成する予定の領域を覆う酸化シリコンマスク５１１を形成する。
続いて、ウェットエッチング法によりコンタクト層４２１のうち、酸化シリコンマスク５１１以外の領域を除去する。
その後、エピタキシャル成長法により、電流ブロック層４２０を酸化シリコンマスク５１１以外の領域に埋め込むように形成する。このとき、エピタキシャル成長法として、ＭＯＣＶＤ法を採用する。
そして、電流ブロック層４２０を形成した後、酸化シリコンマスク５１１を除去する。
【００８８】
その後、図１９（ｃ）に示すように、コンタクト層４２１上に、電子線リソグラフィ技術を利用して、電極４１７を形成する予定の領域以外の領域を覆うレジストマスク５１２を形成する。このレジストマスク５１２の形成方法は、実施形態１で説明したレジストマスク１２１の形成方法と同様である。
【００８９】
次に、図１９（ｄ）に示すように、金属層４５７を形成する。ここで、金属層４５７の形成方法としては、例えば蒸着法やスパッタリング法を採用すればよい。
続いて、リフトオフ技術を利用して、金属層４５７のうち電極４１７以外の部分をレジストマスク５１２とともに除去する。レジストマスク５１２の除去は、例えばＯ２（酸素）アッシャー等により行う。
【００９０】
その後、図２０（ａ）に示すように、電極４１７およびコンタクト層４２１上に、フォトリソグラフィ技術を利用して、複数の空孔１２１ａを有するレジストマスク１２１を形成する。このレジストマスク１２１の形成方法は、実施形態１で説明したレジストマスク１２１の形成方法と同様である。
【００９１】
続いて、図２０（ｂ）に示すように、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法により、レジストマスク１２１をマスクとして、積層構造体４１０および犠牲層４５６の一部をエッチングする。ここで、積層構造体４１０は、前述のように、第１、第２クラッド層４１８，４１９、活性層１１３、中間層１１４、電流ブロック層４２０およびコンタクト層４２１から構成される。その後、Ｏ２（酸素）アッシャー等によりレジストマスク１２１を除去される。
【００９２】
次に、図２０（ｃ）に示すように、ウェットエッチング法により、犠牲層４５６の一部をエッチングにより除去することにより、ブリッジ層４１６が形成される。
その後、半導体基板４１５を研磨した後、図２０（ｄ）に示すように、半導体基板４１５における電極４１７側とは反対側に電極４２２を形成することにより、多波長光源装置４０１が完成する。ここで、電極４２２の形成方法としては、例えば蒸着法やスパッタリング法を採用すればよい。
【００９３】
結局、本実施形態に係る多波長光源装置４０１は、電極４１７からの電流注入により、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４それぞれの導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４の励起を行うことができる。従って、領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４を光励起する構成に比べて、励起光源が不要となる分、多波長光源装置４０１を用いた多波長光源システムの簡素化および小型化を図ることができる。
【００９４】
＜変形例＞
（１）実施形態１および２では、多波長光源装置１０１の領域ＡＲ１〜ＡＲ４や多波長光源装置２０１の領域ＡＲ２１〜ＡＲ２４において、互いに透過帯域および高状態密度波長帯域が異なる例について説明した。但し、透過帯域および高状態密度帯域は、必ずしも互いに異なる構成に限定されるものではない。例えば、４つの領域ＡＲ１〜ＡＲ４（ＡＲ２１〜ＡＲ２４）のうち、２つの透過帯域および高状態密度帯域は、同じであり、他の透過帯域および高状態密度帯域とは異なる構成であってもよい。
【００９５】
（２）実施形態１および２では、積層構造体１１０において、フォトニック結晶領域ＰＣ１〜ＰＣ４（ＰＣ２１〜ＰＣ２４）と、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４（ＷＧ２１〜ＷＧ２４）とが、２次元に並列して設けられる例について説明した。但し、フォトニック結晶領域と、導波路領域とは、必ずしも２次元に並列して設けられている構成に限定されるものではない。例えば、導波路領域が、フォトニック結晶領域により３次元的に囲繞された構成であってもよい。
【００９６】
例えば、実施形態１に係る中間層１１４と同じ材料からなる複数の半導体ワイヤを格子状に積み上げられたフォトニック結晶領域中に、量子ドットが分散された活性層を有する導波路領域が形成されたものであってもよい。
ここで、フォトニック結晶領域は、例えば２次元に互いに平行となるように配列された複数の半導体ワイヤ上に、これらのワイヤの延伸方向に直交する方向に延伸し、互いに平行となるように配列された複数の半導体ワイヤが重なった構造を基本構造とする。そして、フォトニック結晶領域は、この基本構造における半導体ワイヤが配列された面に直交する方向に、当該基本構造が複数個積み上げられた構造を有している。
【００９７】
（３）実施形態３では、多波長光源装置１０１の領域ＡＲ１〜ＡＲ４毎に励起光源３１１Ａ〜３１１Ｄを備える多波長光源システム３０１の例について説明した。但し、励起光源は、必ずしも領域ＡＲ１〜ＡＲ４毎に各別に備える必要はない。例えば、１つの励起光源が、各領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４に対して、時分割で順次励起光を照射していく構成であってもよい。
【００９８】
図２１は、本変形例に係る多波長光源システム６０１の概略構成図である。なお、実施形態３と同様の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
多波長光源システム６０１は、多波長光源装置１０１と、１つの励起光源６１１と、ガルバノミラー６１２と、走査レンズ６１３と、を備える。
ここにおいて、励起光源６１１から出射される光は、ガルバノミラー６１２で反射されてから走査レンズ６１３を通って、多波長光源装置１０１の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４のいずれかの一部に集光される。
そして、ガルバノミラー６１２の角度を変化させることにより、励起光源６１１から出射される光が集光される位置が変化する。
【００９９】
本構成によれば、領域ＡＲ１〜ＡＲ４の数（４個）よりも少ない数（１個）の励起光源６１１を備える構成とすることができるので、多波長光源システム６０１の部品点数の削減や小型化を図ることができる。
【０１００】
また、本変形例に係る多波長光源システム６０１では、多波長光源装置１０１における隣り合う２つの導波路領域同士の間隔を狭く（例えば３μｍ程度）にすることができる。また、ガルバノミラー６１２と多波長光源装置１０１との間の距離は、隣り合う２つの導波路領域同士の間隔に比べて長くすることができる。すると、領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４を順番に光励起していく場合、ガルバノミラー６１２の振り角度を比較的小さくすることができる。
例えばガルバノミラー６１２と多波長光源装置１０１との間の間隔を５ｍｍに設定する。この場合、光励起する場所を隣り合う２つの導波路領域のいずれか一方から他方に変更するとき、ガルバノミラー６１２の角度を０．０３°程度変化させるだけでよい。
【０１０１】
このように、本構成によれば、例えば領域ＡＲ１〜ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４を順番に光励起（掃引）していく場合、ガルバノミラー６１２の振り角度のダイナミックレンジを比較的小さくすることができる。従って、導波路領域ＷＧ１〜ＷＧ４全てを順番に光励起するのに要する時間（掃引時間）の短縮を図ることができる。
【０１０２】
（４）実施形態４では、多波長光源装置４０１の電流ブロック層４２０およびコンタクト層４２１が、エピタキシャル成長法により形成される例について説明した。但し、電流ブロック層４２０およびコンタクト層４２１は、必ずしもエピタキシャル成長法により形成されるものに限定されるものではない。例えば、電流ブロック層４２０およびコンタクト層４２１が、イオン注入法により形成されるものであってもよい。
【０１０３】
図２２は、本変形例に係る多波長光源装置８０１の各製造工程における未完成品の断面図である。なお、実施形態４と同様の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。また、図２２は模式図であり、図２２に表された各層の厚みは実測寸法を反映したものではない。
図２２（ａ）に示すように、まず、実施形態１と同様に、半導体基板４１５上に、犠牲層４５６、第１クラッド層４１８、３つの活性層１１３、中間層１１４をエピタキシャル成長法により形成する。そして、半導体基板４１５から最も離間した位置にある活性層１１３上に、第２クラッド層８１９をエピタキシャル成長法により形成する。
次に、第２クラッド層８１９上に、電子線リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、電極４１７を形成する予定の領域以外の領域を覆う酸化シリコンマスク９１１を形成する。
続いて、酸化シリコンマスク９１１上から電極４１７を形成する予定の領域にイオン注入により不純物イオンを注入する。ここでは、Ｐ型の不純物イオンとして、例えばＢｅイオンを注入する。その後、熱処理を施すことにより、不純物を活性化させてコンタクト層８２１が形成される。そして、例えばバッファドフッ酸等を用いて、酸化シリコンマスク９１１を除去する。
【０１０４】
次に、図２２（ｂ）に示すように、コンタクト層８２１上に、電子線リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、電極４１７を形成する予定の領域を覆う酸化シリコンマスク９１２を形成する。
続いて、酸化シリコンマスク９１２上から電極４１７を形成する予定の領域以外の領域にイオン注入により不純物イオンを注入する。ここでは、Ｎ型の不純物イオンとして、例えばＳｉイオンを注入する。その後、熱処理を施すことにより、不純物を活性化させて電流ブロック層８２０が形成される。そして、酸化シリコンマスク９１２を除去する。
【０１０５】
次に、図２２（ｃ）に示すように、電極４１７およびコンタクト層４２１上に、フォトリソグラフィ技術を利用して、複数の空孔１２１ａを有するレジストマスク１２１を形成する。
【０１０６】
その後、実施形態４で説明した製造方向と同様の工程を行うことにより、図２２（ｄ）に示すような、積層構造体８１０を有する多波長光源装置８０１が完成する。
ここで、積層構造体８１０は、第１クラッド層４１８と、３つの活性層１１３と、２つの中間層１１４と、第２クラッド層８１９と、コンタクト層８２１と、電流ブロック層８２０と、電極４１７と、から構成される。
【０１０７】
本構成によれば、電流ブロック層８２０がイオン注入法により形成されるので、電流ブロック層をエピタキシャル成長法により形成する構成に比べて、製造方法の簡素化を図ることができる。
【０１０８】
なお、本変形例では、電流ブロック層８２０が、Ｎ型の不純物イオンを注入することにより形成される例について説明したが、注入するイオンはＮ型の不純物イオンに限定されるものではなく、例えばプロトン注入により電流ブロック層８２０を形成してもよい。
具体的には、酸化シリコンマスク９１２上から電極４１７を形成する予定の領域以外の領域に水素イオンを注入し、その後、熱処理を施す。
【０１０９】
（５）また、発明者らは、実施形態１に係る試料１について、導波路領域ＷＧを光励起した場合に試料１から出射される光の偏光特性について調査を行っている。
図２３は、実施形態１に係る試料１について、導波路領域ＷＧを光励起した場合に試料１から出射される光の偏光特性を調査した結果である。
図２３において、（ａ−１）は、（ａ−２）に示すように、偏光子を試料１の厚み方向において試料１に対して対向配置し、偏光子の偏光角を変えながら、導波路領域ＷＧから試料１の厚み方向に出射される光の強度スペクトルを測定した結果である。ここで、偏光子の偏光角は、導波路領域ＷＧの長手方向に直交する方向を０°とし、導波路領域ＷＧの長手方向に平行な方向を９０°としている。
また、（ｂ−１）は、（ｂ−２）に示すように、偏光子を導波路領域ＷＧの長手方向において試料１に対して対向配置し、偏光子の偏光角を変えながら、導波路領域ＷＧから導波路領域ＷＧの長手方向に出射される光の強度スペクトルを測定した結果である。ここで、偏光子の偏光角は、試料１の厚み方向に直交する方向を０°とし、試料１の厚み方向に平行な方向を９０°としている。
【０１１０】
図２３（ａ−１）に示す結果から、導波路領域ＷＧから試料１の厚み方向に直交する方向に出射される光は、導波路領域ＷＧの長手方向に直交する方向に直線偏光していることが判る。また、図２１（ｂ−１）に示す結果から、導波路領域ＷＧから導波路領域ＷＧの長手方向に出射される光は、試料の厚み方向に直交する方向に直線偏光していることが判る。
そこで、発明者らは、実施形態１で説明した多波長光源装置１０１と、光スイッチ素子とを組み合わせた多波長光源システムを考案した。
【０１１１】
図２４は、本変形例に係る多波長光源システム７０１の概略構成図である。
多波長光源システム７０１は、多波長光源装置１０１と、光スイッチ素子７１１と、制御部７１２とを備える。ここで、光スイッチ素子７１１は、多波長光源１０１から入射する光を透過する状態と透過しない状態とに切り替わることが可能である。制御部７１２は、光スイッチ素子７１１を上記２つの状態のいずれか一方に切り替える切り替え制御を行う。
光スイッチ素子７１１は、第１、第２偏光板７１１ａ，７１１ｂと、第１、第２偏光板７１１ａ，７１１ｂの間に介在する偏光方向可変素子７１１ｃと、を有する。
第１偏光板７１１ａは、光スイッチ素子７１１の多波長光源１０１側に配置され、多波長光源１０１の積層構造体１１０の厚み方向に直交する第１偏光方向ＰＬ１に偏光する光を透過させる。
第２偏光板７１１ｂは、光スイッチ素子７１１の多波長光源１０１側とは反対側に配置され、光スイッチ素子７１１の積層構造体１１０の厚み方向に平行な第２偏光方向ＰＬ２に偏光する光を透過させる。即ち、第２偏光板７１１ｂを透過可能な光の偏光方向は、第１偏光板７１１ａを透過可能な光の偏光方向に対して９０°ずれている。
【０１１２】
偏光方向可変素子７１１ｃは、例えばネマティック液晶を用いた素子やファラデー回転素子等から構成され、第１偏光板７１１ａおよび第２偏光板７１１ｃの間に介在している。そして、偏光方向可変素子７１１ｃは、制御部７１２により、第１偏光方向ＰＬ１に偏光した光の偏光方向を第２偏光方向ＰＬ２にする状態と、第１偏光方向ＰＬ１に偏光した光の偏光方向を第２偏光方向ＰＬ２以外の偏光方向にする状態とに切り替わる。
ここで、偏光方向可変素子７１１ｃは、制御部７１２から印加される電界の変化に応じて、上記２つの状態のいずれか一方に切り替わる。
【０１１３】
制御部７１２は、光スイッチ素子７１１の偏光方向可変素子７１１ｃに印加する電界を変化させる機能を有する。制御部７１２は、光スイッチ素子７１１の偏光方向可変素子７１１ｃに印加する電界を変化させることにより、光スイッチ素子７１１を、多波長光源１０１から入射する光を透過する状態と透過しない状態とに切り替える。
【０１１４】
本構成によれば、多波長光源装置１０１の各領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４の導波路領域ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４それぞれの励起強度と、偏光素子７１１の偏光角との両方を制御することにより、多波長光源システム７０１から出射される光量を制御できる。従って、多波長光源システム７０１の制御パラメータを増やすことができるので、多波長光源システム７０１から出射される光の光量を細かく制御することが可能となる。
【０１１５】
（６）上記各実施形態および各変形例では、積層構造体１０，１１０，４１０，８１０の活性層１３，１１３が、発光材料として量子ドットを有する例について説明した。但し、発光材料は、量子ドットに限定されるものではなく、例えば、量子井戸構造や量子ワイヤ構造から構成されるものであってもよい。
活性層１３，１１３が量子井戸構造を有する場合、ウェル層の厚みに分布を持たせるようにしてもよい。また、活性層１３，１１３が量子ワイヤであれば、その幅に分布を持たせるようにしてもよい。
本構成によれば、積層構造体の活性層において、比較的低い励起密度でレーザ発振を生じさせることができるので、消費電力の低減を図ることができる。
【０１１６】
＜付記＞
なお、本発明の技術的範囲は上記実施形態および上記変形例に記載された範囲に限定されない。上記実施形態および上記変形例に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、ＩｎＡｓからなる量子ドットが分散された活性層を有する多波長光源装置について説明をしたが、その他の材料（例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）系の材料）からなる量子ドットが分散された活性層を有する多波長光源装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、光通信に使用される多波長光源に好適である。また、医療イメージング技術の１つであるＳＳ−ＯＣＴに利用される高速掃引性を持った多波長光源としても好適である。また、光集積回路用の光源としても有効である。
【符号の説明】
【０１１８】
１      試料
１０，１１０，４１０，８１０  積層構造体
１１，１１１，１２１ａ  空孔
１３，１１３  活性層
１４，１１４  中間層
１５，１１５，４１５  半導体基板
１６，１１６，４１６  ブリッジ層
１６ａ，１１６ａ  空隙
１０１，２０１，４０１，８０１  多波長光源装置
１２１  レジストマスク
１５６，４５６  犠牲層
３０１，６０１，７０１  多波長光源システム
３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄ，６１１  励起光源
３１３Ａ，３１３Ｂ，３１３Ｃ，３１３Ｄ，６１３  走査レンズ
４１７，４２２  電極
４１８  第１クラッド層
４１９，８１９  第２クラッド層
４２０，８２０  電流ブロック層
４２１，８２１  コンタクト層
４５７  金属層
５１１，９１１，９１２  酸化シリコンマスク
５１２  レジストマスク
６１２  ガルバノミラー
７１１  光スイッチ素子
７１２  制御部
ｒ１，ｒ２  空孔半径
ａ１，ａ２  空孔間隔
ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４，ＡＲ５，ＡＲ２１，ＡＲ２２，ＡＲ２３，ＡＲ２４  領域
ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３，ＰＣ４，ＰＣ５，ＰＣ２１，ＰＣ２２，ＰＣ２３，ＰＣ２４  フォトニック結晶領域
ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４，ＷＧ５，ＷＧ２１，ＷＧ２２，ＷＧ２３，ＷＧ２４  導波路領域
ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３，ＰＡ４  光伝播経路
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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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２】
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【図６】
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【図９】
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【図１３】
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