(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的波長可変幅が広く比較的波長掃引速度が速い長発振波長の発振素子を提供する。【解決手段】発振素子は、発振されるべき電磁波に対して利得を有する利得媒質103と、電磁波を共振させるための共振器構造104、105と、利得媒質103にポンピングエネルギーを注入するためのエネルギー注入手段122A、121を備える。利得媒質103は、電磁波に対する誘電率実部が負の第一の負誘電率媒質102と第二の負誘電率媒質101で挟まれている。第一の負誘電率媒質102と第二の負誘電率媒質101の少なくとも一方には、利得媒質103との間の境界部に形成される空乏領域を変化させるための電界を印加する電界印加手段122B、121が設けられている。【選択図】図１
2008177551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振されるべき電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造と、前記利得媒質にポンピングエネルギーを注入するためのエネルギー注入手段を備えた発振素子であって、
前記利得媒質は、前記電磁波に対する誘電率実部が負の第一の負誘電率媒質と第二の負誘電率媒質で挟まれており、
前記第一の負誘電率媒質と前記第二の負誘電率媒質の少なくとも一方には、前記利得媒質との間の境界部に形成される空乏領域を変化させるための電界を印加する電界印加手段が設けられている、
ことを特徴とする発振素子。
【請求項２】
前記エネルギー注入手段は、前記第一の負誘電率媒質に設けられた第一の電極と、前記第二の負誘電率媒質に設けられた第二の電極であり、
前記電界印加手段は、前記第一の負誘電率媒質と前記第二の負誘電率媒質の少なくとも一方に設けられた第三の電極であることを特徴とする請求項1記載の発振素子。
【請求項３】
前記共振器構造は、前記電磁波を伝播させる導波路によって構成され、
前記利得媒質は前記電磁波の伝播方向に沿って伸びて、その厚さ方向の上下において、前記第一の負誘電率媒質の第一のクラッドと前記第二の負誘電率媒質の第二のクラッドで挟まれており、
前記利得媒質、前記第一のクラッドと第二のクラッドによって前記導波路を構成していることを特徴とする請求項1または2記載の発振素子。
【請求項４】
前記負誘電率媒質は、金属、キャリアドープした半導体、又は金属とキャリアドープした半導体によって構成されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の発振素子。
【請求項５】
前記利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の発振素子。
【請求項６】
前記電磁波は30GHz乃至30THzの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の発振素子。
【請求項７】
30GHzから30THzの周波数領域から選択される周波数の電磁波を発振する発振素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一の負誘電率媒質と、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である第二の負誘電率媒質と、
前記第一の負誘電率媒質と前記第二の負誘電率媒質とに挟まれ、且つ前記電磁波に対して利得を有する利得媒質と、
前記利得媒質にキャリアを注入して駆動するための駆動用電極と、
前記第一及び第二の負誘電率媒質の少なくとも一方と、前記利得媒質との間に形成される空乏領域の厚さを変化させて、発振波長を制御するための制御用電極と、
を備え、
且つ前記制御用電極は、前記駆動用電極とは独立して電位付与ができるように構成されている、
ことを特徴とする発振素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得媒質が電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質で挟まれた発振素子に関する。特には、30GHz乃至30THzの周波数領域内の周波数を含む電磁波における表面プラズモンの伝播する導波路を備え、電界制御用手段の与える電界によって空乏領域を変化させて発振波長を可変とする電流注入型の発振素子に関する。本明細書では、30GHz乃至30THzの周波数領域内の周波数を含む電磁波を、ミリ波及びテラヘルツ波と呼び、特に、30GHz寄りの領域をミリ波帯、30THz寄りの領域をテラヘルツ帯と呼ぶ。
【背景技術】
【０００２】
新しい種類の半導体レーザとして、伝導帯或いは価電子帯の同一エネルギー帯内でのキャリアのエネルギー準位間遷移（サブバンド間遷移）に基づく量子カスケードレーザと呼ばれる半導体レーザが、知られている。量子カスケードレーザの発振波長は、光学遷移に関する2つのエネルギー準位のエネルギー間隔に依存する。従って、広いスペクトル領域（中赤外域からテラヘルツ帯まで）に亘って発振波長を選択出来る可能性がある。初めに、中赤外域の4.2μmに発振波長が選択された構成によって、この様なレーザが実現可能であることが実証された。最近では、生体センシングなどに有用とされるテラヘルツ帯の電磁波資源の需要もあり、発振波長を中赤外域より長波長側に選択された長波長レーザの開発が行われる様になっている。
【０００３】
長波長レーザは、その周波数領域において利得を有する様な利得媒質の構成とともに、同利得媒質へのタイトな光閉じ込めを行える表面プラズモン導波路と呼ばれる構造を伴っている。これは、従来の半導体レーザで知られる誘電体クラッドによって光閉じ込めを行うものとは異なる。こうした長波長レーザとして、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして用いる構成が提案されている（特許文献1参照）。ここでは、クラッドに導かれる導波モードは、表面プラズモンと呼ばれる負誘電率媒質内の荷電キャリアの分極振動が寄与した電磁波である。表面プラズモンには回折限界が存在しないため、モード強度の多くを利得媒質へ閉じ込めることが可能である。この様な手法を用いることによって、発振波長が長波長寄りの11.4μmのレーザ発振を達成している。
【０００４】
また、誘電率実部が負である負誘電率媒質を、クラッドとして利得媒質の上下に配する構成も提案されている（非特許文献1参照）。ここでも、クラッドに導かれる導波モードは表面プラズモンである。二枚の負誘電率媒質をクラッドとした利得媒質では、特許文献1の構成と比べても更に多くのモード強度を利得媒質へ閉じ込めることが可能である。この様な手法を用いることによって、発振波長が更に長波長寄りの約100μm（3THz）のレーザ発振を達成している。
【０００５】
一方で、これらの表面プラズモン導波路と呼ばれる構造を伴った長波長レーザにおいて、発振波長を可変とする技術はあまり知られていない。これまでに知られているものは、光半導体レーザで典型的な温調手段を用いる手法であって、例えば、非特許文献1では、5Kから77Kまでの温調によって約4％の可変幅を有しているという報告がある。
【特許文献１】特開2000-138420号公報
【非特許文献１】Benjamin S. Williams,et al; Appl. Phys. Lett., Vol. 83（2003）, 2124
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の長波長レーザにおいて発振波長を可変とするために温調を用いた構成は、以下の二点に関して課題がある。すなわち、発振波長を可変と出来る上限から下限までの幅（波長可変幅）が比較的狭いということと、発振波長を掃引する速度（波長掃引速度）が比較的遅いということである。故に、長波長レーザにおいても、これらを解決出来る様な温調以外で発振波長を可変とする手法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、第1の本発明に係る発振素子は、発振されるべき電磁波に対して利得を有する利得媒質と、電磁波を共振させるための共振器構造と、利得媒質にポンピングエネルギーを注入するためのエネルギー注入手段を備えた発振素子である。そして、次の構成を備える。すなわち、前記利得媒質は、前記電磁波に対する誘電率実部が負の第一の負誘電率媒質と第二の負誘電率媒質で挟まれている。更に、前記第一の負誘電率媒質と前記第二の負誘電率媒質の少なくとも一方には、前記利得媒質との間の境界部に形成される空乏領域を変化させるための電界を印加する電界印加手段が設けられている。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、第2の本発明に係る発振素子は、30GHzから30THzの周波数領域から選択される周波数の電磁波を発振する発振素子であって、次の特徴を有する。すなわち、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一の負誘電率媒質と、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第二の負誘電率媒質と、利得媒質と、駆動用電極と、制御用電極と、を備える。前記利得媒質は、前記第一の負誘電率媒質と前記第二の負誘電率媒質とに挟まれ、且つ前記電磁波に対して利得を有する。前記駆動用電極は、前記利得媒質にキャリアを注入して駆動するための電極である。前記制御用電極は、前記第一及び第二の負誘電率媒質の少なくとも一方と、前記利得媒質との間に形成される空乏領域の厚さを変化させて、発振波長を制御するための電極である。更に、前記制御用電極は、前記駆動用電極とは独立して電位付与ができるように構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発振素子によれば、上記の如く、電界によって、利得媒質と負誘電率媒質との間の境界部の空乏領域を比較的高速に変化させることで発振波長を変化させる。従って、比較的薄い利得媒質を使用すれば（これは後述する様に可能である）、利得媒質の領域に対して比較的大きな比率で空乏領域の大きさを調整出来て、従来よりも波長可変幅が広く波長掃引速度が速い長発振波長の発振素子を実現することが可能となる。
【００１０】
これに伴って、特に、ミリ波及びテラヘルツ波におけるアプリケーション、例えば、生体センシングなどに用いるスペクトル検査とこれに基づく物質の同定や、高速情報通信などに本発振素子を有効に適用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の原理を説明しつつ、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明を適用した発振素子の一実施形態の構成を示す。図1において、101と102は第一のクラッド及び第二のクラッドを夫々構成する負誘電率媒質であって、発振されるべき電磁波の周波数領域において負の誘電率実部を有する物質である。ミリ波及びテラヘルツ波の周波数領域では、例えば、キャリアドープした半導体（例えば、InAs、InP、GaAs、Siなど）、金属（例えば、Ag、Au、Cu、Alなど）、又はこれらの複数の物質（金属とキャリアドープした半導体）で構成される。負誘電率媒質は、典型的な場合、導電性材料でもあるので、透明導電膜（ITOなど）を選択してもよい。
【００１２】
また、図1において、103は、第一及び第二の負誘電率媒質101、102で上下を挟まれた利得媒質である。利得媒質は、一般に、エネルギー注入手段によりポンピングエネルギーが注入されると利得が発生する物質である。ここでは、キャリアが注入されると利得が発生する物質であって、外部から電流注入を行うためには利得媒質103と負誘電率媒質101、102との電気的な接触を図る必要がある。このため、高濃度キャリアドープされた半導体を電気的接点111、112として、必要に応じて利用することが好ましい。ここで、高濃度とは、少なくとも誘電率実部が負になる様なキャリア濃度より濃度が高いものとする。また、121と122は電極である。この様な構成で、負誘電率媒質101、102と電気的接点111、112は、ミリ波及びテラヘルツ波にとって、幾何光学的な反射面をなすクラッドとして機能する。
【００１３】
従って、この様なクラッド（負誘電率媒質101、102と電気的接点111、112）によって導かれる電磁波は、回折限界を持たない表面プラズモンが導波モードとして許容される。
【００１４】
こうした発振素子の利得媒質103と負誘電率媒質101、102との境界部には、以下の様な状況において空乏領域が生じることがある。なお、図1のように電気的接点111、112が設けられている場合には、前記境界部とは、当該電気接点と利得媒質103との境界ということになる。空乏領域が生じる例としては、利得媒質103を挟み込む様に電極を設け、当該電極から電界印加（電位付与）されたときが、その典型例である。空乏領域は、一時的にキャリア濃度が低濃度となる領域のことで、導波されるミリ波及びテラヘルツ波に対して、一時的にクラッドとして機能しなくなる。ここで、低濃度とは、誘電率実部が正になる様なキャリア濃度より濃度が低いものとする。
【００１５】
従って、利得媒質103を挟み込む様に何らかの電界が印加されたとき、空乏領域の分だけ上記幾何光学的な反射面が後退してクラッドの領域が後退し、導波モードの分布が拡大することになる。印加電界が変化するときは、空乏領域の変化分だけクラッドの領域が変化（後退または前進）し、導波モードの分布が増減（拡大または収縮）する。上記幾何光学的な反射面が後退して導波モードの分布が拡大するとき、導波モードの感じる等価屈折率は低下する。逆に、上記幾何光学的な反射面が前進して導波モードの分布が収縮するとき、導波モードの感じる等価屈折率は増大する。この等価屈折率の増減により共振波長が変化して発振波長が変化することになる。
【００１６】
本発明は、クラッドにおける負誘電率実部の部分と正誘電率実部の部分との境界（幾何光学的な反射面をなす）が、利得媒質103に対して後退または前進する様な現象を積極的に用いるものである。そして、こうした現象を起こす空乏領域を生成、消滅、変化させるために、導波路を形成する利得媒質とクラッド（負誘電率媒質と電気的接点）の部分に印加される電界の制御を必要とする。従って、本発明における等価屈折率の変化は、次の点で、波長可変光半導体レーザで知られた電流または電圧制御に基づく導波モードの感じる等価屈折率の変化とは、全く異なった機構を有している。すなわち、クラッドとして負誘電率媒質を用いる点、幾何光学的な反射面で画成される表面プラズモン導波路を用いる点、空乏領域の変化による反射面の移動で導波モードの分布を増減させて等価屈折率を増減させることで共振波長の変化を起こさせる点で、異なる。
【００１７】
こうした利得媒質103としては、例えば、共鳴トンネルダイオードを用いることが出来る。また、量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造を用いてもよい。
【００１８】
空乏領域の電界制御を行う手段には、利得媒質103にキャリアを注入するための駆動用の電界を与える一対の電極を配置し、これとは別に、独立して空乏領域の電界制御を行える様に利得媒質103を挟み込む一対の電極を配置する方法がある。ただし、二組の電極対における接地電極は共通のものを用いてもよい。
【００１９】
図1の実施形態では、発振されるべき電磁波の表面プラズモン導波路での伝播方向に沿って電極122を駆動用電極（第一の電極）122Aと制御用電極（第三の電極）122Bに分割し、電極121を接地電極（第二の電極）としてこれを実現している。ただし、これに限ることはなく、ポンピングエネルギーを注入する手段である駆動用の電極対や、空乏領域の電界制御を行う電界印加手段である電極対は複数組あってもよい。こうして、駆動用電極122Aは直下の利得媒質103にキャリアを注入し、制御用電極122Bは直下の表面プラズモン導波路のクラッドを電界制御する。駆動及び制御は、夫々、図示しない外部電界制御手段に各電極を接続して行えばよい。なお、電極122Aと電極122Bには独立した電位を与えやすくするため、つまり、負誘電率媒質102を経由して電極122Aから電極122Bへ流れる電流を低減するために、電極分離領域123を設けてもよい。以上の構成によって、駆動とは独立に空乏領域の電界制御が出来る様になる。そのため、例えば、利得媒質103において利得が消失する様な電界でさえも、空乏領域の増減制御のために利用することが可能となる。また、後述する様な制御用電極を分布させたDBR構造、DR構造、DFB構造を持つ構成も可能となる。
【００２０】
なお、図1では、駆動用電極の両側に、前記制御用電極122Bが設けられているが、必ずしも両側に設ける必要はない。例えば、図1（ａ）における紙面手前側の制御用電極と、前記駆動用電極と、これら電極の下部にある第一の負誘電率媒質、利得媒質、第二の負誘電率媒質、及び前記駆動用電極と前記制御用電極の対向電極となる共通電極121とで構成することもできる。
【００２１】
次に、図1（ｂ）は共振器構造を示すための発振素子の断面構成図である。また、図1（ｃ）は導波モードの感じる等価屈折率の分布の様子を示す。ここでは、共振器構造は簡単に端面104、105によって形成される。クラッド（負誘電率媒質101、102と電気的接点111、112）によって導かれる表面プラズモンは、これら端面104、105によって形成されるファブリペローエタロンによって共振し、発振に至る様になる。図1（ｂ）及び図1（ｃ）に示す様な構成において発振する電磁波の波長は、次式（1）で示される。
【００２２】
mλ=2（nALA+nBLB）               式（1）
ここで、mは縦モードの次数（整数）、nAは駆動用電極122Aの直下における導波モードの感じる等価屈折率、LAは駆動用電極122Aの直下における表面プラズモン導波路の長さである。また、nBは制御用電極122Bの直下における導波モードの感じる等価屈折率、LBは制御用電極122Bの直下における表面プラズモン導波路の長さである。制御用電極122Bの与える電界はnBを変化させ、式（1）の通り、発振波長λを変化させるか、またはmを変化させる様なモードホップへ寄与する。いずれを選ぶかは、LAやLBの長さによって決定することも出来る。従って、波長可変幅はnBの変化に依存し、簡単のためにモードホップのないときを考えると、次式（2）の様になる。
【００２３】
δλ/λ=δnBLB/（nALA+nBLB）      式（2）
波長可変幅δλ/λは、導波モードの感じる等価屈折率の変化量δnBに比例し、例えば、nALA=nBLBの場合、0.5×δnB/nBと等しい。これは、つまり、等価屈折率の変化量δnBというよりは等価屈折率の変化率δnB/nBが波長可変幅δλ/λを決めることを示している。
【００２４】
本発明において、波長可変幅を広く選択するためには、導波モードの感じる等価屈折率の変化率が比較的大きいことが望ましい。本発明では、生じる空乏領域の分だけクラッドが後退し、導波モードの分布を広げるといった現象を利用するため、広がり量が元々の導波モードの分布に対して相当量となる構成とすればよい。このためには、利得媒質103の厚さが空乏領域の厚さと同程度か、それ以下となるものを選択すると簡単である。というのも、印加出来る電界には上限があって、典型的な場合、生じる空乏領域の厚さはサブミクロンオーダが上限となるからである。従って、これよりも厚さが薄い利得媒質103を選択するとよい。
【００２５】
その一例としては、フォトンアシストトンネルに基づく共鳴トンネルダイオード（Resonant Tunneling Diode:RTD）や、フォトンアシストトンネルに基づく共鳴バンド間トンネルダイオード（Resonant Inter-band Tunneling Diode:RITD）がある。RTDは、伝導帯或いは価電子帯において量子井戸とトンネル可能な障壁から成る多重量子井戸を用いたものであり、いずれもキャリアのサブバンド間遷移を行う構造を持つもののことである。RITDは、トンネル可能なpn接合やTypeIIヘテロ接合を用いたものであり、キャリアがバンド間遷移を行う構造を持つもののことである。エサキダイオードとも呼ばれる。いずれも、キャリアのトンネリングに基づいていることから、利得媒質103の厚さは、生じ得る空乏領域の厚さよりも薄くできるといえる。
【００２６】
以下にその厚さの一例を示す。RTDを選択した場合、利得媒質103の厚さは、例えば10nmである。一方で、RTDへ電界を印加したとき利得媒質103と電気的接点111、112の境界部に生じる空乏領域の厚さは、例えば10nm程度である。このとき、導波モード分布の上下方向（積層方向）の広がりは元々10nmであって、空乏領域が生じると、両者を足して20nmとなる。RITDを選択した場合、利得媒質103の厚さは、例えば1nmである。一方で、RITDへ電界を印加したとき利得媒質103と電気的接点111、112の境界部に生じる空乏領域の厚さは、例えば1nm程度である。このとき、導波モード分布の上下方向の広がりは元々1nmであって、空乏領域が生じると、両者を足して2nmとなる。故に、いずれの場合も、広がりが元々の導波モードの分布に対して相当量となる構成となるため、等価屈折率の変化率が比較的大きく、好ましい。
【００２７】
こうした理由から、例えば10%以上の波長可変幅とすることも可能である。また、前者（RTD）の場合では、キャリアの遅延時間が比較的小さい単極性の高速デバイスであるため、波長掃引速度としては、例えば、ナノ秒オーダの高速動作も期待出来る。すなわち、比較的低速な熱伝導や、比較的大きな比熱などのために高速動作が難しい温調と比較すれば、高速である。
【００２８】
ただし、以上に示された構成において、利得媒質103の有する利得がミリ波帯よりも低い周波数領域（30GHzより低い周波数領域）まで及んでいる場合は、寄生的なRF（radio frequency）発振が発生する可能性がある。これは、次の様にして防止することが出来る。すなわち、寄生的なRF発振はRC時定数によるものである。例えば、利得媒質103から電極121、122を経由して図示しない外部電界印加手段までのRC共振回路による時定数も、寄生的なRF発振の原因である。故に、アナログ回路技術で知られている、バイアスTを介して電極121、122の間に電界を供給する構成や、電極121、122の間に、別途、抵抗器などを挿入する構成などを付加してもよい。
【実施例】
【００２９】
次に、より具体的な実施例を説明する。
【００３０】
（実施例1）
図2は、本発明を適用した発振素子の第1の実施例を示す。本実施例において、利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオード（RTD）である。RTDにおいて生じる利得は、DCにおいて負性抵抗として観測されるが、これはミリ波帯からテラヘルツ帯まで広く及んでいると考えられている。従って、RTDは、本発明を適用出来る発振素子を構成する利得媒質として好ましい例となる。
【００３１】
図2において、利得媒質203はRTDであり、例えば、スペーサ層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／スペーサ層の様に障壁層を三枚用いた構成になっている。この構成を実現するために、井戸層としてInP基板上に格子整合するInGaAsを用い、障壁層には、格子整合するInAlAsや非整合のAlAsを用いることが出来る。より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、以下の半導体多層膜構造から構成される。InGaAs（厚さ5.0nm）/AlAs（1.3nm）/InGaAs（7.6nm）/InAlAs（2.6nm）/InGaAs（5.6nm）/AlAs（1.3nm）/InGaAs（5.0nm）である。そして、いずれの層も意図的にキャリアドープを行わないアンドープとすると、利得媒質203における自由電子吸収ロスは無視出来る。
【００３２】
RTDは、フォトンアシストトンネルと呼ばれる現象に基づいてミリ波及びテラヘルツ波の周波数領域で利得を有する。例えば、上記のRTDは、0.3Vの電界印加時においてピーク電流密度が60kA/cm2であり、0.3V乃至0.6Vにおいて負性抵抗を示すものである。負性抵抗をより詳細に解析すれば、例えば0.4Vの電界印加時において、0.3THz乃至1THzの周波数領域で200cm-1程度の利得を有していると考えられる。なお、RTDの解析はJpn．Jour．Appl．Phys., Vol．40，5251（2001）に詳しい解説がある。この様な利得媒質203は、負誘電率媒質でもある電気的接点211、212に挟まれる。利得媒質203の電気的接点211、212は、例えば、InP基板に格子整合するn-InGaAs（50nm）の半導体膜で構成する。この半導体膜は、Siをドーパントとして用いて電子濃度を1×1018cm-3とする。
【００３３】
更に、利得媒質203は負誘電率媒質201、202に挟まれるが、負誘電率媒質201、202もやはりInP基板に格子整合するn-InGaAs（100nm）の半導体膜で構成する。ここでは、電子濃度を1×1019cm-3として、Ti/Auなどの電極221、222とオーミックに接する。ただし、以上はInP基板上の構成の一例を示したもので、これに限るものではない。InAs基板上のInAs/AlAsSbやInAs/AlSb、GaAs基板上のGaAs/AlAs、Si基板上のSi/SiGeといった半導体多層膜構成も考えられる。
【００３４】
こうした素子本体20は、図2における転写用基板21上に配置され、誘電体22によって埋め込まれた埋め込み型としてもよい。誘電体22としては、BCBなど低誘電率で且つ損失の少ないものを選択する。この様にすると、駆動用電極222A、制御用電極222Bを誘電体22（例えば、横方向に100μm程度）上に引き出すことが出来る。そのため、駆動用電極222Aや制御用電極222Bへの図示しない電界供給のための構造（ワイヤボンティングなど）の形成が容易となる。ここでは、素子本体20の大きさを、表面プラズモンの伝播方向に500μm、横方向に20μmとする。なお、図2において、204、205は共振器を構成する端面を表す。221は接地電極である。
【００３５】
以上の発振素子構成において、空乏領域とこれを電界制御する電極222の電圧の関係を見積もるため、数値計算を行った。数値計算では、利得媒質203とその厚さ方向（積層方向）の上下を挟んだクラッド（負誘電率媒質201、202と電気的接点211、212）との構成を一次元的にモデル化し、空乏領域の厚さを把握出来る様にポワソン方程式を用いた。ここで、負誘電率媒質201と負誘電率媒質202におけるフェルミエネルギーの差は、接地電極221を基準とした電極222の電圧と等しいものと仮定した。この方法は、当業者には知られている方法であるが、更に精度を追求する場合は、ポワソン方程式とシュレディンガー方程式を自己無撞着に解く方法を用いてもよい。
【００３６】
図3-1は、電極222の電圧の変化に伴って空乏領域がどの様に変化するかを示したバンドダイアグラムである。図3-1において、横軸のdistance（nm）はエミッタから利得媒質203を介してコレクタまでの位置関係を示しており、図2における上下方向（積層方向）に対応する。図3-1におけるEcやEvは夫々伝導帯底、価電子帯底を表していて、縦軸は任意単位である。一方、nは、伝導帯における自由キャリア濃度を示していて、その縦軸は濃度density（cm-3）である。ここで、空乏領域の厚さの定義としては、テラヘルツ帯の電磁波から見て誘電体ライクとみなせる、誘電率実部が正になる様な低濃度n<1×1017cm-3の領域である。数値は、1THz付近で概算した一例であり、n=1×1017cm-3に対応するプラズマ周波数が1THz付近に存在することから、その様に定義した。なお、プラズマ周波数とは、自由キャリアを有する媒質を、それ以下の周波数の電磁波から見ると金属ライク、それ以上の周波数の電磁波から見ると誘電体ライクとみなせる様な境界を示す物理量である。この定義に従って、図3-1では、利得媒質203とクラッドの境界部に形成される空乏領域を“depletion”として視覚的に表示して、理解しやすい様に描画している。図3-1（ａ）は電極222の電圧が0.0Vのときのバンドダイアグラムである。また、図3-1（ｂ）は0.4Vのとき、図3-1（ｃ）は0.8Vのときを示している。この様に0.0Vから0.8Vまでにおいて、電圧が増加するのに伴って電界が増加し、電界が増加することに伴って空乏領域が広がる傾向が分かる。例えば、図3-1（ｃ）では、図3-1（ａ）と比較して、空乏領域の厚さは約13nm広がっている。
【００３７】
図3-2は、電極222の電圧が直下の導波モードの等価屈折率をどの様に変えるかを示したものである。このためには、発振素子構成における図3-1（ａ）、（ｂ）、（ｃ）夫々の自由キャリア濃度をドゥルーデモデルに反映して計算モデルとすればよく、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いた。この方法も、当業者には知られている方法である。ただし、有限要素法ソルバの要請から、グレーデットな自由キャリア濃度を計算モデルに与えられなかった。そのため、既に述べた様にして定義した空乏領域の境界近傍部において、次の様にモデル化した。すなわち、n<1×1017cm-3の誘電体ライクな領域をn=1×1016cm-3の矩形領域とし、n>1×1017cm-3の金属ライクな領域をn=1×1018cm-3の矩形領域としてモデル化した。計算は、例として、0.3THzから1.6THzまでで行ったもので、横軸のfrequency（THz）は、基底導波モードの周波数である。縦軸は、基底導波モードの等価屈折率である。
【００３８】
図3-2においてａ、ｂ、ｃは、図3-1（ａ）、（ｂ）、（ｃ）（同順）を夫々反映したものである。電極222の電圧が0.0Vのときに対応するａでは、例えば、0.6THz周辺の導波モードの等価屈折率は15.2である。0.4Vのときに対応するｂでは、同じく0.6THz周辺の導波モードの等価屈折率は13.6である。0.8Vのときに対応するｃでは、同じく0.6THz周辺の導波モードの等価屈折率は11.8である。以上より、電極222の電圧をそのまま制御用電極222Bの電圧と読み替えれば、制御用電極222Bの電圧を0.0Vから0.8Vまで掃引することで、その直下の導波モードの等価屈折率を15.2から11.8まで変化させることが可能といえる。以降では、本実施例の発振素子の駆動、制御、及び発振波長について述べる。
【００３９】
上記の発振素子構成において、発振波長を見積もる。通常動作時は、駆動用電極222Aに0.4V、制御用電極222Bに0.4Vを与えるものとする。このとき式（1）より、μ=2×13.6×500/m（mは整数）となる（図4参照）。例えば、m=27を考えると、発振波長は約500μm（0.60THz）となる。なお、実際には多くの発振モードが立つとしても、フィルタで500μm前後の波長を選択するようにすればよい。
【００４０】
ここで、制御用電極222Bの電圧を0.0Vから0.8Vまで掃引を行うと波長可変動作となる。ここでは、駆動用電極222Aの直下における表面プラズモン導波路の長さLAを250μm、制御用電極222Bの直下における表面プラズモン導波路の長さLBを250μmとする。式（1）によれば、制御用電極222Bの電圧が0.0Vのときは、λ=2×（13.6×250+15.2×250）/27となり、発振波長は約530μm（0.57THz）と変更される（図4参照）。また、制御用電極222Bの電圧が0.8Vのとき、λ=2×（13.6×250+11.8×250）/27となり、発振波長は470μm（0.64THz）と変更される（図4参照）。
【００４１】
従って、図4に示す様に制御用電極222Bの電圧を掃引すると、波長可変幅は約12%ということになる。以上の数値は一例であって、制御電界を更に大きく変化させるなどして、より波長可変幅を大きくすることも可能である。これは、駆動用電極222A、制御用電極222B夫々へ独立した電界を与えることが出来る本実施例の利点である。
【００４２】
本実施例の発振素子構成は次の作製方法で作製することが出来る。
まず、InP基板上に、分子ビームエピタキシー（MBE）法などによって、以下の層を成長させる。n-InGaAs層202、212、InGaAs/AlAsまたはInGaAs/InAlAsによる多重量子井戸203、n-InGaAs層211、201をエピタキシャル成長する。その表面に電極としてTi/Au221を蒸着し、上記の様な幅20μm、長さ500μmのメサ状に、基板までのエッチングを行う。エッチングには、フォトリソグラフィとICP（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。次に、上記電極221と、Au薄膜を蒸着した転写用基板21上のAu薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。AuSnなどの半田を用いた加熱融着でもよい。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、上記InP基板だけが選択的に除去されるため、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板21上に転写される形となる。
【００４３】
次に、スピンコートによりBCB22を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。最後に、上記InP基板を除去した後に現れたn-InGaAs層202の表面に、リフトオフ法により駆動用電極222Aと制御用電極222Bを形成すれば、上記構成は完成する。なお、電極分離領域223の形成には、リフトオフ法で利用したフォトレジストをマスクとして、n-InGaAs層202のエッチングを行えばよい。
【００４４】
本実施例によれば、上記の如く、制御用電極222Bを介した電界印加で、比較的高速に、利得媒質203の領域に対して比較的大きな比率で空乏領域の大きさを調整出来、導波モードの感じる等価屈折率を大きく変化させることが出来る。従って、従来よりも波長可変幅が広く波長掃引速度が速い発振素子を実現することが可能となる。
【００４５】
（実施例2）
図5は、本発明を適用した発振素子の第2の実施例の構成を示している。本実施例では、共振器構造はDBRを用いている。これは、実施例1とは異なり、波長選択性のある共振器構造となるため、モードホップが発生しにくくなる。従って、本発明を適用出来る発振素子を構成する共振器構造として、より好ましい例となる。
【００４６】
図5において、利得媒質503は、実施例1と同じInP基板上のRTDとする。電気的接点511、512は、電子濃度が1×1018cm-3のn-InGaAs（厚さ50nm）の半導体膜で構成する。負誘電率媒質501、502は、電子濃度が1×1019cm-3のn-InGaAs（厚さ100nm）の半導体膜で構成する。また、電極521、522としてはTi/Auなどを用いる。
【００４７】
これらは、図5における転写用基板51上に配置され、誘電体52によって埋め込まれた埋め込み型としてもよい。DBR504、505は、制御用電極522B、522Cを周期的に交互に繰り返して構成される。ここでは、素子本体50の大きさを表面プラズモンの伝播方向に1.2mm、横方向に20μmとするが、そのうちDBR504、505の領域は夫々表面プラズモンの伝播方向に100μm程度確保する。なお、図5において、522Aは駆動用電極、521は接地電極である。
【００４８】
DBR504、505は、その屈折率分布周期に依存した或る特定の波長に高い反射率を示す。発振波長は、本実施例の場合はDBRによって選択される特定の波長そのものとなる。この理由は、式（1）がファブリペローエタロンによって反射率が高くなる波長を選ぶことと同様で、発振波長がDBR共振器のQ値の高い波長に引き込まれるからである。故に、発振波長はDBRの単位周期における屈折率分布に依存し、λ=4nBLB=4nCLCとなる。ここで、nBは制御用電極522Bの直下における導波モードの感じる等価屈折率、LBは制御用電極522Bの直下における表面プラズモン導波路の長さである。また、nCは制御用電極522Cの直下における導波モードの感じる等価屈折率、LCは制御電極522Cの直下における表面プラズモン導波路の長さである。
【００４９】
以上の発振素子構成において、波長可変動作の一例として、駆動用電極522A に0.4V、制御用電極522Cに0.0Vを与えるとする。この場合、DBR504、505を機能させるために、制御用電極522Bへの印加電圧は電極522Cとは異ならせ、例えば0.6Vを与えるものとする。ここでは、DBR504、505において、夫々、ピッチ20μm、デューティ55%として（制御用電極522Bの長さと制御用電極522Cの長さの比が11:9）、制御用電極522B、522Cを周期的に五回繰り返して構成する。図3-2に示した電極の電圧と直下の導波モードの等価屈折率との関係について線形補間すると、0.6Vにおけるおおよその等価屈折率が見積もれる。これより、λ=4×12.7×11≒4×15.2×9≒550と計算され、発振波長は550μm（0.55THz）となる。
【００５０】
別の波長可変動作の一例としては、駆動用電極522Aに0.4V、制御用電極522Bに0.8Vを与えるとする。この場合、DBR504、505を機能させるために、制御用電極522Cの電圧は制御用電極522Bと異なる電圧とし、例えば0.2Vを与えるものとする。図3-2に示した電極の電圧と直下の導波モードの等価屈折率との関係を線形補間すると、0.2Vにおけるおおよその等価屈折率が見積もれる。これより、λ=4×11.8×11≒4×14.4×9≒520と計算され、発振波長は520μm（0.58THz）となる。
【００５１】
この様に、制御用電極522Bに与える電圧を0.6Vから0.8Vまで、制御用電極522Cに与える電圧を0.0Vから0.2Vまで、nBLB=nCLCとなる様に掃引すると、波長可変幅は約6%ということになる。以上の数値は一例であって、実施例1と同様、制御電界を更に大きく変化させるなどして、より波長可変幅を大きくすることも可能である。これは、本実施例も駆動用電極522A、制御用電極522B、522Cへ独立した電界を与えることが出来るという利点を有するからである。
【００５２】
本実施例では、制御用電極を周期的に繰り返して構成される共振器構造はDBR型としたが、これに限るものではない。例えば、上記発振素子構成において一方のDBRを除いたDR型とすることも出来る。または、駆動用電極の直下における表面プラズモン導波路の長さを極端に短くし且つDBRにおける一方の制御用電極を駆動用電極とするDFB型とすることも出来る。本実施例でも、本実施例特有の効果に加えて、実施例1で述べた効果が奏される。
【００５３】
（実施例3）
図6は、本発明を適用した第3の実施例の発振素子の構成を示す。本実施例において、利得媒質はフォトンアシストトンネルに基づいた共鳴バンド間トンネルダイオード（RITD）である。RITDはフォトンアシストトンネルを利用してミリ波帯の利得を有している。従って、本発明を適用出来る発振素子を構成する利得媒質として変形例を示すものである。
【００５４】
図6において、利得媒質603はRITDであり、例えば、n型δドープ部／スペーサ層／TypeIIスペーサ層／p型δドープ部／TypeIIp型層の様にTypeIIヘテロ接合を用いた構成になっている。これらは、Si基板上に格子整合するSiをスペーサ層として、TypeIIスペーサ層やTypeIIp型層には、非整合でSiとTypeIIヘテロ接合となるSiGeを用いてもよい。より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、以下の半導体多層膜構造から構成される。n-Si（δ-dope）/Si（厚さ1.0nm）/SiGe（2.0nm）/p-SiGe（δ-dope）/p-SiGe（1.0nm）である。ここで、スペーサ層とTypeIIスペーサ層はアンドープとする。なお、利得媒質の構成はAppl．Phys．Lett，Vol．83，3308（2003）に詳述されている。
【００５５】
この様な利得媒質603は、電気的接点611、612を兼ねた負誘電率媒質601、602に挟まれる。負誘電率媒質601は、例えば、Si基板に格子整合するn-Si（100nm）の半導体膜で構成する。ここでは、Pをドーパントとして用いて電子濃度を5×1019cm-3とする。負誘電率媒質602は、例えば、Si基板に格子整合するp-Si（100nm）の半導体膜で構成する。ここでは、Bをドーパントとして用いて電子濃度を5×1019cm-3とする。この様にして、Alなどの電極621、622とオーミックに接する。
【００５６】
RITDは、フォトンアシストトンネルと呼ばれる現象に基づいてミリ波帯の周波数領域で利得を有する。例えば、上記のRITDは、0.3Vの電界印加時においてピーク電流密度が約40kA/cm2であり、0.3V乃至0.4Vの電界印加時において負性抵抗を示すものである。これらは、図6においては転写用基板61上に配置され、誘電体62などによって埋め込まれた埋め込み型とする。誘電体62としては、BCBなど低誘電率で且つ損失の少ないものを選択する。
【００５７】
ここでは、素子本体60の大きさを、表面プラズモンの伝播方向に500μm、横方向に20μmとする。ただし、表面プラズモン導波路の端部からλ/4だけ電極622を付加せずに、その直下の等価屈折率が低下する様なインピーダンス変換領域606、607を確保しておく。これは、マイクロ波技術で知られるλ/4インピーダンス変換器の応用例であって、外部空間との結合効率を高めたいときに用いる。ただし、これに限ることはなく、例えば、光技術において知られるARコートやレンズを利用してもよい。これらはいずれも外部空間とのインピーダンス不整合を低減させる。なお、同じ方法は、マイクロストリップライン、コプレーナウェーブガイドなどの外部高周波伝送路との結合効率を高めるときにも適用出来る。なお、図6において、604、605は端面、621は接地電極である。
【００５８】
以上の発振素子構成において、空乏領域と、電界の大きさを制御する電極622の電圧（接地電極621を基準とする）との関係を見積もるため、実施例1と同じ手法で数値計算を行った。図7-1は、電極622の電圧の変化に伴って空乏領域がどの様に変化するかを示すバンドダイアグラムである。図7-1において、横軸のdistance（nm）はエミッタから利得媒質603を介してコレクタまでの位置関係を示しており、図6における上下方向に対応する。図7-1におけるEcやEvは夫々伝導帯底、価電子帯底を示していて、縦軸は任意単位である。ただし、SiやSiGeは直接遷移型の半導体ではないので、重い正孔の価電子帯底を基準としてx-Γ点における極小ポイントを伝導帯底とした。また、nとpは夫々伝導帯と価電子帯における自由キャリア濃度を示していて、その縦軸は濃度density（cm-3）である。
【００５９】
ここで、空乏領域の厚さの定義としては、ミリ波帯の電磁波から見て誘電体ライクとみなせる、誘電率実部が正になる様な低濃度n<1×1015cm-3、p<1×1015cm-3の領域と考える。数値は、100GHz付近で概算した一例であり、n=1×1015cm-3、p=1×1015cm-3に対応するプラズマ周波数が100GHz付近に存在することから、その様に定義した。この定義に従って、図7-1でも、空乏領域の厚さは“depletion”として視覚的に表示して、理解しやすい様に描画している。図7-1（ａ）は素子電圧が0.0Vのときのバンドダイアグラムであって、図7-1（ｂ）は0.4Vのとき、図7-1（ｃ）は0.8Vのときを示している。この様に0.0Vから0.8Vまでにおいて、電圧が増加するのに伴って電界が増加し、電界が増加することに伴って空乏領域が狭まる傾向が分かる。例えば、図7-1（ｃ）では、図7-1（ａ）と比較して、空乏領域の厚さは約0.2nm狭まっている。
【００６０】
図7-2は、電極622の電圧が直下の導波モードの等価屈折率をどの様に変えるかを示したものである。このためには、素子構成における図7-1（a）、（ｂ）、（ｃ）夫々の自由キャリア濃度をドゥルーデモデルに反映して計算モデルとする。計算は、例として、30GHzから160GHzまでで行ったもので、横軸のfrequency（GHz）は、基底導波モードの周波数である。縦軸は、基底導波モードの等価屈折率である。図7-2においてａ、ｂ、ｃは、図7-1（ａ）、（ｂ）、（ｃ）（同順）を夫々反映したものである。電圧が0.0Vのときに対応するａでは、例えば、30GHz周辺の導波モードの等価屈折率は108である。0.4Vのときに対応するｂでは、同じく30GHz周辺の導波モードの等価屈折率は117である。0.8Vのときに対応するｃでは、同じく30GHz周辺の導波モードの等価屈折率は134である。以上より、電極622の電圧をそのまま制御用電極622B電圧と読み替えれば、制御用電極622Bの電圧を0.0Vから0.8Vまで掃引することで、直下の導波モードの等価屈折率を108から134まで変化させることが可能といえる。
【００６１】
以上の発振素子構成において、発振波長を見積もる。通常動作時は、駆動用電極622A に0.4V、制御用電極622Bに0.4Vを与えるものとする。このとき式（1）より、λ=2×117×0.5/m（mは整数）となる。例えばm=13が選択されると、発振波長は約9.0mm（33GHz）となる（図8参照）。ここで、制御用電極622Bの電圧を0.0Vから0.8Vまで掃引すると波長可変動作となる。ここでは、駆動用電極622Aの直下における表面プラズモン導波路の長さLAを250μm、制御用電極622Bの直下における表面プラズモン導波路の長さLBを250μmとする。式（1）によれば、制御用電極622Bの電圧が0.0Vのときは、λ=2×（117×0.25+108×0.25）/13となり、発振波長は約8.7mm（35GHz）と変更される（図8参照）。制御用電極622Bの電圧が0.8Vのとき、λ=2×（117×0.25+134×0.25）/13となり、発振波長は9.7mm（31GHz）と変更される（図8参照）。従って、図8に示す様に制御用電極622Bの電圧を掃引すると、波長可変幅は約11%ということになる。以上の数値は一例であって、制御電界を更に大きく変化させるなどして、より波長可変幅を大きくすることも可能である。
【００６２】
本実施例の発振素子構成は次の作製方法で作製することが出来る。まず、Si基板上に、低温分子ビームエピタキシー（LT-MBE）法などによって、p-Si層602、Si/SiGeによるTypeIIヘテロ接合603、n-Si層601をエピタキシャル成長する。低温成長を選択するのは、ドーパントの偏析を低減するためである。その表面に電極としてAl621を蒸着し、上記の様な幅20μm、長さ500μmのメサ状に、基板までのエッチングを行う。次に、上記電極621と、Al薄膜を蒸着した転写用基板61上のAl薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。その後、Si基板だけを選択的に除去する様なウエットエッチングを行うと、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板61上に転写される形となる。次に、BCB62を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。最後に、上記Si基板を除去した後に現れたp-Si層602の表面に、リフトオフ法により駆動用電極622A、制御用電極622Bを形成すれば、上記構成が完成する。
【００６３】
本実施例でも、同じくファブリペローエタロン共振器を備える実施例1で述べた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による発振素子の一実施形態を示す図。
【図２】実施例1の発振素子の構成を示す図。
【図３−１】実施例1の電極電圧と空乏領域の厚さとの関係を説明する図。
【図３−２】実施例1の空乏領域の厚さと導波モードの等価屈折率との関係を説明する図。
【図４】実施例1の制御用電極に与える電圧と発振波長の関係を説明する図。
【図５】実施例2の発振素子の構成を示す図。
【図６】実施例3の発振素子の構成を示す図。
【図７−１】実施例3の電極電圧と空乏領域の厚さとの関係を説明する図。
【図７−２】実施例3の空乏領域の厚さと導波モードの等価屈折率との関係を説明する図。
【図８】実施例3の制御用電極に与える電圧と発振波長の関係を説明する図。
【符号の説明】
【００６５】
101、102、201、202、501、502、601、602…負誘電率媒質（第一の負誘電率媒質、第二の負誘電率媒質、第一のクラッド、第二のクラッド）
111、112、211、212、511、512、611、612…電気的接点（第一の負誘電率媒質、第二の負誘電率媒質、第一のクラッド、第二のクラッド）
103、203、503、603…利得媒質
121、221、521、621…エネルギー注入手段（接地電極、第二の電極）
122A、222A、522A、622A…エネルギー注入手段（駆動用電極、第一の電極）
122B、222B、522B、522C、622B…電界印加手段（制御用電極、第三の電極）
104、105、204、205、604、605…共振器構造（端面）
504、505…共振器構造（DBR）
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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