(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層とクラッド層を積層して形成される２次元的な広がりを有するスラブ層が２次元面内の周期的屈折率分布構造を有し、この周期的屈折率分布構造に対して導波路となる線状欠陥領域を導入した２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光デバイスであって、
前記導波路の幅の異なる複数の領域が、前記導波路が直列に接続されるように形成され、
前記領域は、前記導波路の伸長方向に沿って、前記領域の前記導波路の幅が順に減少するように形成され、
前記直列に接続された導波路の前記光デバイス内における端部のうち幅が狭い導波路の端部に前記周期的屈折率分布構造が形成され、
前記導波路の幅を増加させるにしたがって長くなる波長の光が前記領域によって発振され、
前記直列に接続された導波路の前記光デバイス内における端部のうち幅が広い導波路の端部を、前記領域によって発振される光の出射口として用いることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記領域の前記導波路の伸長方向の長さを、前記領域ごとに変化させることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記領域を制御するための電極を、前記導波路の伸長方向にほぼ平行に配置し、前記電極のうち少なくとも１の電極を、前記領域ごとに分割して形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記領域ごとに分割された電極に注入する電流量を、前記領域ごとに独立に制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の光デバイスのすべての前記領域を同時に作動させて、直列に接続された前記導波路の端部から前記すべての領域からのレーザ光を取り出すことを特徴とする半導体レーザ発振器。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の光デバイスの前記領域のうちいずれかの前記領域を作動させて、直列に接続された前記導波路の端部から前記作動させた領域からのレーザ光を取り出すことを特徴とする半導体レーザ発振器。
【請求項７】
前記光デバイスの温度を所定の温度に調節する温度調節手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信や光情報処理に用いる光デバイスにおいて、２次元スラブフォトニック結晶を用いて、多波長のレーザ光または波長可変のレーザ光の出力や制御、検出、導波などを行う光デバイスとその製造方法および半導体レーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の多波長レーザ、波長可変レーザまたは波長選択レーザにおけるレーザモジュールは、異なる波長のレーザ光を出力する複数のレーザダイオードと、これらのレーザダイオードから出力されるレーザ光を合波するＭＭＩ（Multi Mode Interference）光カプラと、合波されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）と、を備えて構成される。ここで、複数のレーザダイオードは並列に配置されており、それぞれの構成要素が導波路で接続されている。このレーザモジュールにおいて、すべてのまたは所定のレーザダイオードから出力された波長の異なるレーザ光はＭＭＩ光カプラによって合波され、半導体光増幅器で所定の信号レベルに増幅された後に出力される（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】岩藤尊己、外３名、「波長モニタ内蔵  波長選択光源モジュール」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集、社団法人電子情報通信学会、２００１年、Ｐ．１６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の多波長レーザ、波長可変または波長選択レーザにおけるレーザモジュールは、上述したようにそれぞれのレーザダイオードが並列に配置されており、レーザダイオードの駆動や制御に必要な電極を、それぞれオーバラップして形成する必要がある。そのため、構造が複雑になり、さらにレーザモジュールを作成するための工程に手間がかかってしまうという問題点があった。
【０００５】
また、上記非特許文献１に記載のレーザモジュールでは、複数のレーザダイオードからのレーザ光を単一の出射口から出力するために、ＭＭＩ光カプラを介して合波している。しかし、ＭＭＩ光カプラは多波長になるほど接続損失が大きくなり、そのために半導体光増幅器を付加しなければならないので、非効率となってしまうという問題点もあった。
【０００６】
さらに、各レーザダイオードはそれぞれに独立に、そのレーザダイオード内に活性層を有する構成となる。このレーザモジュールを波長可変レーザとして用いる場合には、各レーザダイオードはそれぞれ独立にしか活性層を励起することにしかならず、また、上述したように、同時に半導体光増幅器を集積することによって、素子サイズが大きくなってしまうという問題点があった。さらにまた、従来のスラブ型フォトニック結晶の光デバイスでは放熱の性質に難があり、特に、レーザなどのアクティブデバイスでは、自己放熱の限界から高出力化が難しくなってしまうという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、簡単な構造を有し、しかも素子サイズをコンパクトにすることが可能なレーザ光の出力や制御、検出、導波などを行う光デバイスを得ることを目的とする。また、レーザ光の損失を抑えることが可能な光デバイスを得ることも目的とする。さらに、スラブ型フォトニック結晶を用いたレーザなどの光デバイスにおいて、高出力化が可能な光デバイスとその製造方法を得ることも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光デバイスは、活性層とクラッド層を積層して形成される２次元的な広がりを有するスラブ層が２次元面内の周期的屈折率分布構造を有し、この周期的屈折率分布構造に対して導波路となる線状欠陥領域を導入した２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光デバイスであって、前記導波路の幅の異なる複数の領域が、前記導波路が直列に接続されるように形成され、前記領域は、前記導波路の伸長方向に沿って、前記領域の前記導波路の幅が順に減少するように形成され、前記直列に接続された導波路の前記光デバイス内における端部のうち幅が狭い導波路の端部に前記周期的屈折率分布構造が形成され、前記導波路の幅を増加させるにしたがって長くなる波長の光が前記領域によって発振され、前記直列に接続された導波路の前記光デバイス内における端部のうち幅が広い導波路の端部を、前記領域によって発振される光の出射口として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、２次元周期構造に線状欠陥を導入した２次元スラブフォトニック結晶において、導波路となる線状欠陥の幅を異ならせた複数の領域を有するように構成したものを光デバイスとして用いるようにしたので、それぞれの領域を制御するための電極をオーバラップすることなく配線することが可能となる。その結果、構造が簡素になり、光デバイスの作製の手間が簡略化されるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光デバイスとその製造方法および半導体レーザ発振器の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この発明において、光デバイスとは、半導体レーザ発振器や半導体光増幅器、光変調器、ディテクタ、光スイッチ素子などのことをいう。
【００１１】
実施の形態１．
この発明にかかる光デバイスは、２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される。以下の説明では、光デバイスを半導体レーザ発振器として使用する場合を例に挙げて説明する。図１−１と図１−２は、この発明にかかる光デバイスの導波路構造を模式的に示す図であり、図１−１は光デバイスの全体構成を示す斜視図であり、図１−２は光デバイスの平面図である。
【００１２】
図１−１に示されるように、光デバイス１０は、図示しないＩｎＰなどの基板上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる下クラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸（以下、ＭＱＷという）構造の活性層１１、ＩｎＧａＡｓＰからなる上クラッド層１３が順に積層されて構成されるスラブ層１４に、スラブ層１４内を積層方向に貫通するようにスラブ層１４の２次元面内に周期的な屈折率分布構造が形成される。このスラブ層に形成される周期的な屈折率分布構造は、これらの図１−１と図１−２の場合では三角格子の空気穴構造となっている。この２次元面内の周期的な空気穴構造１を線状に崩した欠陥（２次元周期構造に対する線状欠陥）がさらに形成されている。この線状欠陥が２次元スラブフォトニック結晶構造における導波路２となる。ここで、２次元スラブフォトニック結晶構造の２次元周期構造が形成される面内において、線状欠陥の伸長方向をｙ方向とし、このｙ方向に垂直な方向をｘ方向とし、三角格子を形成する空気穴の格子間隔をａとし、空気穴の半径をｒとする。
【００１３】
図１−１と図１−２に示されるように、この実施の形態１では、導波路幅を領域によって異なるように構成していることを特徴とする。なお、この明細書において、導波路幅とは、導波路２を挟む両側の空気穴のｘ方向の中心間距離をいう。
【００１４】
図１−２に示されるように、この実施の形態１では、２次元スラブフォトニック結晶に、導波路幅の異なる２つの領域３，４が、導波路２が直列に接続されるように形成される。領域３では、三角格子を形成する空気穴構造１を一列除去した構造であるため、その導波路幅ｄ3を３1/2ａとしている。また、領域４での導波路幅ｄ4は、三角格子を形成する空気穴構造１を一列除去した領域３の導波路幅ｄ3よりもわずかに狭くした１．５２ａとしている。
【００１５】
図２−１〜図２−５は、２次元スラブフォトニック結晶の製造方法を模式的に示す断面図である。図２−１〜図２−５では、多重量子井戸構造を有する活性層１１と、この活性層１１の上下両面を挟むクラッド層１２，１３とを有する化合物半導体である場合を例示している。
【００１６】
ＩｎＰ基板１７上に、エネルギバンドギャップが相対的に大きい下クラッド層１２となるＩｎＧａＡｓＰ層を有機金属化学気相成長装置（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition（以下、ＭＯＣＶＤという））や分子線成長装置（Molecular Beam Epitaxy（以下、ＭＢＥという））などの結晶成長装置を用いて薄膜成長させる。つぎに、下クラッド層１２と比較してエネルギバンドギャップが相対的に小さい、すなわち下クラッド層１２とは組成比が少し異なるＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸層とバリア層からなる活性層１１を、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの結晶成長装置を用いて薄膜成長させる。このときの量子井戸層とバリア層の膜厚、層数、エネルギバンドギャップ値が活性層１１における発光波長帯域を決定するので、２次元スラブフォトニック結晶構造の波長帯域や作製する光デバイス１０に要求される波長帯域に合わせるようにして、この活性層１１を形成する。さらに、活性層１１の上に、エネルギバンドギャップが相対的に大きい上クラッド層１３となるＩｎＧａＡｓＰ層をＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの結晶成長装置を用いて薄膜成長させる。このようにして基板１７上に下クラッド層１２、活性層１１および上クラッド層１３が形成された状態が図２−１に示されている。
【００１７】
つぎに、図２−２に示されるように、上記の工程で基板１７上にエピタキシャル成長して形成されたＩｎＧａＡｓＰの上クラッド層１３上に、有機材料からなる電子ビーム（Electron Beam（以下、ＥＢという））露光用レジスト１８を塗布する。
【００１８】
つぎに、図２−３に示されるように、ＥＢ露光機によって、欠陥構造も含めた屈折率周期構造（この場合は、２次元面内に周期的な構造を有する空気穴構造１）形成用のパターンを描画し、屈折率周期構造を形成する領域以外のＥＢ露光用レジスト１８を残し、屈折率周期構造を形成する領域のＥＢ露光用レジスト１８を除去する。このとき、欠陥構造としての導波路幅は、領域３，４ごとにその幅を異ならせている。
【００１９】
つぎに、図２−４に示されるように、反応性イオンエッチング装置（Reactive Ion Etching（以下、ＲＩＥという））や誘導プラズマエッチング装置（Induced Coupled Plasma Etching（以下、ＩＣＰという））などのエッチング装置によって、上記パターンにしたがって、上クラッド層１３から下クラッド層１２のＩｎＧａＡｓＰ層を貫き、基板１７の上層部まで届くようにエッチング加工して、空気穴構造１を形成する。この際、基板１７をある程度エッチングしておくことで周期構造下部の基板部分のみを選択的に除去する次工程が容易かつ適切にできる。その後、エッチングを行わなかった領域に塗布されているＥＢ露光用レジスト１８を除去する。
【００２０】
そして、図２−５に示されるように、ウエットエッチングによって、２次元の周期的な空気穴構造１の下部の基板１７部分のみを選択的に除去することによって、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光デバイス１０が得られる。このとき、基板１７は内部が空洞の状態となっており、シート状のスラブ層１４の周縁部が基板１７によって支持される構造となっている。このような構造によって、スラブ層１４の上下両面が空気と接触する。
【００２１】
上述した図２−１〜図２−５は、この発明にかかる光デバイス１０の製造方法の一例であり、他の製造方法を用いて製造することもできる。たとえば、まず、図２−１に示されるような基板１７上に順に形成された下クラッド層１２、活性層１１および上クラッド層１３上に、ＳｉＮxやＳｉＯ2などの誘電体膜やＴｉなどの金属膜からなる誘電体マスクまたは金属マスク層を蒸着する。つぎに、フォトエッチングプロセスや電子ビームエッチングプロセスなどによって、この誘電体マスクまたは金属マスク層上に、領域ごとに幅を異ならせた欠陥構造も含めた屈折率周期構造（この場合は、周期的な空気穴構造１）形成用のパターンを形成し、このパターンにしたがって、上クラッド層１３から下クラッド層１２を貫き、基板１７の上層部にまで達するようにエッチング加工するとともに、基板１７の内部を選択的に除去するウエットエッチングによって空気穴構造１の下部を構成する基板１７材料のみを選択的に除去する。そして、最後にエッチング加工されていない部分の誘電体膜や金属膜を除去することによっても、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光デバイス１０が得られる。なお、この実施の形態１では導波路幅を異にした領域を一括形成する工程を例示するため、他の詳細構造、工程を省いている（たとえば、ｐｎ接合形成工程、電極形成に必要なオーミックコンタクト層など）。
【００２２】
なお、図１−１〜図１−２と図２−１〜図２−５の説明では、ＩｎＧａＡｓＰを活性層１１とクラッド層１２，１３に用いた場合を示しているが、化合物半導体全般ならば、活性層１１とクラッド層１２，１３を構成する材料として用いることができる。たとえば、活性層１１には、ＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＡｓｐ，ＧａＮなどのバルクまたはＭＱＷを、クラッド層１２，１３にＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＰ，ＧａＮなどを用いることができる。
【００２３】
つぎに、このようにして形成される光デバイス１０を半導体レーザ発振器として用いる場合のレーザ発振の動作について説明する。まず、単一の導波路幅を有する２次元スラブフォトニック結晶の場合のレーザ発振について説明する。２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光デバイス１０の線状欠陥に、レーザダイオードなどのレーザ励起用光照射手段から励起光を照射したり、電流を流したりすると、活性層１１に生じた電子とホールの再結合による光が活性層１１内で発生する。活性層１１で発生した光は薄い材料スラブ領域である活性層１１とクラッド層１２，１３を空気クラッドで挟み込む構成によって、すなわち各層面に対して垂直（上下）方向に光を閉じ込める屈折率閉じ込めによって、閉じ込められる。また、活性層１１で発生した光は、各層面と平行な面内方向には２次元面内の屈折率周期構造（図１−１と図１−２の場合には、三角格子状の空気穴構造）によるフォトニックバンドギャップによって、屈折率周期構造領域には侵入できない状態となる。その結果、活性層１１で発生した光は、屈折率周期構造が形成されていない線上欠陥領域内に局在する。これによって、線状欠陥領域は導波路２として機能する。
【００２４】
図３は、この発明にかかる２次元スラブフォトニック結晶構造に形成した導波路幅に応じた導波路モードバンド端の変化を示す図であり、図４は、実験的に求めた導波路幅に応じたレーザ発振波長の変化を示す図である。フォトニックバンド理論によれば、フォトニックバンド構造の欠陥導波路に適合するモードが線欠陥領域の導波路２内に存在し得ることになる。そして、活性層１１で内部生成した光は、線状欠陥の導波路モードのバンド端の群速度が０となる領域で光の共振を起こし、２次元スラブフォトニック結晶が単一の導波路幅で構成されている場合には、この共振した光の一部がレーザ光として光デバイスの線状欠陥領域（すなわち、導波路２）の端部からレーザ発振する。
【００２５】
この図３では、導波路幅として、１．５２ａ，１．６２ａ，１．７３ａ，１．８４ａ，１．９５ａと変化させた場合の導波路モードを例示している。なお、この図３は、０次導波路モードの３ＤＦＤＴＤ（three dimensional finite difference time domain）計算によるバンド図を示している。各導波路モードの曲線は、この曲線の縦軸の規格化周波数（規格化波長）の光がフォトニックバンドギャップ内に存在することができることを示している。この図３に示されるように、導波路幅を変化させることで導波路モードが変化するため、発振波長も大きく変化する。また、図４に示されるように、一般的な傾向として、導波路幅を増加させるにしたがって、線状欠陥領域の端部から発振するレーザ光の波長が長くなる。したがって、導波路幅の異なる複数の領域を２次元スラブフォトニック結晶に設けることによって、複数の波長のレーザ光を出力することが可能となる。なお、この実施の形態１で空気穴を誘電体で充填することで特性を大きく変えずに機械強度を向上させることが可能となる。また、この実施の形態１でスラブ層のすくなくとも片側に誘電体を積層することで上下方向の光閉じ込め効果が弱まり特性が少し変化するが、放熱性および機械強度を向上させることが可能となる。さらに、この実施の形態１でスラブ層の少なくとも片側に半導体を積層することで上下方向の光閉じ込め効果がかなり弱まり特性が変化するものの、放熱性および機械強度を向上させることが可能となる。
【００２６】
つぎに、図１に示される１つの２次元スラブフォトニック結晶内に２つの異なる幅の導波路２を有する場合の光デバイス１０のレーザ発振について説明する。上述したように、光デバイス１０は、導波路幅１．７３ａの領域３と導波路幅１．５２ａの領域４とが１つの２次元スラブフォトニック結晶内に形成された構造を有しており、図４に示されるようにそれぞれの領域で異なる波長λ3，λ4のレーザ光を出力するように駆動させることができる。
【００２７】
たとえば、領域３と領域４とを同時に励起することによって、２次元スラブフォトニック結晶の＋ｙ方向の導波路２の端部からそれぞれ異なる波長λ3，λ4のレーザ光を出射することができるので、この光デバイス１０を多波長同時発振レーザとして用いることができる。しかし、この際、導波路幅の広い領域３で発振したレーザ光は、その発振波長が導波路幅の狭い領域４におけるフォトニックバンドギャップ領域内の導波路モードと重なる部分がないために、領域４を透過することができない。すなわち、領域３では、図３中の導波路幅が１．７３ａの導波路モードのバンド端部（横軸のもっとも右端の部分）でレーザ発振するが、このレーザ光の規格化周波数（縦軸）は、導波路幅が１．５２ａである領域４の導波路モードの曲線と重なることがないので、領域３でレーザ発振したレーザ光は領域４で存在することができない。したがって、−ｙ方向の導波路２の端部からは、波長λ4のレーザ光のみが出射されることになる。光デバイス１０を多波長同時発振レーザとして用いる際に、導波路２の端部のうちいずれか一方からレーザ光を出射させないように構成したい場合には、出射させたくない方の線欠陥領域の端部に、周囲に形成された２次元屈折率周期構造に適合するように空気穴構造１を形成すればよい。
【００２８】
また、領域３と領域４を選択励起状態とすることによって、所望の異なる波長λ3，λ4で＋ｙ方向の導波路２の端部からレーザ光を出射することができるので、この場合には光デバイス１０を波長選択レーザとして用いることが可能である。さらに、この場合に、領域４を発振閾値以上に励起して波長λ4でレーザ発振させ、同時に領域３を単体では波長λ3で発振できない閾値より下のぎりぎりの励起状態とすることで、領域３を波長λ4に対する増幅媒体として用いることが可能となる。すなわち、領域３を領域４で出力されるレーザ光に対する半導体光増幅器として機能させることが可能となる。これによって、領域４単体でレーザ発振させる場合よりも高出力なレーザ光を得ることができる。
【００２９】
なお、このような選択励起は領域ごとに分割電極構成とすることで容易に実現できる。図５は、電極を備える光デバイスの構成の一例を示す平面図である。この図５に示されるように、２次元スラブフォトニック結晶の導波路２を挟んだ両端部に、導波路２の伸長方向に沿って、領域３，４ごとに分割して電極２３，２４を配置するように構成している。そして、領域３，４ごとに分割して配置した電極２３，２４に対して注入する電流量をそれぞれ独立に制御する図示しない制御手段を設けることによって、それぞれの領域３，４を独立の半導体レーザ発振器として駆動することが可能となる。また、分割された電極２３，２４は導波路２方向にほぼ直列に分割される配置となるため、従来の波長選択レーザダイオードのような平行配置レーザダイオード領域に対してオーバラップした複雑な形状に形成する必要がなく、ワイヤで接続せず、パターニングで接続することが可能となる。図５では、２次元スラブフォトニック結晶の導波路２の伸長方向に沿って設けられる２つの電極２３，２４で、領域３，４ごとに分割するようにしているが、少なくとも一方の電極のみを領域３，４ごとに分割して配置してあればよい。
【００３０】
また、波長選択レーザとして、上記のとおり領域３が波長λ4に対する増幅媒体として用いることが可能な場合、領域３に比べて相対的にｙ方向に短い領域４とすることで、波長ごとに均一な出力を効率的に得ることが可能である。一方、利得領域と発振器の設計によって、領域３が波長λ4に対する吸収媒体として動作してしまうような場合には、逆に領域３に比べて相対的にｙ方向に長い領域４とすることで、波長ごとに均一な出力を得ることが可能である。
【００３１】
この実施の形態１によれば、２次元屈折率周期構造に線状欠陥を導入した２次元スラブフォトニック結晶において、導波路２となる線状欠陥の幅を異ならせた２つの領域３，４を有するように構成したものを光デバイス１０として用いるようにしたので、それぞれの領域３，４を制御するための電極２３，２４をオーバラップすることなく配線することが可能となる。その結果、構造が簡素になり、光デバイス１０の作製の手間が簡略化されるという効果を有する。
【００３２】
また、この光デバイス１０を波長可変レーザとして用いる場合に、異なる波長を出力するレーザ光源が並列に配置されるように作製する必要がなく、素子サイズを従来のものに比べて小さくすることができるという効果を有する。さらに、片方の領域から出力されるレーザ光を透過させることが可能な他の領域を、半導体光増幅器として使用することも可能となる。
【００３３】
実施の形態２．
図６は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態２の一例を示す平面図である。この図６の光デバイス１０では、実施の形態１の図１において、さらに−ｙ方向に導波路幅を異ならせた２つの領域を付加した構成５，６を有している。すなわち、２次元屈折率周期構造に対して線状欠陥を導入した２次元スラブフォトニック結晶において、導波路幅がそれぞれｄ3，ｄ4，ｄ5，ｄ6（ｄ3＞ｄ4＞ｄ5＞ｄ6）である領域３，４，５，６が形成されている。
【００３４】
この光デバイス１０を、半導体レーザ発振器として用いる場合、これらのそれぞれの領域３〜６では、実施の形態１で説明したように、フォトニックバンドギャップ内で存在する導波路モードのバンド端の群速度が０となる領域で光の共振を起こす。それぞれの領域３〜６で発振するレーザ光の波長をλ3，λ4，λ5，λ6とすると、光デバイスの＋ｙ方向からλ3〜λ6のレーザ光が出力される。これによって、多波長発振または波長選択発振させることが可能である。この場合も、実施の形態１の図５のように、領域３〜６ごとに設ける電極のうち少なくとも一方の電極を分割電極とすることで、電極がオーバラップした複雑な構造となることを防ぐことができる。また、各領域３〜６のｙ方向の長さを伝播距離と利得・吸収のバランスを考慮した領域長とすることで、各波長で所望の出力を有するレーザ光を効率的に得ることができる。
【００３５】
なお、図６では、導波路２の伸長方向に４つの領域３〜６を直列に接続した光デバイス１０を例に挙げたが、導波路２の伸長方向に３つ以上の任意の数の領域を直列に接続した構成の光デバイス１０とすることが可能である。また、電流で各領域を駆動する場合には、実施の形態１の図５に示したように、２次元スラブフォトニック結晶の導波路２を挟んだ両端部に、導波路２の伸長方向に沿って電極を配置し、少なくとも一方の電極を領域ごとに分割することによって、多波長レーザ、波長選択レーザまたは波長可変レーザを実現することができる。
【００３６】
この実施の形態２によれば、２次元屈折率周期構造に線状欠陥を導入した２次元スラブフォトニック結晶において、導波路２となる線状欠陥の幅を異ならせた３以上の領域３〜６を有するように構成したものを光デバイス１０として用いるようにしたので、それぞれの領域３〜６を制御するための電極をオーバラップすることなく配線することが可能となる。その結果、構造が簡素になり、光デバイス１０の作製の手間が簡略化されるという効果を有する。
【００３７】
また、この光デバイス１０を波長可変レーザとして用いる場合に、異なる波長を出力するレーザ光源が並列に配置されるように作製する必要がなく、素子サイズを従来のものに比べて小さくすることができるという効果を有する。さらに、いずれかの領域から出力されるレーザ光を透過させることが可能な他の領域を、半導体光増幅器として使用することも可能となる。
【００３８】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、２次元屈折率周期構造の格子定数ａ、穴半径ｒをどの領域でも不変とし、２次元屈折率周期構造に設けられる導波路幅を変化させた場合を説明したが、この実施の形態３では、２次元屈折率周期構造の格子定数ａを領域ごとに変化させる（ただし、穴半径比率ｒ／ａは一定）場合について説明する。
【００３９】
図３に示される２次元スラブフォトニック結晶におけるフォトニックバンド図は、２次元屈折率周期構造の格子定数ａによって規格化されている。そのため、１つのモード、たとえば導波路幅３1/2ａのモードに関して、導波路幅を変えた場合と、導波路幅を変えることなく２次元周期構造の格子定数ａを変えた場合とで、類似の結果を得ることができる。すなわち、格子定数ａを変えると規格化した周波数は変わらないものの、同じバンドであっても実波長は格子定数ａに比例して変化する。たとえば格子定数ａを０．４２μｍから０．４５μｍへ構造を変えると、同じ規格化周波数νｎ＝０．２８に対して波長はそれぞれ１．５μｍから１．６０７μｍへと変わる。規格化されたバンド図は同一だが、格子定数ａで規格化しないバンド構造は図３と類似の変化を示す（図７）。つまり、導波路幅も含めて２次元周期構造の格子定数ａを変化させた領域を複数接続することによって、実施の形態１，２とまったく同様の効果を得ることができる。
【００４０】
図８は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態３の一例を示す平面図である。この光デバイス１０では、周期的な三角格子状の空気穴構造１でその空気穴構造１を一列除去した場合の通常の導波路幅ｄ（＝３1/2ａ）を有する２次元スラブフォトニック結晶において、格子定数ａ＝ｂ（ここでｂはある定数。たとえば０．４２μｍ）の領域３と、格子定数ａ＝０．９ｂの領域７とを直列に接続した場合を例示している。この場合も、実施の形態１，２の場合と同様に、格子定数ａ＝ｂ側、すなわち＋ｙ方向の導波路２の端部から領域３からの波長λ3のレーザ光と領域７からの波長λ7のレーザ光が出射され、格子定数ａ＝０．９ｂ側、すなわち−ｙ方向からは領域７からの波長λ7のレーザ光のみが出射される。
【００４１】
なお、図８では、実施の形態１に対応して、光デバイス１０に２つの異なる格子定数を有する領域が形成された場合を説明したが、光デバイス１０に３以上の異なる格子定数を有する領域を形成するようにしてもよい。また、電流で各領域３，７を駆動する場合には、実施の形態１の図５に示したように、２次元スラブフォトニック結晶の導波路２を挟んだ両端部に、導波路２の伸長方向に沿って電極を配置し、少なくとも一方の電極を領域ごとに分割することによって、多波長レーザ、波長選択レーザまたは波長可変レーザを実現することができる。
【００４２】
この実施の形態３によれば、この導波路２の両側に形成される２次元屈折率周期構造の格子定数の異なる領域を複数構成したものを光デバイス１０として用いるようにしたので、それぞれの領域を制御するための電極をオーバラップすることなく配線することが可能となる。その結果、構造が簡素になり、光デバイスの作製の手間が簡略化されるという効果を有する。
【００４３】
また、この光デバイスを波長可変レーザとして用いる場合に、異なる波長を出力するレーザ光源が並列に配置されるように作製する必要がなく、素子サイズを従来のものに比べて小さくすることができるという効果を有する。
【００４４】
実施の形態４．
２次元屈折率周期構造の格子周期定数ａは変えず、穴半径比率ｒ／ａのみ変化させても実施の形態１〜３と同様の効果を奏する。すなわち、穴半径比率ｒ／ａを変えると規格化した周波数が変化する。たとえば穴半径比率ｒ／ａを０．３１，０．２９，０．２７と変えると、図９に示されるバンド図のようにモードが変化する。したがって、特に実施の形態１，２と同様な（実施の形態３とは類似の）効果を示す。さらに、これまでの実施の形態１〜４を組み合わせても勿論よい。
【００４５】
実施の形態５．
図１０は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態５の概略構成を示すブロック図である。この光デバイス１０は、実施の形態１〜４で説明した構成を有する２次元スラブフォトニック結晶３１と、この２次元スラブフォトニック結晶３１の温度を検知する温度検知部３２と、２次元スラブフォトニック結晶３１を所望の温度に制御するための温度制御部３３と、２次元スラブフォトニック結晶３１の温度を温度制御部３３からの指示にしたがって変化させる温度調節部３４と、を備えて構成される。
【００４６】
２次元スラブフォトニック結晶３１は、実施の形態１〜３で説明したように、複数の波長のレーザ光を出力することができる構成を有している。また、温度検知部３２は、２次元スラブフォトニック結晶３１の温度を検知して、その結果を温度制御部３３に出力する機能を有する。温度検知部３２として、たとえば２次元スラブフォトニック結晶３１に熱電対などを付して２次元スラブフォトニック結晶３１の温度を検知するものや、２次元スラブフォトニック結晶３１から出力されるレーザ光の一部を分波して、このレーザ光の波長を測定することによって２次元スラブフォトニック結晶３１の温度を求めるものなど、公知の温度検知手段を使用することができる。
【００４７】
温度制御部３３は、２次元スラブフォトニック結晶３１を所望の温度にするために、温度検知部３２から得られる温度情報を基に温度調節部３４を制御する機能を有する。温度調節部３４は、温度制御部３３からの指示にしたがって、２次元スラブフォトニック結晶３１を加熱または冷却する。この温度調節部３４として、たとえばペルチェ素子などを用いることができる。
【００４８】
このような構成の光デバイス１０によって、実施の形態１〜３で説明した２次元屈折率周期構造に導入した導波路２の幅を領域ごとに変化させることによって、または所定の導波路幅に対して２次元屈折率周期構造の格子定数を変化させることによって得られる波長の変化に加えて、２次元スラブフォトニック結晶３１の温度変化によってさらに異なる波長を得ることが可能となる。また、所定の波長のレーザ光を得たい場合に、一層精密な波長制御可能なレーザデバイスを得ることができる。
【００４９】
この実施の形態５によれば、２次元屈折率周期構造に導入した導波路２の幅を領域ごとに変化させることによって、または所定の導波路幅に対して２次元屈折率周期構造の格子定数を変化させることによって得られる波長の変化に加えて、２次元スラブフォトニック結晶３１の温度変化によってさらに異なる波長を得ることが可能となる。
【００５０】
実施の形態６．
図１１−１〜図１１−２は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態６の一例を示す図であり、図１１−１は光デバイスの全体構成を示す斜視図であり、図１１−２は光デバイスの断面側面図である。図１１−１〜図１１−２に示されるように、この実施の形態５の光デバイス１０は、基板１７上に下クラッド層１２、活性層１１、上クラッド層１３からなるスラブ層１４を形成し、このスラブ層１４に線状欠陥を含む２次元屈折率周期構造が形成されることを特徴とする。図１１−１と図１１−２の例では、この２次元屈折率周期構造として、上クラッド層１３から少なくとも下クラッド層１２の下面に到達する深さの三角格子状の空気穴構造が形成されている。また、線状欠陥として構成される導波路２は、この図９の例ではスラブ層１４上で同一の幅を有しており、空気穴構造１もスラブ層１４上で同一の格子定数を有している。
【００５１】
このような構成の光デバイス１０は、まず、実施の形態１の図２−１〜図２−３に示されるように、基板１７上に下クラッド層１２、活性層１１、上クラッド層１３からなるスラブ層１４が薄膜形成技術によって形成され、フォトリソグラフィによって、欠陥構造も含めた２次元屈折率周期構造形成用のパターンが形成される。つぎに、図２−４に示されるように、形成されたパターンにしたがって、エッチング装置によって、スラブ層１４を層面に対してほぼ垂直に貫く空気穴構造１が形成される。このとき、空気穴構造１は、上クラッド層１３から下クラッド層１２を貫通するものであればよく、図２−４に示されるように、深さが基板１７に達していてもよい。そして、エッチングを行なわなかった領域に塗布されている露光用レジスト１８を除去して、図１１−１と図１１−２に示される光デバイス１０が得られる。
【００５２】
なお、図１１−１と図１１−２の例では、スラブ層１４に形成される導波路幅は同一であり、また２次元屈折率周期構造を構成する格子の格子定数もスラブ層１４全面に渡って同一であるが、この光デバイス１０を多波長レーザ、波長可変レーザ、または波長選択レーザとして使用する場合には、２次元屈折率周期構造の平面図が、図１−２または図６に示されるように、導波路幅の異なる複数の領域を、導波路２が直列に接続されるように構成してもよいし、図８に示されるように、格子定数の異なる複数の領域を導波路２が直列に接続されるように構成してもよい。これらの場合には、フォトリソグラフィによって、欠陥構造も含めた２次元屈折率周期構造形成用のパターンを形成するときに、欠陥構造としての導波路幅が領域ごとに異なるようにパターンが形成されるか、または導波路幅を所定の値にして２次元屈折率周期構造を形成する空気穴構造の格子定数が領域ごとに異なるようにパターンを形成すればよい。
【００５３】
また、図１１−３に示されるように、基板１７と下クラッド層１２との間にＡｌ含有半導体層１９をあらかじめ形成しておき、選択酸化工程を実施してスラブ層１４に接するＡｌ含有半導体層１９を酸化して誘電体にする。この場合、スラブ層１４を空気との屈折率差による光閉じ込めを実現する実施の形態には劣るものの、半導体（屈折率３．３−３．５程度）に対する誘電体（屈折率１．５程度）の屈折率差による光閉じ込めが可能であり、空気で挟むスラブ構造に比べて放熱性、機械強度の大きな特性向上を実現できる。
【００５４】
この実施の形態６によれば、スラブ層１４を基板１７上に形成するように構成したので、スラブ層１４中に形成された導波路２中で発振されるレーザ光による熱を基板１７を介して拡散させることができ、光デバイスの熱特性を向上させることができるという効果を有する。
【００５５】
実施の形態７．
図１２−１はこの発明にかかる光デバイスの実施の形態７の一例を示す図である。図１２−１は、薄膜スラブ構造部２５と厚膜周期穴構造部２６が直列されており、スラブ層１４でレーザ発振特性を決定し、厚膜周期穴構造部２６でパワーを得ると同時に放熱特性や機械強度の特性向上を行っている。
【００５６】
また、図１２−１の厚膜周期穴構造部２６内の下クラッド接触部は選択酸化された誘電体部とすることで、厚膜周期穴構造部２６での光学特性劣化を抑えることができる。さらに、図１２−２では厚膜構造部２７がリッジ型屈折率導波路構造となっているもので、やはり上記実施例と同様の効果を奏する。さらにまた、図１２−３では厚膜構造部２７が屈折率導波路構造となっているもので、やはり上記実施例と同様の効果を奏する。またこれら構造の形成手法は、薄膜スラブ構造部２５と厚膜構造部２７を選択エッチやマスクを用いることで作製できる。
【００５７】
また、図１２−１〜図１２−３の例では、スラブ層１４に形成される導波路幅は同一であり、また２次元屈折率周期構造を構成する格子の格子定数もスラブ層１４全面、および厚膜周期穴構造部２６に渡って同一であるが、図１２−４に示されるように、２次元屈折率周期構造の平面図が、導波路幅の異なる複数の領域を、導波路２が直列に接続されるように構成してもよい。この場合には、フォトリソグラフィによって欠陥構造も含めた２次元屈折率周期構造形成用のパターンを形成するときに、欠陥構造としての導波路幅が領域ごとに異なるようにパターンを形成すればよい。また、２次元屈折率周期構造の平面図が、図８に示されるように、格子定数の異なる複数の領域を導波路２が直列に接続されるように構成してもよい。この場合には、２次元屈折率周期構造を形成する空気穴構造の格子定数が領域ごとに異なるようにパターンを形成すればよい。
【００５８】
この実施の形態７によれば、スラブ層１４と厚膜周期穴構造部２６または厚膜構造部２７を直列して構成したので、導波路２中で発振されるレーザ光による熱を導波路２に集中させることを防ぎ光デバイスの熱特性を向上させることができるという効果を有する。
【００５９】
なお、上述した実施の形態１〜７で、レーザ光の出射口を導波路２の端部としていたが、２次元屈折率周期構造中の導波路２に近接した位置に空気穴構造１を形成しない、穴径比率ｒ／ａの異なる穴構造を形成する、などの方法によって１つ以上の点欠陥を導入し、この点欠陥からレーザ光を出力させるように構成することもできる。
【００６０】
また、実施の形態１〜７では、光デバイス１０を半導体レーザ発振器として試用する場合を例に挙げて説明してきたが、実施の形態１で説明したように、導波路モードが異なること、特に導波モードが存在しない領域を選択的に利用することで、光デバイス１０を半導体光増幅器として使用することも可能である。この他にも、ｐｎ接合への電界印加量に応じて光吸収量が変化する効果を用いた変調器として使用することも可能である。この場合には、図５の領域４をたとえばレーザ発振領域とすると、領域３のＭＱＷに印加する逆バイアス電圧のオン、オフを制御することによって、ＭＱＷの光吸収係数を変化させて、領域４から発振されるレーザ光を変調することができる。
【００６１】
また、実施の形態１〜７で説明した光デバイス１０をディテクタとして用いることも可能である。この場合には、光ファイバなどの伝送媒体とディテクタとの間の導波路として、実施の形態１〜６のいずれかの構成を有する光デバイス１０を用いる。このときの光デバイス１０は、伝送媒体を伝送してくる光をディテクタへ導く所定の波長の光のみを通すフィルタの役割を担っている。たとえば、図５に示されるように、導波路幅の異なる領域３，４ごとに設置した分割電極を用いて、この電極に電流を流すと、能動素子として所定の波長の光のみを選択することができる。また、図１−１では、スラブ層１４中に活性層１１が存在する場合を示したが、活性層１１がない場合には、導波路幅の異なる領域のいずれかをディテクタ側に向けて配置するかによって、ディテクタへ導く光の波長を選択することができる。これは、実施の形態１で説明したように、導波路幅の広い領域４で発生したレーザ光は、導波路幅の狭い領域３を透過できないという性質を利用するものである。さらに、光デバイス１０をディテクタへ光を導く導波路として使用する場合には、光デバイス１０の導波路２の側端部からディテクタに光を出力するのではなく、２次元屈折率周期構造の導波路２の近傍に点欠陥を導入し、この点欠陥から所定の波長のレーザ光を出力させて、ディテクタへ導くようにしてもよい。
【００６２】
実施の形態８．
上述した実施の形態１〜７に示されるスラブ型フォトニック結晶の光デバイスでは、放熱の性質に難がある。特に、レーザなどのアクティブデバイスでは、自己放熱の限界から高出力化が難しくなってしまう可能性がある。また、実施の形態７に示したように、薄膜スラブ構造を有するフォトニック結晶と、リッジ型屈折率導波路構造を有する厚膜構造部とが直列に配置された構造のように、フォトニック結晶と半導体光増幅部とを複合化させた構造で、レーザの高出力化を得ようとすると、半導体光増幅部（厚膜構造部）単体でのレーザ発振が起こってしまうなどの問題点があった。また、薄膜スラブ構造部と厚膜構造部の導波路をずれなく接合して形成することが難しいという問題点もある。そこで、以下の実施の形態では、このような問題点を解決する光デバイスについて説明する。
【００６３】
図１３は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態８の一例を示す図である。この光デバイスは、２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される薄膜スラブ構造部２５と、薄膜スラブ構造部２５で発振されたレーザ光を増幅する光増幅部６１とが、それぞれの導波路を直列接続した構成を有する。
【００６４】
薄膜スラブ構造部２５は、基板１７上に下クラッド層、多重量子井戸などの構造を有する活性層１１、上クラッド層を順に積層してなるスラブ層の２次元面内に周期的な屈折率分布構造（空気穴１）を形成し、周期的な屈折率分布構造に対して導波路２となる線状の欠陥を導入するとともに、屈折率分布構造を形成したスラブ層の下部に存在する基板部分を除去することによって構成される。周期的な屈折率分布構造に対する線状の欠陥は、同一の幅を有する欠陥を薄膜スラブ構造の一方の端部から対向するもう一方の端部まで形成したものでもよいし、実施の形態１〜６で説明した構造を有するものであってもよい。スラブ層の厚さは好ましくはサブミクロンオーダである。なお、この薄膜スラブ構造部の構造は、実施の形態１で説明した２次元スラブフォトニック結晶の構造と基本的に同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
光増幅部６１は、半導体光増幅器と同様の構造を有し、基板１７上に下クラッド層、多重量子井戸などの構造を有する活性層、上クラッド層が順に積層してなる導波路６２と、この導波路６２に電流を注入して光増幅させるための電極と、を備えて構成される。ただし、図１３には電極は図示されていない。また、この図１３では、光増幅部６１は埋め込み型の導波路構造を有しているが、リッジ型の導波路構造を有するものであってもよい。
【００６６】
この光増幅部６１の導波路６２は、薄膜スラブ構造部２５に形成された導波路２の延長上に形成される。図１３では、光増幅部６１は埋め込み型の構造を有しているので、光増幅部６１の上面は、薄膜スラブ構造部２５の導波路２の上面よりも高い構成を有する例を示している。つまり、薄膜スラブ構造部２５と埋め込み型の光増幅部６１との境界には段差が存在する。この導波路６２の端部のうち薄膜スラブ構造部２５と接しない側の端部をレーザ光の出射部６４としている。また、導波路６２の薄膜スラブ構造部２５側の端部は、光の導波路構造を持たない窓部６３を設けた構造となっている。光増幅部６１の導波路６２の伝播モードは、欠陥導波路２に比して広がりをもった構造であるので、導波路６２を伝播するレーザ光が光増幅部６１と薄膜スラブ構造部２５との境界で反射する確率が高くなる。そこで、導波路６２の薄膜スラブ構造部２５側の端部の一部に導波路構造を持たない窓部６３を設けることによって、導波路６２の端部におけるレーザ光の低反射化を図っている。つまり、高出力のレーザ光を得るための光増幅部６１が単体で発振閾値を超える強励起状態となり得るため、光増幅部６１単体が共振器として動作しないように端部での反射を、導波路構造を持たない窓部６３によって低減させている。
【００６７】
また、光増幅部６１の出射部６４側の端部も窓構造とすることができる。これにより、出射部６４側での反射も低減され、一層効果的に光増幅部６１の単体発振が抑制される。なお、導波路６２の端部における反射を抑えるものであれば、導波路構造を持たない窓部６３を設けるのではなく、無反射コートを施してもよい。さらにまた、導波路構造を持たない窓部と無反射コートを併用してもよい。このようにすることで一層効果的に光増幅部６１の単体発振が抑制される。
【００６８】
この実施の形態８によれば、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とを導波路２，６２が互いに直列に接続されるように構成したので、薄膜スラブ構造部２５で生じたレーザ光を光増幅部６１で増幅して、高出力のレーザ光を発振することが可能となる。また、光増幅部６１の端部を埋め込み型の導波路構造をなくした窓部６３としたので、または無反射コートを施したので、光増幅部６１が共振器として機能して単体発振することを抑制することができる。
【００６９】
実施の形態９．
図１４は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態９の一例を示す図である。この光デバイスは、実施の形態９の図１４において、光増幅部６１の直線状の導波路６２の出射部６４側の部分に曲げ構造６５を導入したことを特徴とする。導波路６２の出射部６４側の部分を曲げることで、出射部６４側端面におけるレーザ光の反射が抑えられ、光増幅部６１を単体の共振器として動作しないようにしている。
【００７０】
なお、図１４では、曲げ構造６５を光増幅部６１の直線状の導波路６２の出射部６４側の部分に導入した場合を示しているが、この場合に限られず薄膜スラブ構造部２５側に近い部分に曲げ構造を導入してもよい。また、光増幅部６１の導波路６２の薄膜スラブ構造部２５との接続端側に導波路構造のない窓部６３を設けた場合を示しているが、窓部６３を設けなくても、たとえば導波路６２の端部に無反射コートを施すなどして、光増幅部６１単体によるレーザ発振を抑制してもよい。また、実施の形態８と同様に、光増幅部６１の導波路６２の両端部に導波路構造を有しない窓部を設けたり、および／または無反射コートを施したりしてもよい。
【００７１】
この実施の形態９によれば、光増幅部６１における直線状の導波路６２の出射部６４側端部を曲げるように構成したので、導波路６２の端部によるレーザ光の反射を抑制し、薄膜スラブ構造部２５で生じたレーザ光を高出力で出力することが可能となる。
【００７２】
実施の形態１０．
図１５−１は、この発明にかかる光デバイスの実施の形態１０の一例を示す概観図であり、図１５−２は、図１５−１の光デバイスの平面図である。この光デバイスは、実施の形態８の図１３において、光増幅部６１の薄膜スラブ構造部２５側と出射部６４側の端面６６が、導波路６２の伸長方向に対して９０度ではない角度を有していることを特徴とする。たとえば、光増幅部６１の導波路６２の薄膜スラブ構造部２５側の端面６６を、導波路６２の伸長方向に対して９０度ではない角度を持たせることで、この端面６６で導波路６２中に戻るレーザ光の反射率を低減させるとともに、光増幅部６１の出射部６４側端面で反射された光が薄膜スラブ構造部２５に入射することを防いでいる。
【００７３】
なお、図１５−１〜図１５−２では、光増幅部６１の導波路６２の両端面６６を導波路６２の伸長方向に対して９０度ではない角度を持たせるようにしているが、薄膜スラブ構造部２５側または出射部６４側の端面の少なくともいずれか一方が、導波路６２の伸長方向に対して９０度ではない角度を持つ構成となっていればよい。また、実施の形態８〜９で説明した光増幅部６１の導波路６２の端部に導波路構造を有さない窓部６３を設けたり、無反射コートを施したり、導波路６２のいずれかの端部付近の導波路を曲げたり、またはこれらを組み合わせたものを、この実施の形態１０の光デバイスにも適用することができる。
【００７４】
この実施の形態１０によれば、光増幅部６１の導波路６２が形成される側の端面６６を、導波路６２の伸長方向に対して９０度ではない角度を持たせるようにして形成したので、光増幅部６１の導波路６２の端部で反射した光によって、光増幅部６１が単体の共振器として動作することを効果的に防ぐことができる。
【００７５】
実施の形態１１．
実施の形態８〜１０では、光デバイスの薄膜スラブ構造部２５は、図１３〜図１５−１に示されるように、２次元スラブフォトニック結晶の下部の基板が除去され、空洞部５１を有する構造となっているが、この空洞部５１をポリマーや誘電体などの活性層よりも低屈折率材料で埋めるようにしてもよい。低屈折率材料を用いるので、薄膜スラブ構造の空洞部５１を埋めても、薄膜スラブ構造部２５でのレーザ発振が可能である。また、低屈折材料で空洞部５１を埋めることによって、薄膜スラブ構造部２５で、空洞部５１を有する場合に比して放熱が容易になる。また、薄膜スラブ構造部２５は、スラブ層のみの構造と比較して、低屈折率材料で支持固定された構造となるので、機械強度が上がる。
【００７６】
この実施の形態１１によれば、薄膜スラブ構造部２５の空洞部５１を低屈折材料で埋めることで、光デバイスの薄膜スラブ構造部２５の機械強度や温度特性を向上させることができるという効果を有する。
【００７７】
実施の形態１２．
従来の単体レーザダイオードでは、２０Ｇｂｐｓ以上の高速な直接変調レーザを構成することは難しかったが、２次元スラブフォトニック結晶などによって構成される薄膜スラブ構造部２５は、微小サイズでレーザ発振させることが可能であるので、２０Ｇｂｐｓ以上の高速な直接変調レーザを構成することもできる。
【００７８】
図１６−１は、この発明による光デバイスの実施の形態１２の構成を模式的に示すブロック図であり、図１６−２は、このうちの薄膜スラブ構造部を有する光デバイス部分の斜視図である。この光デバイスは、面発光型半導体レーザなどの光によるオンオフの切り替えが可能で薄膜スラブ構造部２５における励起光を供給する励起光源７１と、励起光源７１からの光によってレーザを発生させる薄膜スラブ構造部２５と、薄膜スラブ構造部２５で発生したレーザ光を増幅する半導体光増幅器などの光増幅部６１と、を備えて構成される。励起光源７１は、薄膜スラブ構造部２５におけるレーザ光の直接変調を行うための光源であるので、その励起光が薄膜スラブ構造部２５の空気穴構造が形成される領域７２の全体に照射されるように、薄膜スラブ構造部２５に対して設けられる。また、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１は、実施の形態８〜１１で説明したものを用いることができる。なお、この図１６−２では、実施の形態８で示した光デバイスと同一のものが示されている。
【００７９】
この光デバイスにおける薄膜スラブ構造部２５は励起光源７１から出力されるレーザ光によって励起される構造であるので、励起光源７１からの光によって、発振されるレーザ光が変調される。なお、薄膜スラブ構造部で発振させるレーザ光の波長を１．３μｍや１．５μｍとする場合には、励起光源７１の波長を０．８μｍ帯や０．９８μｍ帯とすればよい。
【００８０】
この実施の形態１２によれば、薄膜スラブ構造部２５の上面に励起光源７１からの励起光を照射することで、薄膜スラブ構造部２５におけるレーザ発振のオンオフを行うことができる。これにより、光デバイスを高速な直接変調レーザとして機能させることが可能となる。この場合、薄膜スラブ構造部２５を構成する２次元スラブフォトニック結晶にはｐｎ接合を形成する必要がなく、また、光励起であるので光増幅部６１との間の電流の漏れ込みの問題がないという電流励起の場合と比べた利点を有する。
【００８１】
実施の形態１３．
図１７−１は、この発明による光デバイスの実施の形態１３の構成を模式的に示すブロック図であり、図１７−２は、このうちの薄膜スラブ構造部を有する光デバイス部分の斜視図である。この光デバイスは、薄膜スラブ構造部２５を励起してレーザ発振を行わせる第１の励起部７３と、薄膜スラブ構造部２５の一部の領域７５に光照射を行ってレーザ発振の状態を変化させる第２の励起部７４と、第１と第２の励起部７３，７４による励起によってレーザ光を発生させる薄膜スラブ構造部２５と、薄膜スラブ構造部２５で発生したレーザ光を増幅する半導体光増幅器などの光増幅部６１と、を備えて構成される。薄膜スラブ構造部と光増幅部は、実施の形態８〜１１で説明したものを用いることができるが、この図１７−２では、実施の形態８で示した光デバイスと同一のものが示されている。
【００８２】
第１の励起部７３は、薄膜スラブ構造部２５を励起するものであり、電流励起でも光励起でもよい。電流励起の場合は、電流で薄膜スラブ構造部２５の活性層を励起させるように電極を配置してこの電極に流す電流を制御してレーザ発振させる機能を有し、光励起の場合は、実施の形態１２で説明したように薄膜スラブ構造部２５の上面全面にわたって光を照射することができるように、面発光型半導体レーザなどの励起光源を配置して活性層を励起させてレーザ発振させる機能を有する。
【００８３】
第２の励起部７４は、薄膜スラブ構造部２５の一部の領域７５に光照射を行う励起光源である。この励起光源は、たとえば面発光型半導体レーザを用いることができる。たとえば、図１７−２の領域７５にレーザ光が照射されるように第２の励起部７４は薄膜スラブ構造部２５に対して配置される。第１の励起部７３によって励起された薄膜スラブ構造部２５が、さらに第２の励起部７４によって光照射されて励起されると、薄膜スラブ構造部２５におけるレーザ発振状態が変化する。これによって、レーザ発振のオンオフを行うことが可能となる。なお、図１７−２に示した第２の励起部７４によって照射される領域７５は一例であり、薄膜スラブ構造部２５の上面の他の領域を照射するものであってもよい。
【００８４】
この実施の形態１３によれば、実施の形態１２の場合に比して面発光型半導体レーザなどの第２の励起部７４による光照射強度が弱くても、薄膜スラブ構造部２５におけるレーザ発振をオンオフ駆動することができるという効果を有する。
【００８５】
実施の形態１４．
上述した実施の形態８〜１３では、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とがそれぞれの導波路が直列に接続されるようにして構成される光デバイスについて説明した。この実施の形態１４では、このような光デバイスの製造方法について説明する。
【００８６】
図１３〜図１７−２に示されるように、実施の形態８〜１３の光デバイスでは、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とが直列に接続された構造を有し、しかも薄膜スラブ構造部２５は、スラブ層の下部に空洞部５１が形成されたシート状の構成を有している。また、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とは同一の化合物半導体材料で同一基板上に作製することができる。しかし、空洞部５１を形成するために、薄膜スラブ構造部２５の下部の基板部分のみをエッチングにより除去する必要があるが、光増幅部６１の下部の基板部分は除去しないようにしなければならない。そのためには、薄膜スラブ構造部２５が形成される基板部分と光増幅部６１が形成される基板部分とを異なる材質で構成する必要がある。そこで、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１との接続状態を形成する際に、基板１７上のこれらが形成されるそれぞれの領域に組成の異なる材料を再成長させたエピタキシャル構造を有する基板を用いるようにした。
【００８７】
たとえば、ＩｎＰはＨＣｌによってエッチングされ易い性質を有し、ＩｎＧａＡｓＰはＨＣｌによってエッチングされ難い性質を有しているので、このＩｎＰ系の基板を光デバイスを作製する基板１７として用いることができる。この場合、薄膜スラブ構造部２５が形成される領域（以下、薄膜スラブ構造部形成領域という）の下クラッドをＩｎＰまたは組成波長１．０８μｍよりも短波長のＩｎＧａＡｓＰとし、光増幅部６１が形成される領域（以下、光増幅部形成領域という）の下クラッドを組成波長１．０８μｍよりも長波長のＩｎＧａＡｓＰとして基板１７上に成長させる。ここで、組成波長１．０８μｍよりも短波長のＩｎＧａＡｓＰはＨＣｌによってエッチングされ易く、組成波長１．０８μｍよりも長波長のＩｎＧａＡｓＰはＨＣｌによってエッチングされ難い性質を有している。このとき、一方の領域に薄膜を形成する場合には他方の領域にマスクをし、薄膜の形成終了後にそのマスクを除去することによって、一つの基板１７上の異なる領域にそれぞれ組成の異なる薄膜を形成することができる。このように組成の異なる薄膜を再成長した基板１７で、薄膜スラブ構造部形成領域にたとえばＨＣｌなどの溶液によってウエットエッチングされ易い組成の材料を形成することで、基板１７上に薄膜を形成後に、その薄膜スラブ構造部形成領域のみを選択的にウエットエッチングして空洞部分を形成することができる。
【００８８】
また、図１３〜図１７−２に示される光デバイスでは、薄膜スラブ構造部２５の下部の基板部分が除去されて空洞部５１が形成される場合を例示したが、空洞部５１を形成せずに薄膜スラブ構造部２５の下部の基板部分を活性層１１に比して低い屈折率を有する誘電体構造としてもよい。図１８は、薄膜スラブ構造の下部が低い屈折率を有する誘電体で構成される場合の光デバイスの構造を模式的に示す断面図である。この図は、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１の導波路２，６２の伸長方向に平行な断面図を示している。この光デバイスは、基板１７上の薄膜スラブ構造部形成領域ＲPC上に低い屈折率を有する誘電体層５２と、光増幅部形成領域ＲPDに化合物半導体層５３とが形成され、それぞれの層の上に薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とが形成された構成を有している。
【００８９】
このような構造の光デバイスは、まず、薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCの下クラッドをＡｌＧａＩｎＡｓやＡｌＩｎＡｓなどのＡｌを含む化合物半導体材料とし、光増幅部形成領域ＲPDの下クラッドをＡｌを含まない化合物半導体材料として基板１７上に成長させたり、Ａｌを含む領域とＡｌを含まない領域とを有する化合物半導体材料を基板１７上に載せて、圧力と温度をかけながら基板１７上に融着させる。その後、この基板１７を、酸素を含む雰囲気中で加熱処理を行なうと、熱酸化によって薄膜スラブ構造部２５が形成される領域のＡｌを含む化合物半導体材料のＡｌが酸化して低屈折率の誘電体となり、誘電体層５２が形成される。しかし、その他の領域の化合物半導体材料は変化しない。つまり、薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCの基板部分のみを選択的に低屈折率の誘電体とすることができる。そして、この組成の異なる基板１７上に薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とを一括形成することで、実施の形態８〜１３で説明した光デバイスを作製することができる。なお、基板１７上の薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCに形成されるＡｌを含む化合物半導体材料の熱酸化は、全体を形成した後に実施してもよい。
【００９０】
図１９−１〜図１９−５は薄膜スラブ構造部と光増幅部とを一括形成する場合の方法を模式的に示す断面図である。図１９−１に示される薄膜スラブ構造形成領域ＲPCと光増幅部形成領域ＲPDにそれぞれ組成の異なる化合物半導体材料１７Ａ，１７Ｂを再成長させた基板１７の全面に、下クラッド層１２、活性層１１、薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCに形成するスラブ層１４の上クラッド層となる材料やエッチングストップ層、光増幅部６１の導波路６２の形成に使用される上クラッド層などを含む上クラッド層１３ａを順に形成し、光増幅部６１における導波路６２を形成する（図１９−２）。ついで、光増幅部形成領域ＲPD上にマスクを形成し、薄膜スラブ構造形成領域ＲPC上のスラブ層１４がサブミクロンオーダの厚さとなるように上クラッド層１３ａをドライエッチングにより除去する（図１９−３）。場合によっては、より精確な除去を行なうためにウエットエッチングを併用してもよい。ドライエッチングとウエットエッチングとを併用して上クラッド層１３ａを除去することで、薄膜スラブ構造部２５の上層の境界をドライエッチングのみの場合に比して正確に制御することができる。また、上クラッド層１３ａを除去する境界、すなわち光増幅部６１の薄膜スラブ構造部２５側の端面Ｔは、基板１７上に形成した薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCと光増幅部形成領域ＲPDの再成長界面Ｂよりも薄膜スラブ構造部形成領域側に０．１μｍ、好ましくは０．２μｍ以上とするとよい。このようにすることで、この後に行なわれる空洞部５１の形成工程において、再成長界面に悪影響を及ぼさずに、薄膜スラブ構造部２５の下側の基板材料１７Ａをウエットエッチングすることができる。つぎに、実施の形態１で説明したように、露光用レジストなどのマスク１８を、薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCの周期的空気穴構造を形成しない領域と光増幅部６１に被覆して、空気穴１の形成を行なう（図１９−４）。その後、マスク１８を除去し、基板１７をＨＣｌなどのエッチング液に浸して、スラブ層１４下部の基板材料１７Ａをエッチングして（図１９−５）、薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とが一括形成された光デバイスが得られる。
【００９１】
なお、薄膜スラブ構造部２５の下側の空洞部５１をポリマーで埋める場合には、この後に図１３や図１４などに示されるように薄膜スラブ構造部２５の図の手前側に示される空洞部５１が形成された基板１７の側壁または空気穴１からポリマーを注入して固める工程が行われる。また、薄膜スラブ構造部２５の下側を低い屈折率の誘電体層とする場合には、空洞部５１を形成するためのウエットエッチングを行なわずに、代わりに化合物半導体材料１７Ａを熱酸化する工程が行なわれる。さらに、光増幅部６１の導波路６２を埋め込み型の構造とする場合には、光増幅部６１の部分の上面をさらに上クラッド層１３や基板１７などと同一の材料で堆積する処理が行われる。
【００９２】
この実施の形態１４によれば、１枚の基板１７上に薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCと光増幅部形成領域ＲPDとで異なる組成の化合物半導体材料を再成長させるようにしたので、薄膜スラブ構造部２５を形成した後に、その下部の材料のみをウエットエッチングにより除去したり、熱酸化によって低屈折率化させたりすることが可能となる。特に、基板１７上の薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCをＩｎＰまたは組成波長１．０８μｍよりも短波長のＩｎＧａＡｓＰで形成し、光増幅部形成領域ＲPDを組成波長１．０８μｍよりも長波長のＩｎＧａＡｓＰで形成すると、薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCの材料のみをＨＣｌによってウエットエッチングが可能となり、スラブ構造の形成が容易となる。また、基板１７上の薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCをＡｌを含む化合物半導体材料で形成し、光増幅部形成領域ＲPDをＡｌを含まない組成の化合物半導体材料で形成すると、薄膜スラブ構造部形成領域ＲPCの材料のみを熱酸化で低屈折率材料に変化させることができるので、スラブ構造の形成が容易となる。
【００９３】
さらに、活性層１１を含む上の層を薄膜スラブ構造部２５と光増幅部６１とで共通した材料でエピタキシャルに成長させることで、光デバイスの製造コストの低減化を図ることが可能となる。また、薄膜スラブ構造部２５の全面と光増幅部６１の導波路６２部分以外の上クラッド層１３を除去する際に、除去しない部分のみをマスクしてウエットエッチングで除去することで、光増幅部６１の薄膜スラブ構造部２５側の端面を、ドライエッチングで除去した場合に比べて正確に除去することが可能となる。さらに、光増幅部６１の薄膜スラブ構造部２５側の端面Ｔを、基板１７上の再成長界面Ｂよりも薄膜スラブ構造部２５側とすることで、ウエットエッチングによる薄膜スラブ構造部２５下部の材料を除去するスラブ構造の形成時に、再成長界面Ｂに悪影響を及ぼさないという効果も有する。
【００９４】
なお、実施の形態９〜１４に示される図において、光増幅部６１は埋め込み型の導波路構造となっているが、リッジ型の導波路構造であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、この発明にかかる光デバイスは、光通信や光情報処理に用いる光デバイスに有用であり、特に、多波長のレーザ光または波長可変のレーザ光の出力や制御、検出、導波を行う半導体レーザ発振器や半導体光増幅器光変調器、ディテクタ、光スイッチ素子に適している。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１−１】この発明による光デバイスの全体構成を示す斜視図である。
【図１−２】この発明による光デバイスの平面図である。
【図２−１】２次元スラブフォトニック結晶の製造方法を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】２次元スラブフォトニック結晶の製造方法を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】２次元スラブフォトニック結晶の製造方法を模式的に示す断面図である（その３）。
【図２−４】２次元スラブフォトニック結晶の製造方法を模式的に示す断面図である（その４）。
【図２−５】２次元スラブフォトニック結晶の製造方法を模式的に示す断面図である（その５）。
【図３】この発明による２次元スラブフォトニック結晶構造に形成した導波路幅に応じた導波路モードバンド端の変化を示す図である。
【図４】実験的に求めた２次元スラブフォトニック結晶の導波路幅に応じたレーザ発振波長の変化を示す図である。
【図５】電極を備える光デバイスの構成の一例を示す平面図である。
【図６】この発明による光デバイスの実施の形態２の一例を示す平面図である。
【図７】２次元スラブフォトニック結晶のバンド構造を示す図である。
【図８】この発明による光デバイスの実施の形態３の一例を示す平面図である。
【図９】２次元スラブフォトニック結晶のバンド構造を示す図である。
【図１０】この発明による光デバイスの実施の形態５の構成を示すブロック図である。
【図１１−１】この発明の実施の形態６の光デバイスの全体構成を示す斜視図である。
【図１１−２】この発明の実施の形態６の光デバイスの断面側面図である。
【図１１−３】この発明の実施の形態６の光デバイスの断面側面図である。
【図１２−１】この発明の実施の形態７の光デバイスの構成を示す図である。
【図１２−２】この発明の実施の形態７の光デバイスの構成を示す図である。
【図１２−３】この発明の実施の形態７の光デバイスの構成を示す図である。
【図１２−４】この発明の実施の形態７の光デバイスの構成を示す図である。
【図１３】この発明による光デバイスの実施の形態８の一例を示す図である。
【図１４】この発明による光デバイスの実施の形態９の一例を示す図である。
【図１５−１】この発明による光デバイスの実施の形態１０の一例を示す概観図である。
【図１５−２】図１５−１の光デバイスの平面図である。
【図１６−１】この発明による光デバイスの実施の形態１２の構成を模式的に示すブロック図である。
【図１６−２】薄膜スラブ構造部を有する光デバイスの一部の斜視図である。
【図１７−１】この発明による光デバイスの実施の形態１３の構成を模式的に示すブロック図である。
【図１７−２】薄膜スラブ構造部を有する光デバイス部分の一部の斜視図である。
【図１８】薄膜スラブ構造の下部が低い屈折率を有する誘電体で構成される場合の光デバイスの構造を模式的に示す断面図である。
【図１９−１】薄膜スラブ構造部と光増幅部とを一括形成する場合の方法を模式的に示す断面図である（その１）。
【図１９−２】薄膜スラブ構造部と光増幅部とを一括形成する場合の方法を模式的に示す断面図である（その２）。
【図１９−３】薄膜スラブ構造部と光増幅部とを一括形成する場合の方法を模式的に示す断面図である（その３）。
【図１９−４】薄膜スラブ構造部と光増幅部とを一括形成する場合の方法を模式的に示す断面図である（その４）。
【図１９−５】薄膜スラブ構造部と光増幅部とを一括形成する場合の方法を模式的に示す断面図である（その５）。
【符号の説明】
【００９７】
１  空気穴
２，６２  導波路
３〜７  領域
１０  光デバイス
１１  活性層
１２  下クラッド層
１３，１５  上クラッド層
１４  スラブ層
１７  基板
１８  露光用レジスト
１９  Ａｌ含有半導体層
２３，２４  電極
２５  薄膜スラブ構造部
２６  厚膜周期穴構造部
２７  厚膜構造部
３１  ２次元スラブフォトニック結晶
３２  温度検知部
３３  温度制御部
３４  温度調節部
４１，４２  エッチングマスク
４３  埋め込み層
５１  空洞部
５２  誘電体層
６１  光増幅部
６３  窓部
７１  励起光源
７３  第１の励起部
７４  第２の励起部
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
0004761426.tif 000004
【図２−２】
0004761426.tif 000005
【図２−３】
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【図２−４】
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【図２−５】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004761426.tif 000012
【図７】
0004761426.tif 000013
【図８】
0004761426.tif 000014
【図９】
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【図１０】
0004761426.tif 000016
【図１１−１】
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【図１１−２】
0004761426.tif 000018
【図１１−３】
0004761426.tif 000019
【図１２−１】
0004761426.tif 000020
【図１２−２】
0004761426.tif 000021
【図１２−３】
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【図１２−４】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５−１】
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【図１５−２】
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【図１６−１】
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【図１６−２】
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【図１７−１】
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【図１７−２】
0004761426.tif 000031
【図１８】
0004761426.tif 000032
【図１９−１】
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【図１９−２】
0004761426.tif 000034
【図１９−３】
0004761426.tif 000035
【図１９−４】
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【図１９−５】
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