(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器であって、
内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の１次元フォトニック結晶と、
前記１次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記１次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、１つまたは複数のサイドスラブと、
前記サイドスラブの前記１次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、
前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体と
を備え、
前記熱拡散構造体は、半導体材料からなる半導体層と該半導体材料より熱伝導率が高い金属からなる金属層とから構成されたことを特徴とする光共振器。
【請求項２】
前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料はシリコンであり、
前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、
前記熱拡散構造体の厚さが前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
【請求項３】
前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料は、ＩｎＰであり、
前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、
前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
【請求項４】
半導体基板上に作製されたＩｎＰかＩｎＰよりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱体をさらに備え、
前記熱拡散構造体は、前記伝熱体に接して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光共振器。
【請求項５】
光共振器であって、
内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の１次元フォトニック結晶と、
前記１次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記１次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、１つまたは複数のサイドスラブと、
前記サイドスラブの前記１次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、
前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体と
を備え、
前記高屈折率媒体は、ＩｎＰからなる層とＩｎＧａＡｓＰからなる層とからなり、
前記サイドスラブは、ＩｎＰからなる２つの層と当該２つの層の間の空気層とからなり、
前記熱拡散構造体は、ＩｎＰからなる層とＩｎＧａＡｓＰからなる層とからなり、
前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、
前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする光共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光共振器に関し、より詳細には中心付近の温度上昇を抑制した光共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を材料とし半導体材料内で発生する誘導放出現象を利用して動作する半導体レーザー素子は様々な産業において幅広く使用されている。フォトニックバンドギャップ材料により光共振器を構成した半導体レーザ（以下、フォトニック結晶レーザと呼ぶ）は従来の光共振器よりも素子サイズをはるかに小さくすることができる。共振器構造の改良が進み、実効的に光の波長（光通信用で１．５５マイクロメートル程度）の３乗程度の体積に光を閉じ込めることが可能になり、同時に光の損失や導波路への流出による漏れの小ささを表すＱ値を数万から１００万程度に高めることが可能になっている。面積で言えば閾値が低いことが知られている垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）よりもコンパクトなレーザーを実現できる。
【０００３】
共振器Ｑ値が従来のレーザーと同等以上でかつ体積がより小さいことから、レーザー発振に必要な電子・正孔（以下キャリアと呼ぶ）の量、そして発振閾値（出力および電流注入動作の場合の電流）はより小さくなる。共振器に効率良くキャリアを提供する手法さえあれば、原理的には面発光レーザーよりも発振閾値を小さくすることが可能である。閾値電流は光共振器構造及び素子温度ばかりでなく電流狭窄構造や抵抗・電極等の電子素子構造・特性にも依存して決まるものである（ただし、本願においては、電子素子に関する技術的項目についてはスコープには含めない）。
【０００４】
フォトニック結晶レーザーにおいては光によりキャリアを供給する条件において励起光パワーの閾値は極めて小さくなる。光励起を前提にした場合、光キャリアを効率よく共振器部分に集中させる手法として選択成長技術による活性層の位置選択形成がある。活性層は光を吸収・増幅する一方キャリアをその中に閉じ込めるように設計することができる。動作波長・励起波長・材料の選択により励起光を活性層部分のみが吸収するようにできる。合わせて活性層に量子ドット・量子井戸を採用すればレーザーに高効率をもたらす。レーザーの閾値パワーは少なくともμＷレベルまで下がっている。レーザー以外でも変調器、光スイッチ、光メモリ等の光素子がフォトニック結晶共振器による構成において原理検証あるいは実証が行われてきた。発明者らもＳｉフォトニック結晶共振器において、キャリアプラズマ効果による高速な光双安定現象により変調器、光スイッチ動作を実現報告してきた。更によりキャリアプラズマ効果が大きいＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層と表面再結合による発熱が少ないＩｎＰフォトニック結晶に材料・構造を変更することにより長いメモリ時間を実現することにも成功した。
【０００５】
変調器・光スイッチにおけるフォトニック結晶共振器の優位点は、やはり共振器Ｑ値と小さな閉込体積とによるキャリアプラズマ効果の増強の結果極めて低パワーで動作することである。これらの低パワー動作も光によるキャリア（プラズマ）の変調を利用することで実現している。近年はフォトニック結晶ばかりでなく断面寸法がサブミクロンである高屈折率材料細線導波路からなるリング共振器においても小体積共振器と高Ｑ値による増強効果により、低パワー化が進められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Eiichi Kuramochi et al. , "Ultrahigh-Q one-dimensional photonic crystal nanocavities with modulated mode-gap barriers on SiO2 claddings and on air claddings," OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.15, pp.15859-15869, 2010年7月12日, インターネット＜http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-18-15-15859＞
【非特許文献２】L-D. Haret et al., "Extremely low power optical bistability in silicon demonstrated using 1D photonic crystal nanocavity," OPTICS EXPRESS, Vol.17, No.23, pp.21108-21117, 2009年11月4日, インターネット＜http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-17-23-21108＞
【非特許文献３】B. Schmidt et al., "Compact electro-optic modulator on silicon-on-insulator substrates using cavities with ultra-small modal volumes," OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.6, pp3140-3148, 2007年3月19日, インターネット＜http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-15-6-3140＞
【非特許文献４】Y. Tanaka et al., "Investigation of point-defect cavity formed in two-dimensional photonic crystal slab with one-sided dielectric cladding," Applied Physics Letters, Vol.88, 011112, 2006年6月, インターネット＜http://apl.aip.org/resource/1/applab/v88/i1/p011112_s1?isAuthorized=no＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザー・スイッチ等の光素子の駆動は電気的に行うのが望ましい。電気駆動の場合は、普遍的な半導体電子チップとの組み合わせにより小型で安価な装置を構成し、低消費電力で駆動できるのに対して、光駆動の場合は、レーザー光源や光変調装置等の光駆動装置が別途必要になるため実用性が制限されるからである。フォトニック結晶共振器ベースの光素子は光による励起および駆動の条件では既に優れた性能が得られているのに対し、電気駆動の条件では一部の面発光型フォトニック結晶レーザ（水平方向の光閉込無し）を除き良好な性能は得られていないことが、難易度の高さを示している。
【０００８】
ここでは光を波長の数倍以下のスケールの微小体積に強く閉じ込めるフォトニック結晶ナノ共振器（以下ナノ共振器）に対象を限定する。ナノ共振器の定義として、Ｑ値（外部との結合を無視したintrinsicな値：活性層の利得機構による低下分は除外）が１万以上、閉込モード体積が ３（λ／ｎ）3（λは波長、ｎは屈折率）以下とする。このような共振器はフォトニック結晶以外の原理では実現困難である。ナノ共振器においてはより大型な共振器に対し、チップ体積及び面積の大幅な縮小と動作パワーの大幅な低減が原理的に可能となることから、光素子・回路の大幅な小型化、低消費エネルギー化が期待される。
【０００９】
本願においてはこのうち１次元棒状フォトニック結晶（以下１Ｄ結晶）における課題を取り上げる。従来ナノ共振器は主に２次元スラブ型フォトニック結晶（以下２Ｄ結晶）において実現されてきた。１Ｄ結晶共振器は２Ｄ結晶共振器に比べ構造が単純で加工が容易であり、特にSilicon on Insulator （ＳＯＩ）基板プラットフォームにおいてシリコンフォトニクスとして開発が進められているナノ光導波路との整合性が高い特長がありながら、Ｑ値等の性能不足によりあまり注目されて来なかった。
【００１０】
１Ｄ結晶共振器に関し、最近発明者らは穴の間隔や半径を共振器中心付近で局所的に変調を加え、導波モード端にモードギャップを発生させることで光を閉じ込める原理により、適切な設計を行うと２Ｄ結晶共振器と同等の性能を達成できることを明らかにした（非特許文献１参照）。一方で１Ｄ結晶共振器においては非常に熱抵抗が大きくなり共振器中心に熱がたまりやすいことを明らかにした（非特許文献２）。１Ｄ結晶に有効な導波モードを導入するためには棒状部分を囲む材料の屈折率を棒状部分よりも十分低く保つ必要があった。例えば低屈折率部分は空気・誘電体・ポリマーなど熱伝導率の低い材料により構成することになる。従来の設計では良好な熱伝導体が細い棒状部分にしか無いため他に熱の通り道が無く熱抵抗が大きくなってしまうことが原因であった。
【００１１】
熱抵抗が大きくなることは、共振器部分で熱が発生する素子では素子温度の上昇を招く。レーザーなどの発光素子では共振器部分に利得媒体を配置し、キャリアを利得媒体に供給する必要がある。キャリアの一部は発光に寄与せずに非発光再結合を起こし発熱を生む。非発光素子においても屈折率変調のために供給したキャリアの一部が同様に発熱を生む。特にフォトニック結晶では結晶を構成する穴の側壁等に存在するエッチング面が非発光再結合中心を供給し発熱につながりやすい。また、電気駆動においては電気抵抗によるジュール発熱も問題になる。半導体レーザーの場合、原理的に発振閾値は素子温度が高いほど増大する。またキャリアプラズマ効果による光非線形効果（光双安定現象を含む）を利用する光スイッチ・変調・メモリ素子では動作原理である屈折率変調による共振器波長の制御が温度上昇による波長変化により困難になる問題がある。
【００１２】
このように電気駆動を行う１Ｄ結晶共振器素子においてある程度の発熱は避けられない。故に高性能な光素子を実現するためには熱抵抗を下げ排熱性能を高める必要がある。しかしながら、従来の１Ｄ結晶共振器において熱抵抗が大きくなることへの対策は考慮されていなかった。
【００１３】
従来の１Ｄ結晶共振器の課題として熱抵抗の増大を取り上げてきたが、もう一つの重要な熱特性として、熱緩和時間がある。これは熱が指数関数的に緩和する場合の時定数である。一般的な半導体構造は熱伝導方程式の性質により指数関数的な熱応答をする。我々はシリコンの２Ｄ結晶共振器において緩和時間の実験値が約１００ｎｓであることを報告済みである。この値を参考に、従来型の１Ｄ及び２Ｄ結晶共振器を用い、市販ソフトComsolにより数値解析を行った。その結果を非特許文献２に掲載した。２Ｄ結晶共振器において熱抵抗の計算値は実験値とほぼ一致し、計算結果が信用できることを確認した。注目すべきは前記熱抵抗が大きい１Ｄ結晶共振器において熱緩和時間も２Ｄ結晶共振器の数倍にあたる著しい増加を示したことである。熱緩和時間の増加は熱光学効果を利用した光スイッチ素子等の光素子の応答速度を遅くするため、高速な光素子の実現において障害になる。このように熱緩和時間の点でも従来の１Ｄ結晶共振器には問題があった。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１Ｄ結晶共振器素子に対してサイドスラブおよび熱拡散構造体を追加することにより、共振器中心付近の温度上昇を抑制した光共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本願に係る光共振器は、内部に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を周期的に配置した高屈折率材料からなる棒状構造の１次元フォトニック結晶（棒状構造体）と、当該棒状構造体を取り巻く低屈折率媒体と、サイドスラブ及び熱拡散構造体を備えたことを特徴とする。前記サイドスラブは、熱伝導率が高く、前記棒状構造体より薄く、かつ有限の幅を有する。前記熱拡散構造体は熱伝導率が高く、当該熱拡散構造体と前記棒状構造体との間に前記サイドスラブを挟む位置に配置される。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、光共振器であって、内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の１次元フォトニック結晶と、前記１次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記１次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、１つまたは複数のサイドスラブと、前記サイドスラブの前記１次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体とを備え、前記熱拡散構造体は、半導体材料からなる半導体層と該半導体材料より熱伝導率が高い金属からなる金属層とから構成されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光共振器において、前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料はシリコンであり、前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、前記熱拡散構造体の厚さが前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光共振器において、前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料は、ＩｎＰであり、前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光共振器において、半導体基板上に作製されたＩｎＰかＩｎＰよりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱体をさらに備え、前記熱拡散構造体は、前記伝熱体に接して配置されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、光共振器であって、内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の１次元フォトニック結晶と、前記１次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記１次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、１つまたは複数のサイドスラブと、前記サイドスラブの前記１次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体とを備え、前記高屈折率媒体は、ＩｎＰからなる層とＩｎＧａＡｓＰからなる層とからなり、前記サイドスラブは、ＩｎＰからなる２つの層と当該２つの層の間の空気層とからなり、前記熱拡散構造体は、ＩｎＰからなる層とＩｎＧａＡｓＰからなる層とからなり、前記１次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば１Ｄ結晶光ナノ共振器において、必要十分なＱ値を保ったまま共振器熱抵抗を低くし、共振器中心付近の温度上昇を抑制することが可能になる。動作時に非発光再結合やジュール熱などの発熱過程が存在し、かつ温度上昇により性能が制限されるレーザー、光スイッチ、光メモリ等の光素子において、本発明を実施することにより特性改善が可能になる。また素子を電気駆動する場合にサイドスラブを電流の導線にできるので、従来の多くの１Ｄ結晶共振器の設計に比べ電気駆動への整合性が高い。
【００２３】
本願の光共振器の構造は空気層の上に設けられた中空のシリコン薄膜中の光共振器にも有効であるが、特にシリコン酸化膜付のＳＯＩ構造の場合には、シリコンフォトニクスと整合性が高い、作製プロセスを単純化できる、中空構造が伴う構造脆弱性を排除できる、等の利点がある。また酸化膜を伴う場合に高性能の２Ｄ結晶共振器の実現が困難である（非特許文献４参照）ことを鑑みれば、本発明はシリコンフォトニクスにおける光電子素子の基盤として極めて有力である。
【００２４】
本発明では光閉込を行うサイドスラブ部分と、高い排熱性能を有する熱拡散構造体を分離導入する手法を採用した。以下の第２の検証例で示すように、この手法はＩｎＰのように熱伝導率が比較的低い媒体において特に効果が高い。
【００２５】
本発明の光共振器は１Ｄ結晶をベースとしており、２Ｄ結晶共振器に比べ構造の上下非対称性の影響を受けにくい。サイドスラブの位置は図１のように１Ｄ結晶部に対し下側でなく、上側でも中央部でも構わず、設計の自由度が高い。共振器及び光素子を実現する様々な加工技術への対応性に優れているといえる。同じく上下非対称性の影響を受けにくいため、図２の例のように上側と下側の低屈折率媒体が異なっていても構わない。故に各種材料への対応性も優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る光共振器の基本構成の見取図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の光共振器の断面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態の光共振器のＱ値の計算及び実験結果を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の光共振器の熱抵抗の計算及び実験結果を示す図である。
【図５】本発明の第一の実施形態の光共振器の熱緩和時間の計算結果を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態の光共振器の断面図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の光共振器の熱抵抗の計算及び実験結果を示す図である。
【図８】本発明の第二の実施形態の光共振器の熱緩和時間の計算結果を示す図である。
【図９】本発明の第三の実施形態の光共振器の断面図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態の光共振器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
上記の通り、本願によれば、高屈折率材料からなる棒状構造体と、それを取り巻く低屈折率媒体と、熱伝導率が高く、棒状構造体より薄く、かつ有限の幅を有するサイドスラブと、その外側に配置された熱伝導率が高い熱拡散構造体を追加配置した光共振器が提供される。棒状構造体は、内部に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造からなる周期的に配置された高屈折率材料からなる１Ｄ結晶（１次元棒状フォトニック結晶）である。
【００２８】
図１に、本発明に係る光共振器の基本構成の見取図を示す。図１に示す光共振器は、基板１０４上に、高屈折率材料からなる棒状構造体１０１と、熱伝導率の高いサイドスラブ１０５及び熱拡散構造体１０６を有する。図１に示す光共振器は、基板１０４と棒状構造体１０１及びサイドスラブ１０５との間に低屈折率媒体１０３を有し、棒状構造体１０１の上部は低屈折率媒体１０２が配置されている。すなわち、低屈折率媒体が棒状構造体１０１を取り巻くように配置されている。棒状構造の１Ｄ結晶である棒状構造体１０１の内部には、低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造が周期的に配置されている。熱拡散構造体１０６と基板１０４との間に低屈折率媒体１０３が配置されていてもよい。
【００２９】
図１においてサイドスラブ１０５は１Ｄ結晶である棒状構造体１０１内の熱を外部へ伝える排熱経路として機能する。サイドスラブは仮に材料が高屈折率であっても厚さｓｈ（図のｙ方向の長さ、以下同様）を薄くすることで上下の低屈折率媒体１０２、１０３と合わせた有効屈折率を低くできるので、水平方向（図のｘ方向）に前記棒状構造体に対し十分な光閉込効果を得ることができる。熱伝導率が高く、かつ共振器内への光閉込を阻害しない現実的なサイドスラブ材料は、棒状構造体と同様シリコンやＩｎＰ等の半導体に限られる。
【００３０】
サイドスラブ構造自体は電気的なｐｉｎ構造を実現する手法として提案された例はあるが（非特許文献３参照）、放熱性に関する考慮はされていなかった。また放熱性を確保しつつ共振器Ｑ値を高く保つ設計指針は未提示であった。本発明においてはサイドスラブに有限の幅ｓｗ（図のｘ方向の長さ、以下同様）を設定する。ｓｈが薄く、またｓｗ幅が広くなると熱抵抗が大きくなる。逆にｓｈが厚く、ｓｗが狭くなると水平方向への光閉じ込めが弱くなり共振器Ｑ値が低下する。本発明によれば、以下に示す検討例のようにｓｈとｓｗを最適化することで光共振器性能を確保しつつ従来設計に対し１Ｄ結晶共振器の放熱性を著しく改善することが可能になる。
【００３１】
本発明のポイントは、光閉込を行うサイドスラブ１０５とその外側の熱拡散構造体１０６とを分離することである。熱拡散構造体１０６をサイドスラブ１０５から分離することで、光共振器設計にとらわれず熱拡散に最適な構造を追及することができる。具体的には半導体構造の厚みを大きくとることが可能になる。また熱伝導率の高い金属膜を配置することも可能である。また半導体基板上に配置された光共振器の場合、熱拡散構造体を基板に直接接続することも状況によっては有効である。
【００３２】
＜第一の実施形態＞
以下に、本発明の有効性を数値シミュレーション及び実験により実証した結果を示す。
図２は第一の検証例の光共振器の構成を示し、図３〜図５は実証結果を示す。図２に示す光共振器において、１Ｄ結晶２０１、サイドスラブ２０５、及び熱拡散構造体２０６はシリコン薄膜からなる。これらはシリコン酸化膜層（低屈折率媒体）２０３を介しシリコン基板２０４上に配置される。この構造はＳＯＩ基板（２０３，２０４）に整合している。１Ｄ結晶２０１及び熱拡散構造体２０６はＳＯＩ層をそのまま用いて実現できる。上部低屈折率媒体２０２は空気であり、空気からなる結晶穴２０７及びサイドスラブ２０５はＳＯＩ層を上面からドライエッチングすることにより加工できる。共振器設計は非特許文献１にて開示した極めてＱ値が高いモードギャップ１Ｄ結晶共振器（円柱穴ladder型タイプ）をベースに、格子定数αを３５０ｎｍ、穴半径を基準ｒ０＝１０５ｎｍ、変調パラメータをｍ＝１７に設定した。１Ｄ結晶２０１及び熱拡散構造体２０６の高さを２１０ｎｍ、１Ｄ結晶２０１の幅を５８０ｎｍ、シリコン酸化膜層２０３の厚さは２μｍとした。本構造の光共振器性能を３次元有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）による数値解析と電子線リソグラフィーによりＳＯＩ基板を加工して得たサンプルの測定により評価した。計算の際にシリコン、シリコン酸化膜、空気の屈折率を各３．４、１．４６、１．０とした。
【００３３】
図３にサイドスラブの高さｓｈに対する共振器Ｑ値の依存性を示す。ここでサイドスラブの幅ｓｗは１．２μｍとした。ｓｈの増加と共にＱ値は減少するが、計算ではｓｈ＝６０ｎｍにおいても１００万を超える、また実験でもｓｈ＝５０ｎｍで１０万を超えるＱ値を確認した。Ｑ値１０万は通常の光素子応用には十分な値である。またモード体積もＦＤＴＤ計算結果では１（λ／ｎ）3を下回る値であった。図２の構造において高性能の１Ｄ結晶共振器が実現可能であることを実証した。
【００３４】
次に、本構造の熱抵抗および熱緩和時間について調べた。非特許文献２と同様のモデルにより市販ソフトComsolにより解析した。解析においてシリコンおよびシリコン酸化膜の熱伝導率をそれぞれ１６３および１．５（単位はＷ／ｍ／Ｋ）、空気は熱の絶縁体とした。図４に熱抵抗のｓｈ依存性を示す。サイドスラブが厚くなると熱抵抗は単調に減少を示した。共振器サンプルの熱光学特性の測定結果から実験的に求めた熱抵抗のｓｈ依存性と比較したところ、両者は良く一致した。このことから本構造により適切なｓｈ及びｓｗを与えると熱抵抗を改善できることが明らかになった。なお、本構造では低屈折率媒体にシリコン酸化膜を用いているためサイドスラブ無しの場合の熱抵抗率は少し高めの程度で留まっている。非特許文献２で検討した低屈折率媒体が全て空気の場合には、熱抵抗は更に５倍になる。
【００３５】
次に熱緩和時間に関する計算結果を図５に示す。こちらも熱抵抗と同様のｓｈ依存性を示し、サイドスラブにより熱応答速度を加速できることが示された。いずれの場合でも、サイドスラブ採用による改善効果は非採用に対しｓｗ＝１．２μｍにおいて最大で数倍、シリコン酸化膜２０３を除去し空気層に置き換えた場合で数十倍に及ぶことが分かった。また図５ではｓｗを狭くするほど緩和時間が短縮されることが示されている。ｓｈ、ｓｗの設定は光共振器性能にも制約されるが、図３に示した有用なナノ共振器として動作する範囲のｓｈ、ｓｗにおいて十分大きな熱性能の向上が得られている。
【００３６】
シリコンの特長は金属に迫る高い熱伝導率を有していることである。故に熱拡散構造体としては本構造で採用している比較的薄い（２１０ｎｍ）シリコン薄膜でも十分な放熱性能が得られる。すなわち、非特許文献３が示すようなサイドスラブ部分を限定せず熱拡散構造体の厚さもｓｈと同一とする設計に対し、熱緩和時間を半分以下に短縮し、熱抵抗についても１５％以上の減少が期待できる。
【００３７】
なお、図４，５の熱抵抗や熱緩和時間の解析に際して、解析の計算領域を２０μｍ×２０μｍに設定し、熱拡散構造体２０６の幅は、２０μｍから１Ｄ結晶２０１の幅（Ｗｐｃ＝５８０ｎｍ）および２つのサイドスラブ２０５の幅の合計(ｓｗ×２)を引き、２で割った値（１０μｍ未満の値）となるように設定した。計算領域の端における境界条件として、熱は瞬時に奪われる設定とした。境界の外側に十分大きな金属あるいはシリコンのような熱の良導体が配置されている場合と近似的に同等とみなせる。実際に作製した光共振器における熱拡散構造体２０６の幅は少なくとも４０μｍ以上であり、解析における計算領域を大きく超えて広がっている。なお、熱拡散構造体中を拡散した熱は最終的に基板または空気に伝わったのち散逸する。
【００３８】
以上、図２〜５を参照して、第一の実施形態に係る光共振器を示し説明した。これはＳＯＩプラットフォームにおける実施形態例である。図２のシリコン酸化膜層２０３を除去し空気層としても本発明は有効である。特に極めて低い熱伝導率を有するシリコン酸化膜層がない方が熱緩和時間は短くなる。シリコン酸化膜層２０３の除去は例えばフッ化水素によるエッチングにより実現できる。
【００３９】
＜第二の実施形態＞
図６は第二の検証例の光共振器の構成を示し、図７〜図８は実証結果を示す。ここでは１Ｄ結晶６０１、サイドスラブ６０５、熱拡散構造体６０６および基板６０４を構成する高屈折率材料をシリコンからＩｎＰに変更した。ＩｎＰ及びそれをベースとする混晶材料系は半導体レーザー・受光器・変調器等に使われている重要な材料である。ＳＯＩのような酸化膜のついた構造はＩｎＰにおいても実現可能であるが、ＩｎＰ基板においては普及しておらず一般的ではないので、ここでは下部の低屈折率層６０３を空気層とする例をとりあげた。
【００４０】
ＩｎＰの場合、熱伝導率（６８Ｗ／ｍ／Ｋ）がシリコンよりも相当低いことに注意する必要がある。まずサイドスラブ６０５の幅ｓｗ・膜厚ｓｈをより厳密に最適化する必要がある。加えて熱拡散構造体６０６について、シリコンを材料とした場合と異なり厚さ２００〜３００ｎｍのＩｎＰ層における熱伝導がボトルネックになる。排熱性能を更に高めるために（１）この部分のＩｎＰ膜厚を大幅に厚くする、（２）ＩｎＰその他の高熱伝導率媒体により熱を直接基板（ＩｎＰ）に伝え排熱する、（３）熱伝導率の非常に高い金属の膜を熱拡散構造体に加える、等の対策が必要になる。本検証例では（１）および（２）を採用し、ＩｎＰ基板６０４とＩｎＰから成る熱拡散構造体６０６を結ぶＩｎＰから成る伝熱部６０８を配置した。図６の構造において下部の低屈折率層６０３（空気層６０３とも呼ぶ）と伝熱部６０８の厚さを１μｍ、１Ｄ結晶６０１と熱拡散構造体６０６の厚さ（高さ）を２１０ｎｍとした。サイドスラブ６０５の厚さｓｈと幅ｓｗを変えた時の熱抵抗と熱緩和時間の変化を数値解析した。本検討では空気層とした下部の低屈折率層６０３とサイドスラブ６０５の端を一致させたが、この一致は必ずしも必要ではない。図７はサイドスラブ無しの場合の熱抵抗を１として熱抵抗をプロットした図である。サイドスラブ６０５の幅ｓｗが１．２μｍにおける比較では、厚さｓｈが５０ｎｍの場合の熱抵抗がサイドスラブ無しの場合の熱抵抗の１／８となり、本検証例の有効性が明確に示された。熱伝導率の違いにより図中に示したとおりシリコンの同等構造（シリコンナノ共振器）に比べ熱抵抗が大幅に増加するが、本発明によりＩｎＰナノ共振器の熱抵抗を典型的シリコンナノ共振器の２倍以内に抑制する見通しがついた。
【００４１】
図８（ａ）および（ｂ）は、熱緩和時間のｓｈ、ｓｗ依存性をそれぞれ示す。熱抵抗と同様に熱緩和時間は大きな単調変化を示した。サイドスラブ無しの場合の緩和時間は５００ｎｓを超えるため、１桁以上の短縮が得られる。
【００４２】
図７および８は、ＩｎＰの場合の熱抵抗および熱緩和時間のｓｗ依存性が、シリコンの場合に比べ大きく、ＩｎＰスラブ内の熱伝導がボトルネックになっていることを示している。シリコンと同様に、ｓｈを許される範囲で最大化するまたｓｗを最小化する効果は極めて大きい。また、ＩｎＰから成る伝熱部６０８の採用効果は大きく、ＩｎＰに替わり伝熱部６０８を空気層にした場合に比べ熱抵抗で最大２倍、緩和時間では更に大きな改善が得られる。
【００４３】
図６の構造においてｓｈ＝５０ｎｍ、ｓｗ＝１．０μｍ、１Ｄ結晶６０１の幅を５２５ｎｍ、１Ｄ結晶６０１及び熱拡散構造体６０６の厚さ（高さ）ｈを３００ｎｍとした場合、熱抵抗は図７の単位で０．１１となった。非特許文献１にて開示したモードギャップ１Ｄ結晶共振器（円柱穴ladder型タイプ）をベースに、格子定数αを４００ｎｍに、穴半径を基準ｒ０＝１５０ｎｍ、変調パラメータｍ＝６．８５に設定し本構造に配置したモデルに対しＩｎＰの屈折率を３．１７としてＦＤＴＤ法で解析したところ、約２０万のＱ値と１（λ／ｎ）3を下回るモード体積を有する共振器モードが得られた。以上の通り、本検証例において熱性能に優れ実用的なナノ共振器が得られることを数値解析的に実証した。
【００４４】
以上、図６〜８を参照して、第二の実施形態に係る光共振器を説明した。本構造の加工は主にＩｎＰ材料が対象になる。結晶穴やサイドスラブ部分は、高精度の電子線リソグラフィー技術とドライエッチングによる加工を組み合わせることで実現できる。伝熱部６０８を含むＩｎＰからなる部分は、ＩｎＰ基板６０４上への結晶成長技術により実現できる。空気層６０３の配置は単純な結晶成長またはエッチング技術のみでは困難である。既に普及している選択エッチング・選択成長、加工プロセス後再成長、等の技術の組み合わせが必要である。例えば、まずは犠牲層材料であるＩｎＧａＡｓＰをＩｎＰ基板６０４上に全面成長した後、空気層６０３となる部分を残しエッチング除去する。次に伝熱部６０６のＩｎＰを選択再成長し、その後１Ｄ結晶６０１、サイドスラブ６０５、熱拡散構造体６０６のＩｎＰを基板全面に再成長する。次に結晶穴６０７とサイドスラブ６０５の加工を電子線リソグラフィーおよびドライエッチングにより行う。最後に空気層６０３となる部分として残されたＩｎＧａＡｓＰ犠牲層を選択エッチングにより除去し空気層６０３とすれば完成する。ここに記述した例の他にも本構造を実現する手法の組み合わせと手順はある。
【００４５】
＜第三の実施形態＞
図９は本発明の第三の実施形態の構成を示す。図６の構造から熱拡散構造体部分の変更を行っている。まずＩｎＰ伝熱部（図６の６０８）を採用せず全体が空気層９０３上の中空構造であるとする（機械的支持は図示範囲外の共振器から遠方にて実施）。一方ＩｎＰ層９０５の上に金属層９０７を形成する。この金属層９０７を形成する構成は、第二の実施形態にて述べた（３）熱伝導率の非常に高い金属の膜を熱拡散構造体に加える構成に相当する。本実施形態では、金属としてはＩｎＰよりも熱伝導率が高いＡｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等が好ましい。金属層を厚さ１６０ｎｍのＡｕ（熱伝導率４００Ｗ／ｍ／Ｋ）に設定し数値解析を行ったところ、図７及び８に示した第二の実施形態の結果には若干劣るものの、熱抵抗および緩和時間の改善が得られた。第三の実施形態の第二の実施形態に対する利点は、空気層部９０３の作製に選択再成長が不要となり加工を単純化できることである。金属層９０７の形成は一般的な真空蒸着等の製膜法とリフトオフ法等によるパタニングとの組み合わせにより容易に実現できる。光素子の電気的駆動の際は、金属層９０７を電極として利用できる。
【００４６】
なお、第一の実施形態で説明した共振器構成における熱拡散構造体２０６を、シリコン薄膜に替えて、シリコン薄膜とシリコンよりも熱伝導率が高い金属（Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等）層とから構成しても、本実施形態と同様に熱抵抗および緩和時間の改善が得られる。また、第二の実施形態で説明した共振器構成における熱拡散構造体６０６を、ＩｎＰに替えて、ＩｎＰ層とＩｎＰよりも熱伝導率が高い金属（Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等）層とから構成しても、本実施形態と同様に熱抵抗および緩和時間の改善が得られる。
【００４７】
＜第四の実施形態＞
図１０は第四の実施形態に係る光共振器の構成を示す。１Ｄ結晶１００１は下部ＩｎＰ層１００９、中間ＩｎＧａＡｓＰ層１０１０、上部ＩｎＰ層１０１１の一部からなり、結晶穴１０１２が貫通している。サイドスラブ１００２はＩｎＰ層１００９、１０１１の一部からなり、１Ｄ結晶１００１を支持し熱や電流の通り道となる。またサイドスラブ１００２は中間の空気層１００６と共に水平方向から光を１Ｄ結晶１００１に閉じ込める働きをする。空気層１００４、１００５は上下から光を１Ｄ結晶１００１に閉じ込める役割をする。熱拡散構造体１００３はＩｎＧａＡｓＰ層１００８，１０１０およびＩｎＰ層１００９，１０１１のうちサイドスラブ１００２の外側の部分からなり、１Ｄ結晶１００１及びサイドスラブ１００２を支持するとともに熱を水平及び基板方向へ拡散する。
【００４８】
本構造の作製においてはまずＩｎＰ基板１００７上にＩｎＧａＡｓＰ層１００８、ＩｎＰ層１００９、ＩｎＧａＡｓＰ層１０１０、ＩｎＰ層１０１１の順に基板全面への結晶成長を行う。各層の膜厚は下から順に例えば１μｍ、５０ｎｍ、２００ｎｍ、５０ｎｍとする。下層ＩｎＧａＡｓＰ層１００８と中間ＩｎＧａＡｓＰ層１０１０の組成は、これらがＩｎＰに対する選択エッチングにより空気層１００５及び１００６をそれぞれ作製する際の犠牲層になるようにし、かつ前者が後者より相当エッチングレートが高くなるように設定する。次に上面からＩｎＰ層１００９まで貫通する選択エッチング用穴１０１３をドライエッチング等で作製する。次にクエン酸等の薬液を使いＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰの選択エッチングを実施する。ＩｎＰ層１００９、１０１１のエッチングは無視できる程度でそのまま維持される。ＩｎＧａＡｓＰ層１０１０の一部が除去されて空気層１００６が形成される。エッチングは１Ｄ結晶１００１の一部をなすＩｎＧａＡｓＰ層１０１０が所定の幅まで狭くなった時点で停止する。穴１０１３を通し下層ＩｎＧａＡｓＰ層１００８もエッチングされるが中間ＩｎＧａＡｓＰ層１０１０より相当エッチングレートが高いため１Ｄ結晶１００１及びサイドスラブ１００２の下のＩｎＧａＡｓＰ層１００８は全て除去されて完全に空気層１００５に置換される。最後に電子線リソグラフィーおよびドライエッチングにより結晶穴１０１２を加工することにより本構造は完成する。本構造ではＩｎＰサイドスラブを上下２層配置することにより排熱性能を高めている。第四の実施形態においては結晶成長が１回で済み高度な再成長技術・選択成長技術の適用を不要にできる。
【符号の説明】
【００４９】
１０１、２０１、６０１、９０１、１００１  棒状構造体
１０２、２０２、６０２、９０２、１００４  低屈折率媒体（棒状構造体の上側）
１０３、２０３、６０３、９０３、１００５  低屈折率媒体（棒状構造体の下側）
１００６  低屈折率媒体（棒状構造体の横）
１０４、２０４、６０４、９０８、１００７  基板
１０５、２０５、６０５、９０４、１００２  サイドスラブ
１０６、２０６、６０６、９０５、１００３  熱拡散構造体
１０７、２０７、６０７、９０６、１０１２  結晶穴
６０８  伝熱部
９０７  金属層
１００８  下層ＩｎＧａＡｓＰ層
１００９、１０１１  ＩｎＰ層
１０１０  上層ＩｎＧａＡｓＰ層
１０１３  犠牲層エッチング用穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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