(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１光子で励起される実準位をエネルギー状態として有するアップコンバージョン媒質と、
前記アップコンバージョン媒質を含み、光の波長のオーダの周期的な屈折率の分布を有するフォトニック構造体とを備え、
前記フォトニック構造体は、前記アップコンバージョン媒質の前記実準位から基底状態への緩和過程により発生する光の波長に対応し、かつ前記屈折率の分布に対応したフォトニックバンドギャップを有することを特徴とするアップコンバージョン光素子。
【請求項２】
前記アップコンバージョン媒質は、基底状態と励起状態との間に複数の励起準位を有し、前記緩和過程は、前記複数の励起準位のいずれかから前記基底状態への遷移に対応することを特徴とする請求項１記載の光素子。
【請求項３】
前記アップコンバージョン媒質は、デンドリマーを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光素子。
【請求項４】
前記フォトニック構造体に応力を付加しあるいは温度を変化させることにより変形させる手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アップコンバージョン光素子に関し、より詳細には、励起光により短波長の光を高い効率で発生させることができるレーザなどのアップコンバージョン光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度光記録や光磁気記録をはじめとする各種の応用分野において、光源として用いるための半導体レーザの短波長化が要求されている。レーザの短波長化の手法はいくつかあり、それらを大別すると以下の３つになる。
【０００３】
▲１▼ バンドギャップの広い半導体を用いて直接発振させる。
▲２▼ 近赤外あるいは赤色のレーザ光を波長変換して第２高調波を発生させる。
▲３▼ アップコンバージョンにより、赤色あるいは赤外光による励起で短波長発振させる。
【０００４】
図７は、これら３つの手法の原理を説明するための概念図である。
すなわち、同図（ａ）は、注入過程ＩＪにより励起状態ＥＳに注入された電子が励起状態ＥＳから基底状態ＧＳへ遷移する際の放出光ｈνを得る手法を表す。小型レーザに関しては、現状では窒化ガリウム系半導体を用いた波長４１０ｎｍ前後の半導体レーザや発光ダイオードが開発されつつある。
【０００５】
しかし、ワイドギャップ半導体は、原理的に緩和定数が大きく反転分布を形成しにくく、電流注入型の励起によらなければ小型化が困難であるという本質的な問題を有する。さらに、ドーピングが難しく、ｐｎ接合を作りにくいという問題もある。
【０００６】
図７（ｂ）は、第２高調波を発生させるメカニズムを表す。このメカニズムにおいては、第２高調波の発生媒体は、基底状態ＧＳと励起状態ＥＳとの中間に仮想準位ＶＳを有する。そして、この仮想準位ＶＳまでのエネルギを有する励起光ｈν１を照射することにより、電子を基底状態ＧＳから仮想準位ＶＳを介して励起状態ＥＳへと段階的に励起することができる。このようにして励起した電子が励起状態ＥＳから基底状態ＧＳへと遷移する際に、励起光の半分の波長を有する光ｈν２が放出される。
【０００７】
しかし、このようなメカニズムによる第２高調波の発生は、仮想遷移状態を用いるため、その変換効率は高くない。また、励起光のパワーが高いものに限定される。更に、小型化を目指してレーザを導波路型の構造とした場合に位相整合が難しく、一方で、バルク型の構造とすると素子が大型化せざるを得ないという問題があった。
【０００８】
図７（ｃ）は、アップコンバージョンにより短波長光を発生するメカニズムを表す。すなわち、アップコンバージョン媒質は、基底状態ＧＳと励起状態ＥＳとの間に、仮想的な準位ではなく、実在の準位ＲＳを有する。そして、基底状態ＧＳから準位ＲＳ及び準位ＲＳから励起状態ＥＳまでのエネルギを有する励起光ｈν１、ｈν２をそれぞれ照射することにより、電子を状態ＧＳから実在準位ＲＳを介して状態ＥＳへと段階的に励起し、このようにして励起した電子が励起状態ＥＳから基底状態ＧＳへと遷移する際に、励起光の半分の波長を有する光ｈν３が放出される。このようなアップコンバージョンにおいては、励起過程に仮想遷移が介在せず、リアルな遷移だけなので、第２高調波にくらべて原理的に効率が高い。なお、図７（ｃ）においては簡単のために、実在の準位ＲＳをひとつだけ表したが、後に詳述するように、基底状態ＧＳと励起状態ＥＳとの間には複数の順位ＲＳが存在していてもよい。
【０００９】
レーザ素子に用いるアップコンバージョン媒質としては、Ｈｏ３＋、Ｔｍ３＋、Ｐｒ３＋あるいはＰｒ３＋／Ｙｂ３＋などを含有したフッ化ジルコニウム系ガラスを挙げることができる。これらの媒質は、いずれも単一モードファイバ中での発振が確認されている。また、その他にも、ＡＢＸＬｎ１−ＸＡｌＯ４（ここで、ＡはＣａ２＋またはＳｒ２＋であり、ＢはＴｍ３＋、Ｐｒ３＋またはＥｒ３＋であり、ＬｎはＧｄ３＋またはＬａ３＋であり、Ｘは０．００１≦Ｘ≦０．２の範囲にある）。これらの媒質を開示する文献としては、特開平５−９０６９３号公報を挙げることができる。また、Ｎｄ３＋を用いる例が特開平１０−４１５７７号公報に記載されている。
【００１０】
アップコンバージョン媒質を用いたアップコンバージョン・レーザとしては、当初は、Ｔｍ３＋の１Ｄ２−３Ｈ４遷移（波長４５５ｎｍ）及び１Ｇ４−３Ｈ６遷移（波長４８０ｎｍ）について、Ｋｒ＋レーザの波長６４７．１ｎｍと波長６７６．４ｎｍの２波長同時励起により、７７Ｋで発振した。室温では、Ｈｏ３＋の５Ｓ２−５Ｉ８遷移（波長５５０ｎｍ）及び５Ｓ２−５Ｉ７遷移（波長７５３ｎｍ）によってレーザ発振が達成された。この励起には、Ｋｒ＋レーザの６４７．１ｎｍが用いられている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
アップコンバージョンをさらに分類すると、図８（ａ）に表したように基底状態ＧＳからひとつの励起準位ＲＳを介して最終励起状態ＥＳに励起するような場合と、図８（ｂ）に第１励起ＲＳ１から第２励起準位ＲＳ２を介して最終励起状態ＥＳに励起するような場合がある。実際には、さらに多くの励起準位が存在する場合も多い。
【００１２】
しかし、アップコンバージョンにおいては、これら中間の励起準位から基底状態への緩和過程が生ずる場合があり、これにより効率が低下しやすいという問題があった。
【００１３】
図９は、アップコンバージョンにおける緩和過程を説明する概念図である。すなわち、同図（ａ）に表した例においては、励起準位ＲＳに励起された電子が基底状態ＧＳに落ち込む緩和過程ＲＬが生じている。また、図９（ｂ）に表した例においては、第２励起準位ＲＳ２から基底状態ＧＳへの緩和過程ＲＬが生じている。このような緩和過程が生ずると、最終励起状態ＥＳや第２励起準位ＲＳ２への励起の効率が低下し、その結果として、アップコンバージョン効率が低下するという問題が生ずる。
【００１４】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、アップコンバージョンにおいて中間の励起準位から基底状態への緩和過程を抑制する新規な構成を有するアップコンバージョン光素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、１光子で励起される実準位をエネルギー状態として有するアップコンバージョン媒質と、前記アップコンバージョン媒質を含み、光の波長のオーダの周期的な屈折率の分布を有するフォトニック構造体とを備え、前記フォトニック構造体は、前記アップコンバージョン媒質の前記実準位から基底状態への緩和過程により発生する光の波長に対応し、かつ前記屈折率の分布に対応したフォトニックバンドギャップを有することを特徴とするアップコンバージョン光素子が提供される。
【００１６】
ここで、前記空間は、フォトニック構造体により形成されてなるものとすることができる。
【００１７】
また、前記フォトニック構造体は、前記屈折率の分布に対応したフォトニックバンドギャップを有し、前記フォトニックバンドギャップは、前記アップコンバージョン媒質において生じうる緩和過程により発生する光の波長に対応するものとすることができる。
【００１８】
また、前記アップコンバージョン媒質は、基底状態と励起状態との間に複数の励起準位を有し、前記緩和過程は、前記複数の励起準位のいずれかから前記基底状態への遷移に対応するものとすることかできる。
【００１９】
また、前記フォトニック構造体の少なくとも一部が前記アップコンバージョン媒質からなるものとすることができる。
【００２０】
また、前記アップコンバージョン媒質は、デンドリマーを含むものとすることができる。
【００２１】
また、前記フォトニック構造体に応力を付加しあるいは温度を変化させることにより変形させる手段をさらに備えることにより、フォトニックバンドギャップを調節して効率を改善し、あるいは光変調やスイッチングも可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
アップコンバージョンにおいて励起準位から基底状態への緩和過程が生ずる場合、その遷移に伴った発光が生ずる。従って、この緩和発光を強制的に抑制することができれば、緩和過程による効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００２３】
本発明者は、この点に着目し、アップコンバージョン媒質を、その緩和発光の波長の光が存在できない場に設けることを着想するに至った。このような「場」は、フォトニック構造体により形成することができる。
【００２４】
図１は、本発明のアップコンバージョン光素子の要部構成を概念的に表す説明図である。すなわち、同図は、本発明のアップコンバージョン光素子の波長変換部を表し、この波長変換部は、フォトニック構造体ＰＳの内部にアップコンバージョン媒質ＵＣの要部が閉じこめられた構成を有する。あるいは、アップコンバージョン媒質ＵＣそれ自身を、フォトニック構造体ＰＳの構成要素の全部または一部としても良い。
【００２５】
ここで、「フォトニック構造体」とは、屈折率の空間的な分布が光の波長のオーダで１次元乃至３次元的周期性を有するものをいう。その典型的なものとしては、屈折率の異なる２種類以上の媒質を光の波長のオーダで１次元乃至３次元的に周期的にならべた「フォトニック結晶」を挙げることができる。
【００２６】
フォトニック構造体は、その周期的な屈折率分布に応じた光の波数と振動数すなわち光子エネルギとの関係がバンド構造を示す（E.Yablonovitch,Phys.Rev.Lett.58(20),2059(1987)）。この現象は、半導体中の電子のエネルギが周期的なポテンシャルの中でバンド構造を示す現象と類似したものである。そして、フォトニック構造体では、どの方向にも光が伝搬しない「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれる波長領域を出現させることが可能である。つまり、フォトニック構造体においては、フォトニックバンドギャップの範囲内のエネルギー（波長）の光は存在できないことになる。
【００２７】
図２は、フォトニック構造体における光の透過スペクトルを例示するグラフ図である。すなわち、同図の例においては、波長約５５０〜６５０ｎｍの範囲において光の透過率がほぼゼロとなり、このフォトニックバンドの範囲の光が存在できないことを表している。
【００２８】
フォトニック構造体のいくつかの具体例を以下に説明する。
（１）第１の例として、酸化けい素微小球を含有するコロイド溶液から溶媒を除いて酸化けい素微小球を結晶化することにより得られるフォトニック結晶がある。この形成方法は、酸化けい素微小球の自己配列を利用しており、得られるフォトニック結晶はｏｐａｌ型と呼ばれる。この方法では、比較的容易に大きな繰り返し周波数の結晶が得られる（H.Miguezら、appl.Phys.Lett.71(9),1148(1997)）。
【００２９】
（２）第２の例として、ウッド・パイル（Wood-Pile）法（S.Nodaら、Jpn.J.Appl.Phys.,35,L909(1996)）により得られるフォトニック結晶がある。この方法では、半導体微細加工技術を利用して、２つの基板上にそれぞれ角材を並べたような構造を形成し、その角材部分が直交するように２つの基板を対向させて接着した後、片方の基板をエッチングで除くことにより、「角材」を２層重ねた構造を形成する。同様に「角材」を表面に並べた基板を用意し、精密な位置合わせによる接着とエッチングを繰り返すことにより、角材を１層ずつ積み上げていく。この方法では、全方位にフォトニックバンドギャップが開くダイヤモンド構造を作製できる。
【００３０】
（３）第３の例として、オートクローニング法と呼ばれる方法（川上他，特開平１０−３３５７５８号）により得られるフォトニック結晶がある。この方法では、リソグラフィーにより石英または半導体の基板に２次元の周期的な凸凹パタンを形成し、バイアススパッタ法により下層の凸凹パタンを再現しながら、薄膜を多層に積層する。このようにして最初に凸凹パタンを刻んだ基板の内面方向およびその面に垂直な積層方向に３次元的な周期構造を作製する。この方法は、ｏｐａｌ型フォトニック結晶の製造方法より信頼性および再現性がよく、また、ウッドパイル法ほどは複雑で手間のかかる微細加工プロセスを必要としないことから、積層方向に比較的多くの周期を持つフォトニック結晶を作製できる。
【００３１】
（４）第４の例として、光の干渉パタンを利用して得られるフォトニック結晶がある（常友，小山，特開平１０−６８８０７号）。この方法では、１次元的に積層した多層の薄膜に干渉パタンを焼き付けるようにレーザー光を照射することにより、光強度の強い部位での溶融・蒸発やアブレーションを利用して多層膜の膜面に垂直な方向に周期的な切り込みを入れ、フォトニック結晶を作製する。この方法ではレーザーの干渉パタンによって周期構造を作製する際に、多くの周期を１度に形成でき、効率の良い方法と考えられる。
【００３２】
再び図１に戻って説明すると、本発明のアップコンバージョン光素子は、同図に表したように、フォトニック構造体ＰＳの内部にアップコンバージョン媒質ＵＣの要部が閉じこめられている。具体的には、後に実施例として詳述するように、例えば、フォトニック構造体の「隙間」にアップコンバージョン媒質を充填する構成などを用いることができる。または、アップコンバージョン媒質がフォトニック構造体の一部を構成しても良く、あるいは、アップコンバージョン媒質によってフォトニック構造体を構成しても良い。例えば、互いに屈折率が異なる２種類のアップコンバージョン媒質を光の波長のオーダで配置すれば、これがそのままフォトニック構造体ＰＳを構成する。
【００３３】
そして、このフォトニック構造体ＰＳとして、アップコンバージョン媒質ＵＣにおいて生じうる緩和過程の遷移に対応したフォトニックバンドギャップを有するものを用いる。
【００３４】
図３は、本発明のアップコンバージョン光素子において生ずる遷移を表す概念図である。
【００３５】
すなわち、同図（ａ）に表したように基底状態ＧＳからひとつの励起準位ＲＳを介して最終励起状態ＥＳに励起するような場合には、励起準位ＲＳに励起された電子が基底状態ＧＳに落ち込む緩和過程ＲＬにより発生する光の波長に対応したフォトニックバンドを有するフォトニック構造体ＰＳにより、アップコンバージョン媒質ＵＣを閉じ込める。すると、アップコンバージョン媒質において緩和過程ＲＬに対応する光が存在できないために緩和過程が制限されて電子は励起準位ＲＳに長く留まり、励起状態ＥＳに高い効率で励起されるようになる。
【００３６】
同様に、同図（ｂ）に表したような２つの励起準位ＲＳ１、ＲＳ２を介した遷移が生ずる場合にも、緩和過程ＲＬに対応するフォトニックバンドギャップを有するフォトニック構造体の中にアップコンバージョン媒質ＵＣを閉じ込めることにより、電子の緩和過程を抑制し、励起状態ＥＳへの励起効率を大幅に改善することできる。
【００３７】
以上説明した作用効果は、基底状態ＧＳから３以上の励起準位を介して励起状態ＥＳに励起される場合においても同様に得ることができる。すなわち、生じうる緩和過程に対応したフォトニックバンドギャップを有するフォトニック構造体の中にアップコンバージョン媒質ＵＣを閉じ込めれば良い。ここで、複数の緩和過程が生じうる場合には、もっとも発生確率の高い緩和過程に対応したフォトニックバンドギャップを有するフォトニック構造体を選択することが望ましい。
【００３８】
また、図３（ａ）に表した遷移の場合、緩和過程ＲＬが励起光ｈν１と同一あるいは近似した波長を有する。この場合に、緩和過程ＲＬを抑制するようにフォトニックバンドギャップを選択すると、励起光ｈν１も制限され、フォトニック媒質を励起しにくくなる場合がある。
【００３９】
従って、本発明においては、図３（ｂ）に例示したように、緩和過程ＲＬと励起光の波長が異なる遷移を有するアップコンバージョン媒質を用いると、より顕著な効果が得られる。
【００４０】
アップコンバージョン媒質ＵＣとしては、前述したように、ネオジウムイオン等を含むガラスを用いることができる。さらに、多数の分岐構造を有する「デンドリマー（Dendrimer）」を用いると、分岐がエネルギーを集めるアンテナの役割を有するために、多光子励起を効率よく発生させ、アップコンバージョンの効率を向上することができる。
【００４１】
さらに、フォトニック構造体ＰＳのバンドギャップは、その周期性すなわち格子定数を変化させることにより調節することができる。従って、フォトニック構造体の周期性を機械的、電気的あるいは温度的に変化させうる機構を附置させることにより、フォトニックバンドギャップを調節し、アップコンバージョン媒質の緩和過程ＲＬに精度良く合致させることができる。
【００４２】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００４３】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、一次元的な積層構造を有するフォトニック構造体にアップコンバージョン媒質を閉じ込めたレーザ素子について説明する。
【００４４】
図４は、本実施例のアップコンバージョン光素子の要部断面構成を表す概念図である。すなわち、本実施例の光素子１０Ａは、１次元フォトニック構造体を形成するため、層厚が８０ｎｍのＢａＴｉＯ３層１２と、層厚が８０ｎｍのＮｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７微結晶含有ガラス層１４とを交互に１００層積層した積層体を有する。すなわち、この積層体は、一次元的なフォトニック構造体を構成し、且つその一部はアップコンバージョン媒質であるガラス層１４により構成されている。この一次元的フォトニック構造体においては、５８０ｎｍから６４０ｎｍまでの波長帯で光が透過できないフォトニックバンドギャップを有する。
【００４５】
この積層体の後面には、少なくとも３８０ｎｍ〜４２０ｎｍまでの波長でほぼ１００％反射するコーティング１８を形成した。また、積層体の前面には、同じ波長範囲で８０％の反射率を有するコーティング１６を形成した。この光素子１０Ａは、８０３ｎｍの波長の光を透過するため、励起光Ｌ１として、時間幅１０ナノ秒、波長８０３ｎｍのＴｉ：サファイアレーザを入射した。励起光Ｌ１の入射ピークパワー密度は、約１ＭＷ／ｃｍ２とした。
【００４６】
室温で発振するアップコンバージョンレーザの材料の例として、Ｎｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７が特開平１０−４１５７７号公報に開示されている。この材料は８０６ｎｍの近赤外半導体レーザで励起され、３度のアップコンバージョン過程を経て３９０ｎｍ付近及び４１５ｎｍ付近で発振する。しかし、６００ｎｍ付近で大きな発光が観測されている。これは、アップコンバージョンのプロセスの中で、一部の励起電子が発光で緩和しているものであり、この緩和過程が発振効率を下げている。従って、この発光を抑えることにより発振効率を上げることが可能になる。
【００４７】
比較のための試料として、図４の構成からＢａＴｉＯ３層１２を除いた構造のレーザ素子を用意した。そして、両者のレーザ発振光はフォトダイオードでモニタし、その発振強度信号を比較した。
【００４８】
図５は、本実施例と比較例の励起パワー強度に対する発振パワー強度の関係を表すグラフ図である。すなわち、本実施例及び比較例の試料共にレーザ発振したが、本実施例のほうがスロープ効率（発振のパワー変化／励起光のパワー変化）が圧倒的な高いことが分かった。
【００４９】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、グレーティング（回折格子）を用いたフォトニック構造体にアップコンバージョン媒質を閉じ込めたレーザ素子について説明する。
【００５０】
図６は、本実施例のアップコンバージョン光素子の要部断面構成を表す概念図である。すなわち、本実施例の光素子は、グレーティングを向かい合わせた構造のグレーティングペア型フォトニック構造体を有する。このフォトニック構造体を開示した文献としては、特開平１０−８３００５号公報を挙げることができる。このような構造体も１次元フォトニック結晶と同様の作用を有する。
【００５１】
すなわち、ガラス基板２２の表面にレジスト層２３を形成し、その表面に１周期のピッチが約１６０ｎｍのグレーティング２４を形成した。これを２つ用意し、それぞれにＢａＴｉＯ３層２５を厚さ１００ｎｍスパッタした上に、アップコンバージョン媒質としてＮｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７微結晶含有ガラス層２６を厚さ１００ｎｍスパッタした。次に、これらを図６に表したように、向かい合わせて接合した。
【００５２】
また、比較例として、レジスト層２３の表面にグレーティング２４を形成しない試料を作製した。前述した第１実施例と同様の評価を行なった結果、いずれの光素子もレーザ発振したものの、本実施例の光素子の方が比較例よりも発振スロープ効率が圧倒的に高いことが分かった。
【００５３】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、アップコンバージョン媒質としてデンドリマーを用いた光素子について説明する。相田らは、「化学」Ｖｏｌ．５３、Ｎｏ３、（１９９８）において、デンドリマーの５光子励起が存在することを報告している。そこで、図４に表した第１実施例の構成において、Ｎｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７の代わりに、デンドリマーＬ５ＡＺＯおよびレーザ色素ＩＲ−５を用いたアップコンバージョン光素子を作成した。この時の各層の層厚は、デンドリマー／色素層と、ＢａＴｉＯ３層ともに１．６５μｍとした。これに赤外線モノクロメータで発生させた１６００ｃｍ−１（６．２５μｍ）の励起光Ｌ１を照射した。その結果、この光素子こから波長１．３μｍ近傍の光Ｌ２が観測された。これは、デンドリマーが５光子励起させた電子のエネルギーが色素ＩＲ−５に移動して発光した結果であると考えられる。５光子励起のアップコンバージョンが寄与した光素子の観測は、従来得られなかったものであり、本発明によって電子の緩和過程が大幅に抑制された結果得られたものであると考えられる。
【００５４】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、フォトニック構造体を変型させることにより、フォトニックバンドギャップを調節可能としたアップコンバージョン光素子について説明する。
【００５５】
Ｙｏｓｈｉｎｏら（J. J. A. P, 38A, L786 (1999)）は、圧力を加えることによって有機オパールのフォトニック結晶のフォトニックバンドが変化することを報告している。これと同様の方法で、Ｎｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７のポリマーオパールを作製した。その結晶構造は、Ｆ．Ｃ．Ｃ．（面心立方型）であり、球状のＮｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７（２５０ｎｍ径）がｐｏｌｙ（2-methoxy-5-dodecyloxy-p-phenylenevinylene）中に含まれてなる。
【００５６】
このフォトニック構造体においては、光の透過スペクトル中に、フォトニックバンドギャップに対応して光が透過しにくい吸収領域が約２０ｎｍの半値幅で出現する。そして、この構造体に対して、その全体の長さを１として０．３８分が縮まるように１軸性の圧力を加えると、この吸収領域のピーク波長が、波長５７０ｎｍから波長７００ｎｍまでの範囲で変化した。
【００５７】
これに、第１実施例と同様に８０３ｎｍの励起光Ｌ１を入射し、３９０ｎｍと４１５ｎｍの発光Ｌ２をモニタした。そして、この光素子に１軸性圧力を加えると、発光量が変化することが確認された。
【００５８】
一方、一般に有機物は熱膨張係数が大きい。本実施例の有機オパールの熱膨張係数も、約１×１０−４／Ｋであった。そこで、ペルチェ素子をこのフォトニック構造体に接触させ、２０℃から１２０℃まで温度を上昇させると格子定数を約１パーセント大きくすることができる。１軸性圧力を印加しない状態で１２０℃ままで温度を上げた場合に、吸収領域のピーク波長は５７０ｎｍから５７４ｎｍにシフトした。そこで圧力を加えることより最大の発光量になるように調節した後、さらに温度を上げたところ、発光量がわずかであるが変化し、発光量をさらに１〜２パーセント大きくすることができた。
【００５９】
また、本実施例においては、フォトニック構造体を変型させることによりフォトニックバンドを変化させ、緩和過程による光の波長に対してフォトニックバンドギャップを合致させあるいはずらすことが可能となる。この現象を応用すると、フォトニック構造体を変型させることにより発光強度を変化させる光変調機能乃至光スイッチング機能を付与したり、あるいは、応力や温度により発光強度が変化する応力センサあるいは温度センサとしての機能を得ることもできる。
【００６０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、本発明において用いることができるフォトニック構造体としては、従来「フォトニック結晶」と称されているものも含めた種々の構造体を挙げることができる。さらに、そのような従来の材料による従来のフォトニック構造体の「隙間」をアップコンバージョン媒質で充填するようにしても良く、あるいは、これらのフォトニック構造体の一部をアップコンバージョン媒質により置き換えても良く、あるいはこれらのフォトニック構造体の全てをアップコンバージョン媒質により置き換えても良い。
【００６１】
さらに、光素子の構成も、励起光源を内蔵するものでも良く、外部からの励起光を受けて発光するものであってもよい。さらに、光変調素子や受光素子などを併せ持つものであっても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、緩和過程による発光に対応するフォトニックバンドを有するフォトニック構造体の中にアップコンバージョン媒質を閉じ込めることにより、アップコンバージョンを極めて高い効率で生じさせ、高性能のアップコンバージョン光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアップコンバージョン光素子の要部構成を概念的に表す説明図である。
【図２】フォトニック構造体における光の透過スペクトルを例示するグラフ図である。
【図３】本発明のアップコンバージョン光素子において生ずる遷移を表す概念図である。
【図４】本発明の第１実施例のアップコンバージョン光素子の要部断面構成を表す概念図である。
【図５】第１実施例と比較例の励起パワー強度に対する発振パワー強度の関係を表すグラフ図である。
【図６】本発明の第２の実施例のアップコンバージョン光素子の要部断面構成を表す概念図である。
【図７】短波長を得るための３つの手法の原理を説明するための概念図である。
【図８】（ａ）は基底状態ＧＳからひとつの励起準位ＲＳを介して最終励起状態ＥＳに励起するような場合を表し、（ｂ）は第１励起ＲＳ１から第２励起準位ＲＳ２を介して最終励起状態ＥＳに励起するような場合を表す。
【図９】アップコンバージョンにおける緩和過程を説明する概念図である。
【符号の説明】
ＰＳ  フォトニック構造体
ＵＣ  アップコンバージョン媒質
ＧＳ  基底状態
ＲＳ  励起準位
ＥＳ  励起状態
ＲＬ  緩和過程
Ｌ１  励起光
Ｌ２  放出光
１２  ＢａＴｉＯ３層
１ ４  Ｎｄ０．２Ｙ０．８Ｂａ２Ｃｌ７微結晶含有ガラス層
１６、１８  コーティング
２２  ガラス基板
２３  レジスト層
２４  グレーティング
２５  ＢａＴｉＯ３層
２６  アップコンバージョン媒質
【図１】
0003940553.tif 000002
【図２】
0003940553.tif 000003
【図３】
0003940553.tif 000004
【図４】
0003940553.tif 000005
【図５】
0003940553.tif 000006
【図６】
0003940553.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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