CN104040419B - 拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法、和使用拉曼散射光增强设备的拉曼激光光源 - Google Patents

拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法、和使用拉曼散射光增强设备的拉曼激光光源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种拉曼散射光增强设备。在半导体基板中形成有空孔(20a)的光子结晶(20)中，相对于入射光具备以多个频率具有共振模式的波导，一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与所述半导体基板的拉曼位移频率相等，并且设定所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向，以使得通过所述两个共振模式的电磁场分布和所述半导体基板的拉曼张量来表达的拉曼跃迁概率成为最大。

Description

拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法、和使用拉曼散射光增强设备的拉曼激光光源
技术区域
本发明涉及拉曼散射光增强设备，特别是可应用到使用了在半导体基板中形成有空孔的光子结晶的光波导或光谐振器中的拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法。此外，还涉及使用该拉曼散射光增强设备的拉曼激光光源。
背景技术
在专利文献1中，公开了一种拉曼散射光增强设备，其形成为：在由硅形成的平板中以具有二维周期构造的方式形成多个空孔的平板型二维光子结晶中，能够引起感应拉曼散射。专利文献1的拉曼散射光增强设备，具有通过同时设置构造参数不同的二维光子结晶而形成的面内异形构造，通过该构造参数的不同，来实现利用了模式间隙差的光禁闭。
在专利文献1的拉曼散射光增强设备中，具有通过由在光子结晶中形成的线状的缺陷构成的波导构成的光谐振器，且设置有2个反射部，以实现针对入射光的波长和对象介质的拉曼散射光的波长各自的各个共振模式。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】JP特开2008-241796号公报
发明内容
发明要解決的问题
根据专利文献1所公开的拉曼散射光增强设备，由于能够通过光谐振器在规定区域内较强地禁闭由感应拉曼散射产生的拉曼光，因此能够高效地获得拉曼散射光。这样的拉曼散射光增强技术，将来而言，作为与实现使用光子结晶的拉曼激光相关的技术，正倍受关注。使用光子结晶的拉曼激光，虽然作为能够获取现有的半导体激光所无法对应的波段的激光光的技术，且作为即使如硅那样的间接跃迁型半导体也能够创出激光光的技术而正被期待实用化，但一般而言，公知拉曼散射光的强度非常低，即使利用专利文献1的拉曼散射光增强设备，也不容易实现低阈值的激光振荡。因此，正谋求一种用于获得更强的拉曼散射光的增强设备。
然而，在硅基板中制作如专利文献1那样的拉曼散射光增强设备时，一般而言，要使用解理容易的[110]方向或与它等效的方向。相对于此，本申请发明人，专心研究的结果，关注于拉曼散射光的强度(拉曼跃迁概率)取决于材料基板的结晶方位面，从与现有技术完全不同的新观点出发，提出一种用于获取更强的拉曼散射光的技术。
作为本发明的目的，提供一种通过对波导的形成方向进行最佳化就能够获取更强的拉曼散射光的拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法。
解决问题的方法
在实施方式中，一种拉曼散射光增强设备，在半导体基板中形成有空孔的光子结晶中具备相对于入射光以多个频率具有共振模式的波导。此外，一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与所述半导体基板的拉曼位移频率相等，并且设定所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向，以使由所述两个共振模式的电磁场分布和所述半导体基板的拉曼张量来表达的拉曼跃迁概率成为最大。
在实施方式中，所述两个共振模式是基底导波模式和第一激励导波模式。
在实施方式中，所述半导体基板是硅，并且所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向是所述硅的结晶方位[100]方向、或者与它等效的面方位。
在实施方式中，在由所述光子结晶中形成的线状的缺陷构成的所述波导中具有光谐振器，该光谐振器具有使周围的光子结晶的构造变化为在该波导的中途使传播波段错开的一对光反射面。
在实施方式中，所述一对光反射面，将基底导波模式的光和第一激励导波模式的光两者反射。
在实施方式中，拉曼激光光源具有：拉曼散射光增强设备，其在半导体基板中形成有空孔的光子结晶中具备相对于入射光以多种频率具有共振模式的波导，一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与半导体基板的拉曼位移频率相等，并且设定半导体基板的结晶方位面中的波导的形成方向，以使由两个共振模式的电磁场分布和半导体基板的拉曼张量来表达的拉曼跃迁概率成为最大，在由光子结晶中形成的线状的缺陷构成的波导中具有光谐振器，该光谐振器具有使周围的光子结晶的构造变化为在该波导的中途使传播波段错开的一对光反射面，一对光反射面，将基底导波模式的光和第一激励导波模式的光两者反射；和激励光光源，其输出第一激励导波模式的光，激励光光源输出的第一激励导波模式的光被输入到拉曼散射光增强设备的光谐振器。
在实施方式中，激励光光源可以是激光光源。
在实施方式中，激励光光源可以是发光二极管。
在实施方式中，激励光光源可以形成在形成有光子结晶的半导体基板上。
在实施方式中，一种拉曼散射光增强设备的制造方法，所述拉曼散射光增强设备在半导体基板中形成有空孔的光子结晶中具备相对于入射光以多个频率具有共振模式的波导。此外，该拉曼散射光增强设备的制造方法包括：设定所述光子结晶的空孔的大小或配置，以使一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与所述半导体基板的拉曼位移频率相等的阶段；和设定所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向，以使由所述两个共振模式的电磁场分布和所述半导体基板的拉曼张量来表达的拉曼跃迁概率成为最大的阶段。
发明效果
根据本发明，通过将波导的形成方向最佳化，能够获取更强的拉曼散射光，能够实现拉曼激光的连续振荡、尺寸最小化、省电力化、因可大量生产而带来的低成本化。
附图说明
图1是表示本实施方式的光谐振器的概略结构的图。
图2是表示二维光子结晶的概略结构的图。
图3是放大了二维光子结晶的中央部分，来表示该导波模式的模样的图。
图4是表示二维光子结晶中所形成的基于两个导波模式(能级)产生的谐振模式的电磁场的模样的图，图4(a)～图4(c)表示将激励光禁闭的第一激励导波模式的电磁场的模样，图4(d)～图4(f)表示将拉曼散射光禁闭的基底导波模式的电磁场的模样。
图5是表示二维光子结晶的制造方法的流程图。
图6是说明硅(SOI)基板中的面方位的图。
图7是表示波导的形成方向为[100]时的拉曼张量的图。
图8是表示波导的形成方向为[110]时的拉曼张量的图。
图9是表示拉曼跃迁概率的倒数与波导的形成角度的关系的图形。
图10是表示将第一激励导波模式用的波导与基底导波模式用的波导与形成对拉曼散射光进行放大的元件即微小谐振器的波导并联制作的样品的图。
图11是表示使用外部光源来激励激励模式时，从拉曼模式释放出的拉曼散射光光谱的图形。
图12是表示其它实施方式的拉曼光散射光增强设备的概略结构的图。
图13是表示其它实施方式的拉曼散射光增强设备的概略结构的图。
图14是表示拉曼激光光源所输入的泵浦光的功率、与从拉曼激光光源输出的感应拉曼散射光的功率的关系的图形。
具体实施方式
[实施方式1]
以下，参照附图，作为拉曼散射光增强设备的一例来说明光谐振器100。
[1.光谐振器的结构]
图1是表示使用了二维光子结晶20的光谐振器100的概略结构的图。二维光子结晶20是在硅中排列有多个空孔20a的构造。光谐振器100构成为：若使从激光二极管(LD)10经过透镜光纤11而射出的激光光(波长是1435nm)从入光器12射入至输入波导13，则经过输出波导15使新的波长的激光光(波长为约1550nm)通过出光器30聚光而被引导至透镜光纤31。
如图2放大所示，二维光子结晶20是在平板型的硅基板中，周期地设置有空孔20a的构造。若从A方向向输入波导13入射激励用的激光光，则在图中央的微小谐振器14中，通过感应拉曼散射进行波长变换，经输出波导15，从B方向射出新的波长的激光光。二维光子结晶20中的空孔20a的间隔，除了微小谐振器14的附近区域以外，成为约400nm，另一方面，在微小谐振器14的附近区域中，微调空孔的位置，以实现利用了模式间隙差的光禁闭。
即，在二维光子结晶20中，光谐振，通过由光子结晶中形成的线状的缺陷构成的波导来实现，并且通过以在该波导的中途错开传播波段的方式，使周围的光子结晶的构造变化，且设置一对光反射面来实现。具体而言，通过使光反射面的区域的光子结晶的空孔的大小变化，或使空孔的位置或间隔稍微变化(例如，接近波导，或远离波导)，能够使周围的光子结晶的构造变化。
图3是对二维光子结晶20的微小谐振器14附近的光子结晶构造进行放大，来表示其共振模式的模样的图。共振模式的频率，由于取决于有效折射率，因此，如图3所示，在二维光子结晶20中，在微小谐振器14附近的空孔位置被实施了调制，空孔的间隔成为按照每个区域变化为410nm、420nm、410nm的异形构造。
如图3所示，在实施了这种调制的区域中，存在更高能级的“激励模式”(第一激励导波模式)和从该能级降低了15.6THz(硅的拉曼位移频率)的能级的“拉曼模式”(基底导波模式)，在各个能级中，形成有井型势能。
虽然通过该井型势能会产生光的禁闭，但上述能级，如图3的左侧区域(波数空间中的带图)所示，当将频率设为纵轴，将波数矢量设为横轴时，“激励模式”(第一激励导波模式)成为：垂直方向的磁场分量的奇偶性相对于波导中心轴为奇，“拉曼模式”(基底导波模式)成为：垂直方向的磁场分量的奇偶性为偶。
在二维光子结晶20中，通过对波导周边的各空孔20a的位置或直径进行微调，来分别调整基底导波模式和第一激励导波模式的各频率，并设计为能够在激励光和拉曼散射光的谐振中使用。例如，将波导周边的各空孔20a的位置稍微接近或远离波导，使空孔20a彼此之间的间隔变化，或使空孔20a的直径的大小变化。此外，实际上进行这样的微调时，比较简便的方法是：制作多个使空孔的直径稍微变化的样品，并选出使基底导波模式和第一激励导波模式的频率差与拉曼位移频率一致的样品。
在本实施方式的二维光子结晶20中，为了使生成的拉曼散射光不向外部逃逸，能够有效地进行禁闭利用，不是如专利文献1那样地设置两组反射部，而是采用通过一组反射部对激励光和拉曼散射光两者进行反射的构成。由此，激励光与拉曼散射光的空间上的重叠增大，能够将激励光和拉曼散射光的导波模式的Q值分别设为100万以上这样非常高的值。而且，在频率差15.6THz不会损坏上述优点，具有在所有光通信波段(1.3～1.6微米)中能够容易实现这样的优点，即波长设计自由度较高。
图4是图示二维光子结晶20中所形成的两个导波模式(能级)的电磁场的模样的图，颜色浓的部分表示电磁场较强。图4(a)～图4(c)，是表示将激励光禁闭的第一激励导波模式的电磁场的模样的图，分别表示：电场分量Ex[图4(a)]、电场分量Ey[图4(b)]、磁场分量Hz[图4(c)]。并且，图4(d)～图4(f)是表示将能量比激励光低的拉曼散射光禁闭的基底导波模式的电磁场的模样的图，分别表示：电场分量Ex[图4(d)]、电场分量Ey[图4(e)]、磁场分量Hz[图4(f)]。如前所述，在第一激励导波模式和基底导波模式中，空间对象性不同，第一激励导波模式成为：垂直方向的磁场分量的奇偶性相对于波导中心轴为奇，基底导波模式成为：垂直方向的磁场分量的奇偶性为偶。
[2.二维光子结晶的制造方法]
接着，使用图5，针对二维光子结晶20的制造方法进行说明。如后所述，在本实施方式中，利用第一激励导波模式和基底导波模式，制作二维光子结晶20，以使波导的形成方向成为硅的结晶方位面[100]方向。
首先，如图5(a)所示，洗净由Si层51、SiO2层52、Si层53构成的层叠基板(SOI基板)。接着，如图5(b)所示，在该层叠基板上涂敷抗蚀剂层54，如图5(c)所示，进行电子线描绘。接着，如图5(d)所示，进行显影并在抗蚀剂层54中设置有空孔的状态下，如图5(e)所示，进行ICP蚀刻，在Si层53转印抗蚀剂层54的空孔图案。接着，如图5(f)所示，在进行表面洗净之后，如图5(g)所示，根据需要进行Si层51的基板研磨。最后，如图5(h)所示，用氢氟酸对SiO2层52进行蚀刻，完成二维光子结晶20。
[3.提高拉曼散射光的强度]
图6是说明硅(SOI)基板中的面方位的图。在[110]方位与[010]方位之间，有45度的角度的差异。在[110]方位上设置有定向平面。以往，在制作波导构造乃至光谐振构造的情况下，一般而言，通过劈开来制作波导端面要设置于容易的[110]方位上。
相对于此，本申请发明人，专心研究的结果，关注于决定拉曼散射光的强度的拉曼张量的值会根据结晶的面方位而发生变化，从与现有技术完全不同的新的观点出发，提出了一种用于获取更强的拉曼散射光的技术。
本实施方式中的拉曼散射光的增强，以使激励模式的共振频率与拉曼模式的共振频率的频率差、和硅的拉曼位移频率(15.6THz)一致为前提，考虑到这两个共振模式的空间对称性与硅的拉曼张量，通过使激励模式与硅的声子相互作用而产生的拉曼散射的电磁场分布、和共振模式的电磁场分布良好地一致来实现。
若换言之，本实施方式，一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与硅的拉曼位移频率相等。此外，本实施方式，设定硅的结晶方位面中的波导的形成方向，以使得通过两个共振模式的电磁场分布和硅的拉曼张量来表示的拉曼跃迁概率g成为最大。
该拉曼跃迁概率g，按如下公式(1)的积分式成比例。
【公式1】
g∝∫Eraman·Rij·EpumpdV…式(1)
在公式(1)中，Eraman表示拉曼模式的电磁场分布，Epump表示激励模式的电磁场分布。Rij表示拉曼张量。Eraman，Epump虽然相对于制作波导的结晶的方位不变，但拉曼张量发生变化。
为了获得较强的拉曼散射光，需要增加公式(1)的值，因此，至少需要使拉曼散射光的电磁场分布与拉曼模式的电磁场分布的空间对称性(偶或奇)一致。所以，在选择的共振模式的组合中，要与拉曼张量相匹配地考虑算法上的选择规则。本实施方式，根据该选择规则，提取拉曼散射光的强度变强的共振模式的组合。
首先，若一般地进行考察，则共振模式被分为如下4类：x方向的对称性为偶、y方向的对称性为偶的类型(类型A)；x方向的对称性为奇、y方向の对称性为奇的类型(类型B)；x方向的对称性为偶、y方向的对称性为奇的类型(类型C)；x方向的对称性为奇、y方向的对称性为偶的类型(类型D)。
然后，考虑由于激励模式与硅的声子的相互作用而产生的拉曼散射的电场分布的空间对称性。硅的声子有在[001]方向、[010]方向、[100]方向上振动的3种。
在硅中，[100]方向和[110]方向有45°的旋转角的不同。此外，在[100]方向和[110]方向的中间的角度的方向上，公式(1)的积分式的大小，由于[100]方向与[110]方向的重合，因而一定要在[100]方向和[110]方向的任一个方向上，公式(1)取极大值。
因此，为了使公式(1)的值，即拉曼散射光的强度最大化，可以将波导的形成方向设为[100]方向时的拉曼跃迁概率g、与将波导的形成方向设为[110]方向时的拉曼跃迁概率g进行比较，采用拉曼跃迁概率g更高的方向。
波导的形成方向为[100]方向时的硅的拉曼张量，如图7所表达。在本实施方式中，激励模式与拉曼模式的偏振，由于仅考虑了在二维光子结晶的面内平行的偏振，因此，在图7之中，仅是由Rij (1)的拉曼张量带来的影响，在结果上会很重要。如此，公式(1)的积分式，被变换如下。
【数2】
g∝∫((Eraman)x(Epump)y+(Eraman)y(Epump)x)dV…式(2)
即，当波导的形成方向朝向硅的结晶方位[100]方向(或者与它等效的[010]方向、[-100]方向等)时，拉曼模式的电磁场分布的空间对称性成为使激励模式的x方向的对称性和y方向的对称性的奇偶发生了调换。
因此，当波导的形成方向朝向硅的结晶方位[100]方向时，使拉曼散射光能够增强的激励模式与拉曼模式的组合，成为如下4种：所述类型A-所述类型B；所述类型B-所述类型A；所述类型C-所述类型D；所述类型D-所述类型C。在除此以外的组合中，公式(2)的积分值为0。
相对于此，波导的形成方向为[110]方向时的硅的拉曼张量，如图8所表达。在本实施方式中，激励模式和拉曼模式的偏振，仅考虑了在二维光子结晶的面内平行的偏振，因此，在图8之中，仅是由Rij (1)的拉曼张量带来的影响，在结果上会很重要。如此，公式(1)的积分式，被变换如下。
【数3】
g∝∫((Eraman)x(Epump)x-(Eraman)y(Epump)y)dV…式(3)
根据公式(3)，当波导的形成方向朝向硅的结晶方位[110]方向时，使拉曼散射光能够增强的激励模式与拉曼模式的组合，成为如下4种：所述类型A-所述类型A；所述类型B-所述类型B；所述类型C-所述类型C；所述类型D-所述类型D。在除此以外的组合中，公式(3)的积分值为0。
由此可知，考虑到物质固有的拉曼张量，来正确地选择用于拉曼散射增强的共振模式，以设定结晶方位面中的波导的形成方向尤为重要。这样的考察，不是根据感应拉曼散射放大光纤的知识就容易得到的。这是因为在具有非晶构造的光纤和由单晶构成的硅等中，拉曼张量的形式完全不同。
总之，在使用二维光子结晶20的拉曼散射的放大中采用的两种共振模式，第一，必须具有与声子频率(拉曼位移频率)一致的恰当的频率差(若是硅则为15.6THz)。而且，电磁场分布必须具有恰当的空间对称性，并在恰当的结晶方位进行制作。在此基础上，还需要选择使公式(1)的积分值增大的组合。此外，为了以谐振器构造来获得较强的拉曼散射光，或以较低阈值来实现激光振荡，优选能够实现Q值较高的模式。
满足所有这些要求的最佳的共振模式对的一例是：作为激励模式而选择第一激励导波模式，作为拉曼模式而选择基底导波模式，并将波导的形成方向设为硅的结晶方位[100]的组合。由于第一激励导波模式的电场分量Ex，相对于x方向和y方向具有偶对称性(所述类型A)，基底导波模式的电场分量Ex，相对于x方向和y方向具有奇对称性(所述类型B)，因此，上述组合，若在硅的结晶方位[100]方向上形成波导，则相当于使公式(1)的积分式(拉曼跃迁概率g)增大的组合。
相对于此，在硅的结晶方位[110]方向上形成波导的共振模式的组合是不利的。这是因为，此时，如前所述，共振模式的组合，若不是如下4种之中的任一者：所述类型A-所述类型A；所述类型B-所述类型B；所述类型C-所述类型C；所述类型D-所述类型D，则拉曼散射光的强度不会增大。但是，由于类型A的奇模的分散曲线为平滑的，因此以奇模彼此间来实现15.6THz的频率差是困难的，另一方面，虽然偶模存在于较宽的频率范围内，但若采用使光难以从线缺陷区域向垂直方向逃逸的波数较大的区域，则以比能够忽视硅的吸收的1200nm长的长波来实现是困难的，若使用波数相差更大的2点，则公式(1)的积分值会变小。
因此，硅的拉曼频率(频率差)为15.6THz，并且若考虑到波数的重叠，则如上所述，作为激励模式而使用第一激励导波模式[参照图4(a)]，作为拉曼模式而使用基底导波模式[参照图4(b)]为最佳。根据该组合，能够通过如图3的构造来获取较高的Q值。
在该组合中，图9是表示拉曼跃迁概率g的倒数(VSRS)与波导的形成角度的关系的图形。参照图9，可知：当波导的形成角度为硅的结晶方位[110]方向或与它等效的方向时，拉曼跃迁概率g的倒数(VSRS)变小(即，拉曼跃迁概率g增大)，另一方面，当波导的形成角度为硅的结晶方位[110]方向或与它等效的方向时，拉曼跃迁概率g的倒数(VSRS)变大(即，拉曼跃迁概率g减小)。
[4.实际的样品制作]
图10是表示在硅的结晶方位[100]设置第一激励导波模式用和基底导波模式用各自的波导而制作的二维光子结晶30的概略图。在二维光子结晶30中，作为得到如15.6Hz差的例示性设计，将晶格常数a设为410nm，将空孔的直径r设为130nm，将硅基板的厚度d设为220nm。
基于该二维光子结晶30的第一激励导波模式与基底导波模式的计算而得到的理想Q值，是第一激励导波模式为150万、基底导波模式为1500万左右，作为能够实现硅的拉曼位移15.6THz差的选择模式，可考虑Q值为最高的组合。作为实际试制了二维光子结晶30的Q值的实验值，我们得到：第一激励导波模式为20万、基底导波模式为300万的值。并未报道有高于它们的值。
与二维光子结晶30相关的公式(1)的积分值(拉曼跃迁概率g)，在考虑空孔的基础上为60％左右，该拉曼跃迁概率g，被认为在所能考虑到的共振模式的组合当中为最高。实际上，可以确认出：在硅的结晶方位[100]方向上设置有波导的二维光子结晶，与在硅的结晶方位[110]方向上设置有波导的二维光子结晶相比，拉曼散射光的强度更高。
图11表示向二维光子结晶30射入激励光后调查了其光谱(曝光时间120秒)的结果。如图11所示，与以往相比，得到非常强的拉曼散射光的峰值。入射光(激励模式)的波长为1415nm，相对于此，经过拉曼位移15.6THz的拉曼散射光(拉曼模式)的波长为1525nm。
[5.效果]
若总结本实施方式的拉曼散射光增强设备的效果，则如下那样。根据本实施方式的拉曼散射光增强设备，由于能够有效地增强从激励光产生的拉曼光，因此，能获得比以往更强的拉曼散射光。此外，由于获得较强的拉曼散射光，因此可涉及实现省电力的拉曼激光。此外，与现有技术不同，提高了能够实现拉曼激光的连续振荡的可能性。而且，能够集成性优异、制作容易、低成本地实现。除此以外，还能够期待通过激励光产生的自由载流子的载流子寿命变短。
[其它实施方式]
作为实施方式的一例，对实施方式1进行了说明。然而，实施方式并不局限于此。以下，是与其它实施方式相关的内容。
在图1中，虽然表示了使用二维光子结晶20的光谐振器100的概略结构，但如图12所示，光谐振器200也可以为与光子结晶在相同的基板上设置半导体激光的一体型构成。在光谐振器200中，若从相同基板上制作的激光二极管(LD)110射出的激光光直接射入输入波导111，则二维光子结晶40构成为经过输出波导112使新的波长的激光光通过出光器120聚光而被引导至透镜光纤121。此外，在激光二极管110中，P结113和N结114构成为经由电源115被连接。或者，也能够在硅上粘贴化合物半导体激光，而使激光二极管和光子结晶呈一体化。
此外，图13表示光放大器300作为拉曼散射光增强设备的其它实施方式。光放大器300具有波导构造，该波导构造不具备在硅的结晶方位[100]方向上具有如图3的左区域所示的带构造的谐振器，通过使用设置用于将该放大激励光导入波导的激励用波导的二维光子结晶50，能够提高前述公式(1)的积分值(拉曼跃迁概率g)，并获得由强感应拉曼散射引起的光放大。
此外，作为上述实施方式，虽然列举了硅作为制作光子结晶的半导体的示例，但半导体示例不局限于此，也能够使用与硅具有相同结晶构造的锗或金刚石等。此外，也可以对硅或锗实施适当的掺杂。
[拉曼激光光源]
发明人，在图1所示的结构中，成功地实现了感应拉曼散射光的连续振荡。图14是表示从图1的LD10向光谐振器100输入激励光(泵浦光)的功率(横轴)、与从谐振器100输出的感应拉曼散射光(以下，称为“拉曼激光光”)的功率的关系的图形。而且此时使用的激励光，是在波长1425nm中具有光谱的峰值的激光光(cw)。
如图14可知：向光谐振器100输入的激励光的功率超过约1μW之后，拉曼激光光(波长1540nm)的功率急剧增大。也就是说，在图1所示的结构中，拉曼激光光的连续振荡是以约1μW的极低的阈值来实现的。
实现连续振荡所需的激励光的阈值(图14中的约1μW)，虽然会根据与光谐振器100的激励光以及拉曼散射光相对应的Q值的高低而变化，但在光谐振器100中的针对激励光(第一激励导波模式)的Q值为约10万(以上)、针对拉曼散射光(基底导波模式)的Q值为约100万(以上)的情况下，光谐振器100的拉曼激光光的连续振荡的阈值，设为激励光功率约为1μW。
如此，在光谐振器100中，若所输入的激励光(cw，中心波长1425nm)的功率超过约1μW，则会产生感应拉曼散射光的激光振荡。然后，从光谐振器100输出具有中心波长1540nm的拉曼激光光。如此，在光谐振器100中，通过1μW的极低的值来实现激光振荡的阈值，由此，在使用光谐振器100作为谐振器来构成拉曼激光光源时，对激励光光源的选择赋予现有技术以上的自由度，是极为有利的优点。
例如，发光二极管(LED)虽然与激光光源相比较具有较宽(broad)的光谱特性，但在使用光谐振器100作为谐振器的拉曼激光光源中，也能够使用LED作为泵浦光光源(激励光光源)。此时，能够通过作为激励光光源的LED、光谐振器100来实现拉曼激光光源。如上述的示例那样，若针对光谐振器100的激励光(第一激励导波模式)的Q值为约10万(以上)，针对拉曼散射光(基底导波模式)的Q值为约100万(以上)，则在从LED向光谐振器100输入的具有比较宽的波段的激励光当中的在以波长(1425nm)为中心线宽正负约5pm的范围(约1424.995nm～1425.005nm的范围)内所包含的激励光的功率超过1μW时，在光谐振器100中会产生由感应拉曼散射光引起的激光振荡，并输出拉曼激光光。
即，光谐振器100能够用作拉曼激光光源的谐振器。此时，激励光光源只要是将具有相当于光谐振器100的激励模式(第一激励导波模式)的波长的光作为激励光而向光谐振器100输入的光源即可。此外，光谐振器100，由于激光振荡的阈值极低至约1μW，因此激励光光源，例如，除了激光光源，还能够使用发光二极管(LED)，此外，并不局限于此。
此外，拉曼激光光源也可以代替光谐振器100而具有光谐振器200(图12)。此时，拉曼激光光源的激励光光源，可以与形成光谐振器200的光子结晶在相同的基板上呈一体构成。该呈一体构成的激励光光源，除了上述激光二极管(LD)110、化合物半导体激光，还可以是发光二极管。发光二极管可以是硅LED、化合物半导体LED等。如此，具有光谐振器200的拉曼激光光源，是与光子结晶在相同的基板上具有激励光光源的电流注入型硅拉曼激光光源。
产业上的利用可能性
本发明的拉曼散射光增强设备、拉曼散射光增强设备的制造方法，通过使用在半导体基板中形成有空孔的光子结晶，能够最小化、省电力化、连续振荡，并且由于制作容易且低成本，因而作为高功能LSI以电器电子领域的IT设备为中心，能够在多个领域中适当应用。
符号的说明
10激光二极管
11透镜光纤
12入光器
13输入波导
14微小谐振器
15输出波导
20二维光子结晶
20a空孔
30出光器
31透镜光纤
100光谐振器

Claims (10)

1.一种拉曼散射光增强设备，
在半导体基板中形成有空孔的光子结晶中具有波导，该波导相对于入射光以多个频率具有共振模式，
一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与所述半导体基板的拉曼位移频率相等，
其特征在于，
设定所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向，以使得由所述两个共振模式的电磁场分布和所述半导体基板的拉曼张量来表达的拉曼跃迁概率成为最大。
2.根据权利要求1所述的拉曼散射光增强设备，其特征在于，
所述两个共振模式是基底导波模式和第一激励导波模式。
3.根据权利要求2所述的拉曼散射光增强设备，其特征在于，
所述半导体基板是硅，并且所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向是所述硅的结晶方位[100]方向、或与所述硅的结晶方位[100]方向等效的面方位。
4.根据权利要求1所述的拉曼散射光增强设备，其特征在于，
在由所述光子结晶中形成的线状的缺陷构成的所述波导中具有光谐振器，该光谐振器具有一对光反射面，该一对光反射面使周围的光子结晶的构造变化为在该波导的中途使传播波段错开。
5.根据权利要求4所述的拉曼散射光增强设备，其特征在于，
所述两个共振模式是基底导波模式和第一激励导波模式，
所述一对光反射面，将所述基底导波模式的光和所述第一激励导波模式的光两者反射。
6.一种拉曼激光光源，具有：
权利要求5所述的拉曼散射光增强设备；和
激励光光源，其输出所述第一激励导波模式的光，
所述激励光光源输出的第一激励导波模式的光被输入到所述拉曼散射光增强设备的所述光谐振器。
7.根据权利要求6所述的拉曼激光光源，其特征在于，
所述激励光光源是激光光源。
8.根据权利要求6所述的拉曼激光光源，其特征在于，
所述激励光光源是发光二极管。
9.根据权利要求7或8所述的拉曼激光光源，其特征在于，
所述激励光光源形成在形成有所述光子结晶的所述半导体基板上。
10.一种拉曼散射光增强设备的制造方法，
所述拉曼散射光增强设备在半导体基板中形成有空孔的光子结晶中具备波导，该波导相对于入射光以多个频率具有共振模式，所述制造方法包括：
设定所述光子结晶的空孔的大小或配置，以使得一个共振模式与另一个共振模式的频率差变成与所述半导体基板的拉曼位移频率相等的阶段，
其特征在于，
所述制造方法还包括：
设定所述半导体基板的结晶方位面中的所述波导的形成方向，以使得由所述两个共振模式的电磁场分布和所述半导体基板的拉曼张量来表达的拉曼跃迁概率成为最大的阶段。
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