JP2006309222A - 量子ドット導波層を含む光導波路および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導波において量子ドットを有する導波路または導波路構造を提供する。
【解決手段】平面導波路１００は、第１のクラッド層１０１および複数の量子ドット１０３を含むガイド層すなわち活性層１０２を含む。活性層１０２上には、第２のクラッド層１０４が配置されている。第１および第２のクラッド層１０１および１０４は、それぞれ活性層１０２の屈折率よりも小さい屈折率を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は平面導波路に関し、特に量子ドットを有する平面導波路に関する。

量子ドットは、材料の電子または正孔のド・ブロイ波長より大きい寸法を有さない小さい粒子としてしばしば定義される。量子閉じ込め効果の結果として、量子ドットの電子物性は、対応するバルクの値とは異なり得る。これらの量子閉じ込め効果は、３次元にわたった電子および正孔の閉じ込めから生じる。例えば、量子ドットのサイズが減少するにつれて、量子閉じ込め効果は、エネルギーギャップにおける増加をもたらし得る。従って、量子ドットのサイズが減少するにつれて、量子ドットから放出された光は、高エネルギー側または短波長側にシフトする。量子ドットのサイズと量子ドットを形成する材料とを制御することによって、量子ドットの特性は、特定の用途用に調整され得る。

量子ドットドープされたガラス材料を使用して、距離を越えて信号の増幅を行うことに対する可能性が期待できる。この目的を達するために、エルビウム半導体光増幅器のように、量子ドットは信号増幅を介して利得を与え得る。或いは、レージングが実現され得る。有利なことには、量子ドット導波路型増幅器およびレーザは、ＧａＡｓ由来の半導体構造よりも簡単であり安価である。

量子ドットを含むガラス材料が知られている。例えば、Ｂｏｒｒｅｌｌｉなどによる米国特許第５，４４９，６４５号は、本願の出願人に譲渡されたものであり、硫化鉛（ＰｂＳ）量子ドットを含むガラス材料を開示している。かかるガラス材料は、ガラス材料となる酸化物とともに、鉛および硫黄の先駆物質を含むバッチから製造される。その後、ガラスは２段階熱処理を受け、ガラス内部にナノ結晶性ＰｂＳ相を生じる。ガラス内に作られた結晶性ＰｂＳ粒子（結晶子として良く言及される）は、前に参照した量子ドットの寸法基準を満たす。従って、量子閉じ込め効果が実現される。この引例は、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）量子ドットの形成を開示している。

ＰｂＳおよびＰｂＳｅ量子ドットの１つの特有な利点は、約１．０μｍからバルク材料のエネルギーギャップ２．５μｍの間にエネルギーギャップを制御自在に位置づけることである。通常の通信波長は、大体１．５μｍであり、これらの構造は、インライン増幅（in-line amplification）（例えば、ポンプ），レーザアプリケーションまたはそれら両方に対して実行可能な選択肢を与える。さらに、ＰｂＳ量子ドットは、光通信学と相対的に強い光非線形性，温度依存性吸収および相対的に強い光ルミネセンスを前提として他の光アプリケーションとにおけるさまざまな用途での使用に対する可能性を有している。

量子ドット構造は、多くの有用な用途を有しているが、光をガイドすることがかかる用途の多くに必要不可欠である。特に、導波路構造によって与えられた光モード閉じ込めは、量子ドットの均一な励起をもたらし且つ多くの通信用途で要求されるように、長距離にわたって均一な励起をもたらすために有用である。

かかるように、導波において量子ドットを有する導波路または導波路構造を製造する活性層の方法が必要とされている。

実施例に従って、量子ドットを有する平面導波路を製造する方法は、ガラス材料を準備するステップと、第１のタイプのイオンを前記ガラス材料に選択的に導入するステップと、
を含み、前記第１のタイプのイオンは、当該ガラス中に存在する第２のタイプのイオンと置き換えられて、前記ガラス材料の選択された領域における屈折率を高めることを特徴とする。

他の実施例に従って、平面導波路は、第１のタイプの成分と量子ドットとを有するクラッド層を含む。当該平面導波路は、前記量子ドットと第２のタイプの成分とを有する活性層をも含み、当該第２のタイプの成分は、前記第１の成分を少なくとも部分的に置換することを特徴とする。

詳細な説明

以下の詳細な説明において、具体的な詳細を開示している実施例は、本発明の理解を与えるために説明されている。実施例は、説明の目的のために説明されており、限定する目的ではない。形式上のさまざまな変更および詳細が、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく実施例になされ得る、ということを当業者は理解するであろう。さらに、周知の材料および方法の説明は、実施例の説明を不明瞭にさせないように省略され得る。それにもかかわらず、当業者の視野内にあるかかる材料および方法は、実施例に従って使用され得る。

図１は、実施例に基づいた平面導波路１００の一部の斜視図である。平面導波路１００は、第１のクラッド層１０１および複数の量子ドット１０３を含むガイド層すなわち活性層１０２を含む。活性層１０２上には、第２のクラッド層１０４が配置されている。第１および第２のクラッド層１０１および１０４は、それぞれ活性層１０２の屈折率よりも小さい屈折率を有している。

図１に示された実施例の導波路は、ＮａＣａ−ホウ化アルミノケイ酸塩（NaCa−boroaluminosilicate）ガラスを含み、このＮａＣａ−ホウ化アルミノケイ酸塩は、約５６％〜６０％のＳｉＯ２，約４％〜６％のＡｌ２Ｏ３，約１６％〜１８％のＢ２Ｏ３，約１０％〜１５％のＮａ２Ｏ，約９％〜１０％のＣａＯおよび０．５％のＰｂＳの範囲の組成を有する。

本願でさらに詳細に説明されているように、特定の実施例において、活性層１０２は、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）に対してカリウムイオン（Ｋ⁺）または銀イオン（Ａｇ⁺）のイオン交換反応を受け、活性層すなわちガイド層１０２，２０２内への光閉じ込めを確実にするように屈折率を適切に上昇させる。或いは、イオン交換は、ガラスのナトリウムイオンに対してルビジウムイオン（Ｒｂ⁺）またはセシウムイオン（Ｃｓ⁺）であり得る。

実施例の説明は、ＰｂＳ量子ドットおよび上述のイオン交換反応物質を含むガラス組成を対象にしているが、これらの材料は実例的であり、他の材料および量子ドット構造が特定の実施例において使用され得る、ということが強調される。例えば、別の量子ドット材料は、ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ₂，Ｃｕ₂Ｏ，ＡｇＣｌ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＯ，ＺｎＳ，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＰｂＳｅまたはＰｂＴｅであるが、これらに限定されるものではない。

当業者には理解されるように、選択された量子ドット材料のエネルギーバンドギャップおよびボーア半径は、それらの光特性および閉じ込めのために選択される。明らかに、異なる用途は、異なる材料の選択を可能にさせる。特定の実施例において、チューニング範囲（波長）は、約１０００ｎｍから約２５００ｎｍである。量子ドット材料は、かかる波長範囲に対して適切なバンドギャップを与えるように選択される。所望のチューニング範囲に応じた同様の検討により、量子ドット材料は、チューニング範囲の所望の波長範囲と一致するバンドギャップエネルギーを有するように選択される。最終的に、これら代わりの量子材料の具体的な詳細は、Alexander L. Efrosなどによる「半導体ナノ結晶」（Kluwer Academic Press/Plenum Publishers(2004),１８頁）に見出される。 この引例は、特に本願の明細書の内容に取り込まれる。

ＰｂＳ量子ドット１０３は、約２．０ｎｍ〜約５．０ｎｍの半径を有し、バルクのエキシトンボーア半径１８ｎｍよりも小さい。従って、量子ドットは、強い３次元閉じ込め制限が対応できる範囲である。さらに、量子ドットは、３００Ｋで約０．４ｅＶのバンドギャップを有し、近赤外スペクトルにわたったグランド励起状態遷移のチューニングを可能にする。もちろん、これは、約１３００ｎｍから約１５５０ｎｍまでの通信伝達帯域を含む。

これらの望ましい特性に加えて、量子ドット１０２は、非線形光特性を与え、当該非線形特性は、ある用途（例えば、レーザ）におけるモードロックおよび改善された利得に有用である。

図２は、実施例に従って量子ドットのガラス材料から導波路を製造する方法のフローチャートである。この方法は、ステップ２０１でガラス材料を準備することを含む。特定の実施例において、ガラス材料は、前述したＮａＣａ-ホウ化アルミノケイ酸塩のガラス材料である。ガラスは、シリカるつぼにおいて１３５０℃でバッチ材料から融解し、続いて研削，粉砕およびガラスの均質性を確実にするための２度のガラスの再融解が行われる。

ステップ２０２で、量子ドットの核形成および成長が行われる。特定の実施例において、核形成は、実例として完了したステップ２０１から約６００℃で約６時間、ガラスを加熱することによって行われる。量子ドットの成長は、核形成後、約６７５℃で約１．５時間ガラスを加熱することによって行われる。この成長シーケンスは、約１５５０ｎｍで１ｓ−１ｓ吸収を有するＰｂＳ量子ドットをもたらすこととなる。他の特定の実施例において、ＰｂＳ量子ドットの成長を促進するための加熱は、６５５℃で約１時間〜約２時間の間、実施され得る。このことは、約１２００ｎｍの吸収端をもたらす。量子ドットのバンドギャップは、成長温度および時間における同様のバリエーションを使用して、異なる吸収端を与えるように設計され得る、ということが重視されている。さらに、他の熱処理が使用され得る、ということが重視される。

ステップ２０３で、実施例の量子ドット導波路構造の活性層を形成するために、マスキングシーケンスが実施される。実例的なマスキングシーケンスは、平面導波路の形成のためである。

最初に、ガラス表面が適切な溶剤を使用して洗浄され、次に脱イオン水（ＤＩ）リンス，ＤＩ超音波洗浄ステップおよび酸素プラズマ洗浄ステップが続けられ、これらの工程全ては、ガラス製造において周知である。特定の実施例において、酸素洗浄は、１５０Ｗ、１００ｍｔｏｒｒで実施される。

次に、標準的な蒸着または他の適切な堆積技術によって、マスキング材料がガラス表面上に堆積される。当該マスキング材料は、イオン交換工程において使用される溶融物質（例えば塩）に耐えることができなければならない。特定の実施例において、シリコンが使用される。或いは、チタンがマスキング材料として使用され得る。

シリコンの厚さは、約０．５μｍである。次に、ガラスへのフォトレジスト密着性を改善するために、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）がガラス表面上に与えられる。ＨＭＤＳの堆積後、ネガレジストを約０．２μｍの厚さで被覆する。フォトレジストを堆積した後、このレジストは、実例として光クロスコネクト（ＯＸＣ）ガイドレベルマスクを介してパターンがつけられる。

レジストにパターンがつけられた後、標準的な技術によって、シリコンにパターンがつけられる。例えば、パターニングは、４５０Ｗ，５０ｍｔｏｒｒで３０ｓｃｃｍのＳＦ₆を介して実施される。その後、レジストは溶剤および１５０Ｗ，３０ｍｔｏｒｒで１分間のプラズマ酸素洗浄を使用して除去される。このことは、シリコンマスクにおける相対的に小さい開口または窓を有する、ガラスについての必須のマスキングを与える。当該開口または窓を介してイオン交換が行われ、屈折率についての所望の変化が実現される。

量子ドットを含むガラス材料の選択的な屈折率変化は、ガラスのイオン成分とステップ２０３で形成されたマスクにおける窓を介して導入されたイオン成分との間のイオン交換反応によって行われる。濃度勾配におけるイオンの熱分散は、イオン交換工程に対するメカニズムである。

特定の実施例において、ＫＮＯ₃の融解塩はカリウムイオンを与える。他の特定の実施例において、融解塩はＡｇＮＯ₃であり得る。さらに他の特定の実施例において、ＲｂＮＯ₃またはＣｓＮＯ₃の融解塩が使用され得る。選択された塩に関わらず、イオン交換反応は、ガラス中のナトリウムイオンを屈折率を変えるイオンと置き換える。最後に、この交換は、ガラスにおける深さで行われ、ガラス密度およびロレンツーロレンツ方式によって計算された平均分極率を局所的に変えることによって屈折率の変化を作り出す。

特定の実施例において、ナトリウムに対するカリウムのイオン交換は、約４５０℃〜約５００℃で約２４時間の間、ＫＮＯ３の槽中で実施される。特に、この処理はＰｂＳドットのサイズ分布を変えるものではなく、従ってそれらの電気／光特性に影響を与えるものではない。

イオン交換の領域において、結果として生じる屈折率の増加は、温度および時間を変動させることによって変えることができ、もたらされた導波路の開口数（ＮＡ）が約０．１０〜約０．２２であるようにする。知られているように、ＮＡは屈折率（Δｎ）の変化を示すものであり、当該変化は、Ｎａに対して生じたイオン交換（例えばＫ）の量に依存している。後者は、槽中のイオン交換物質（例えばＫ）の濃度によって制御される。イオン交換量が大きくなればなるほど、屈折率の変化は大きくなる。

必然的に、イオン交換シーケンスが完了した後には、シリコンマスクが標準的な技術によって除去され、導波路が完成する。例えば、塩浴，ＤＩリンスおよびＤＩ超音波（ＤＩsonification）でガラスを洗浄後、シリコンは３００Ｗ，４００ｍｔｏｒｒで１００ｓｃｃｍのＯ２を用いて除去される。

図３は、上述したカリウムイオン交換シーケンスを使用して製造された平面導波路を示すグラフである。カーブ３０１は、５００℃、２４時間で、ＫＮＯ３を介したカリウムに対するナトリウムの交換に関して、深さ（距離）と屈折率のプロファイルを示している。最初に、例えばクラッド層１０１，１０４で、屈折率はＮａＣａ−ホウ化アルミノケイ酸塩ガラスとほぼ同じままである。しかし、約４８μｍで、屈折率は約１．５５６まで増加し、その後、約８０μｍで約１．５４μｍまで減少する。従って、活性層（例えば１０２）およびクラッド層（１０１，１０４）の間での約０．０２の屈折率差が実現される。これは、光閉じ込めのために十分である。

本実施例において、イオン交換の深さは、交換工程の時間および温度を変えることによって、約５μｍ〜約５０μｍの深さに製作され得る。従って、クラッド層１０１，１０４の厚さおよび活性層１０２の深さは、イオン交換工程を制御することによって制御される。特に、イオン交換の深さは、時間の平方根に比例するということは明白である。

カーブ３０２は、５００℃、２４時間でＫ−Ｎａイオン交換を受けた後、続いて５００℃、１４時間でＮａＮＯ３を介してナトリウムのバック交換（back-exchange）が行われた平面導波路に対する屈折率を示している。もう１つの交換におけるカリウムに対するナトリウムのバック交換は、導波路の高屈折率活性層を有効に埋め込み、分散損失を最小化することとなる。かかるように、約４８ｎｍで作成された屈折率差は、約７２ｎｍで約１．５４ｎｍまで小さくなる。

導波路埋め込みは、表面から光を遠ざけることをもたらし、ダストスクラッチおよび指紋は、全て損失の原因となる。さらに、導波路によって支持された固有モード（モードプロファイルとしても言及される）のプロファイルが、入力ファイバおよび出力ファイバに容易に適合されるように、導波路埋め込みは、屈折率パターンの環状化を与えるようになされる。

図４は、銀−ナトリウムのイオン交換に起因する屈折率プロファイルを示している。この工程は、図３のステップ３０１〜３０４のカリウムを使用した製作とほとんど同じ方法で行われる。特に、ガラスサンプルは、１％のＡｇＮＯ₃および９９％びＮａＮＯ₃の槽中に約１時間の間導入される。結果として得られた導波路は、約０．２２のＮＡを有する。

図５は、埋め込み工程の実験的実施例を示している。分かるように、１つのグラフは、バック／リバース交換工程が１２時間にわたって生じるときの屈折率対深さを示している。もう１つのグラフは、バック／リバース交換工程が１６時間にわたって生じるときの屈折率対深さを示している。定性的に、図５は、リバース交換の時間に応じて、導波路がガラス材料中のどの程度まで深く形成されるかを示している。特に、１６時間バック交換工程にかけられた導波路は、さらに深く埋め込まれるが、活性層とクラッド層との間の屈折率差（約０．００４）はより小さくなり、その結果、カーブ５０１の導波路よりも小さいＮＡを有することとなる。

図６は、１５５０ｎｍレーザダイオードの導波路およびガイドモードの結果として得られるモードプロファイルを示している。特に、このモードは、実質的に楕円形であり、最大強度０．１〜０．９の最大強度の輪郭を有している。各輪郭線は、その近くの輪郭線から０．１の最大強度の差（デルタ）である。図６の概要から理解されるように、導波路のモードは、実質的に環状に対称的である。この対称性は、例えば光ファイバのような接続デバイスに効率を連結することに対して利益となるであろう。

分かるように、実施例の量子ドット導波路の１つの有用な用途は、増幅およびレージングである。図７は、実施例の平面導波路に対する光強度（Ｉ）対波長のグラフである。平面導波路は、導波路によって与えられた光閉じ込めによる、ＰｂＳドットからの増幅光および自然放出を与える。本実施例において、５０ｍＷでの１４９０ｎｍレーザからの光は、導波路の活性層中に導入され、示されたような自然放出をもたらす。

この開示を考慮すると、さまざまな方法，デバイスおよびパラメータが、実例の目的で含まれているが、制限することを意味するものではない。この開示を考慮すると、当業者は、特許請求の範囲内であれば、彼ら自身の技術およびこれらの技術をもたらすために必要な設備を定めて、さまざまなデバイス例および方法例を実施することが出来る。

本発明は、添付の図面とともに詳細な説明から最も理解される。さまざまな機能は、必ずしも等しいスケールで描かれているとは限らない。実際に、寸法は、議論の明瞭化のために任意に増減され得る。
実施例に従った平面導波路の斜視図である。 実施例に従って光導波路を作成する方法のフローチャートである。 実施例に従った導波炉における屈折率対距離のグラフである。 実施例に従った導波炉における屈折率対距離のグラフである。 実施例に従った導波炉における屈折率対距離のグラフである。 実施例に従った導波路を横切る光モードの輪郭プロファイルである。 実施例に従った導波路の光強度対波長のグラフ表示である。

Claims (11)

1. 量子ドットを含む導波路を製造する方法であって、
   ガラス材料を準備するステップと、
   第１のタイプのイオンを前記ガラス材料に選択的に導入するステップと、
   を含み、
   前記第１のタイプのイオンは、当該ガラス中に存在する第２のタイプのイオンと置き換えられて、前記ガラス材料の選択された領域における屈折率を高めることを特徴とする方法。
2. 前記選択的に導入するステップは、前記ガラス材料の表面上にマスクを形成して、前記マスクにおける開口を介して前記第１のタイプのイオンを熱拡散させることをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記量子ドットは、硫化鉛（ＰｂＳ）の量子ドットであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記選択的に導入するステップは、前記第１のタイプのイオンを含む槽中に前記ガラス材料を浸漬することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記量子ドットは、ＣｕＣｌの量子ドット，ＣｕＢｒ₂の量子ドット，Ｃｕ₂Ｏの量子ドット，ＡｇＣｌの量子ドット，ＣｄＳの量子ドット，ＣｄＳｅの量子ドット，ＣｄＴｅの量子ドット，ＺｎＯの量子ドット，ＺｎＳの量子ドット，Ｉｎ₂Ｏ₃の量子ドット，ＰｂＳｅの量子ドットおよびＰｂＴｅの量子ドットからなる群から選択される１または２以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 平面導波路であって、
   第１のタイプの成分と量子ドットとを有するクラッド層と、
   前記量子ドットと第２のタイプの成分とを有する活性層と、
   を含み、当該第２のタイプの成分は、前記第１の成分を少なくとも部分的に置換することを特徴とする平面導波路。
7. 前記クラッド層はガラス材料を含み、前記第１のタイプの成分はナトリウムであること特徴とする請求項６に記載の平面導波路。
8. 前記第２のタイプの成分は、銀，カリウム，ルビジウムおよびセシウムからなる郡から選択されることを特徴とする請求項７に記載の平面導波路。
9. 前記ガラス材料は、ＮａＣａ−ホウ化アルミノケイ酸塩であることを特徴とする請求項６に記載の平面導波路。
10. 前記量子ドットは、ＰｂＳの量子ドットであることを特徴とする請求項６に記載の平面導波路。
11. 前記量子ドットは、ＣｕＣｌの量子ドット，ＣｕＢｒ₂の量子ドット，Ｃｕ₂Ｏの量子ドット，ＡｇＣｌの量子ドット，ＣｄＳの量子ドット，ＣｄＳｅの量子ドット，ＣｄＴｅの量子ドット，ＺｎＯの量子ドット，ＺｎＳの量子ドット，Ｉｎ₂Ｏ₃の量子ドット，ＰｂＳｅの量子ドットおよびＰｂＴｅの量子ドットからなる群から選択される１または２以上であることを特徴とする請求項６に記載の平面導波路。

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