JP2012191075A - 多光周波数発生光源 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の簡素化が図られた多光周波数発生光源を提供する。
【解決手段】多光周波数発生光源は，光共振器と，前記光共振器内に配置され，発生する光周波数が互いに異なり，かつ光学的，電気的に結合されない複数の微少発光体を含む発光部材と，前記光共振器内に前記発光部材と共に配置され，複数または単一の光周波数を選択するための光学部材とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，複数の光周波数を発する光源に関する。

半導体レーザで光周波数軸上のいくつもの光を同時に発生する手法が公開されている（例えば，特許文献１，２参照）。特許文献１には，互いに異なる複数の波長の光を出力する固体レーザ媒質層と，この複数の波長の光を共振させる複数の領域を有する共振器を備える多波長レーザ装置が開示されている。また，特許文献２には，励起光を発光する青色半導体レーザ素子と，励起光から波長変換光を生成する蛍光ファイバとを備える多波長レーザ光源が開示されている。

特開２００７−１７３３９４号公報 特開２００７−１５７７６４号公報

しかしながら，特許文献１，２記載の手法では，コンパクト化や低消費電力化が困難である。例えば，特許文献１記載の手法では，１０の波長光出力を得るために１０個のレーザ素子が必要であり，構造が複雑となり，コンパクト化や低消費電力化が困難である。
上記に鑑み，本発明は，構造の簡素化が図られた多光周波数発生光源を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る多光周波数発生光源は，光共振器と，前記光共振器内に配置され，発生する光周波数が互いに異なり，かつ光学的，電気的に結合されない複数の微少発光体を含む発光部材と，前記光共振器内に前記発光部材と共に配置され，複数または単一の光周波数を選択するための光学部材とを具備することを特徴とする。

光共振器内に，発光部材および光学部材が配置される。発光部材が，発生する光周波数が互いに異なり，かつ光学的，電気的に結合されない複数の微少発光体を含むことから，広帯域の光の生成が可能となる。光共振器内の光学部材を用いて，広帯域の光から複数または単一の光周波数が効率的に選択される。即ち，光共振器内に，「発生する光周波数が互いに異なり，かつ光学的，電気的に結合されない複数の微少発光体」を含む発光部材および光周波数選択用の光学部材を配置した簡素な構成で，多数の光周波数を効率的に生成できる。

光共振器は，対向ミラー型，リング型のいずれでも良い。即ち，光共振器が，光を往復させる光学部品（例えば，ミラー）を有しても良い（対向ミラー型）。また，前記光共振器が，光を周回させる光学部品を有しても良い（リング型）。空間光学部品（ミラー等），光導波光学部品（光ファイバ光学部品，光導波路部品等）を用いて，対向ミラー型，リング型の光共振器を構成できる。

光学部材によって選択される光周波数が可変であっても良い。例えば，光バンドパスフィルタ，エタロンフィルタ，ホログラフィックフィルタ，干渉フィルタのいずれかを光学部材として用い，選択される光周波数を変化させることができる。

前記微少発光体として，量子ドット，金属錯体，希土類元素，およびカラーセンターのいずれかを利用できる。

前記発光部材が，第１の層と，この第１の層上に配置される第１の量子ドットと，この第１の量子ドットを覆う第２の層と，を有し，第１の波長の光を発する第１の部分量子ドット構造と，第３の層と，この第３の層上に配置される第２の量子ドットと，この第２の量子ドットを覆う第４の層と，を有し，前記第１の部分量子ドット構造に積層して配置され，かつ前記第１の波長と異なる第２の波長の光を発する第２の部分量子ドット構造と，を有しても良い。
第１，第２の部分量子ドット構造それぞれから放出される第１，第２の波長の光を用いて，広帯域の光を生成できる。

前記発光部材が，第５の層と，この第５の層上に配置される第３の量子ドットと，この第３の量子ドットを覆う第６の層と，を有し，前記第２の部分量子ドット構造に積層して配置され，かつ前記第１，第２の波長と異なる第３の波長の光を発する第３の部分量子ドット構造，をさらに有しても良い。
第１〜第３の部分量子ドット構造それぞれから放出される第１〜第３の波長の光を用いて，より広帯域の光を生成できる。

ここで，部分量子ドット構造それぞれから放出される光の波長を異ならせるには種々の手法があり得る。例えば，次の（１）〜（４）およびこれらの組み合わせによって，部分量子ドット構造それぞれから放出される光の波長を異ならせることができる。

（１）前記第１，第２の量子ドットの組成またはサイズ（厚さ等）の少なくとも一方が異なる。
（２）前記第１，第３の層の厚さが異なる。
（３）前記第１，第３の層の構成材料の格子定数が異なる。
（４）前記第２，第４の層の組成が異なる。

多光周波数発生光源がその光共振器内に光変調器をさらに具備しても良い。多光周波数発生光源からの光の強度を時間的に変化させることができ，かつ多光周波数発生光源より発する光周波数の同期を得ることができる。
なお，光変調器は，前記光学部材および前記発光部材と共に光共振器内に配置できる。

本発明によれば，構造の簡素化が図られた多光周波数発生光源を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る多光周波数発生光源を表す模式図である。 極微小光ゲイン体の光ゲインの特性を表す図である。 多光周波数発生光源からの光出力の特性を表す図である。 本発明の比較例に係る光源を表す模式図である。 光ゲイン体の光ゲインの特性を表す図である。 本発明の比較例に係る光源からの光出力の特性を表す図である。 積層量子ドット構造を表す図である。 光周波数軸上での任意波形の生成を説明する図である。 時間軸上での任意波形の生成を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る多光周波数発生光源を表す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る多光周波数発生光源を表す模式図である。 量子ドット部分構造のＰＬ特性の一例を表す図である。 積層量子ドット構造の発光スペクトルの一例を表す図である。 作成した量子ドットのＡＦＭ観察像である。 多光周波数発生光源からの発光スペクトルの一例を表す図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る多光周波数発生光源１０を表す図である。多光周波数発生光源１０は，光周波数軸および時間軸上での任意波形発生が可能であり，ミラー１１，１２，離散的光ゲイン部材１３，光学素子１４，１５を有する。

ミラー（反射器）１１，１２は，離散的光ゲイン部材１３を挟んで，互いに対向するように配置され，光共振器を構成する。ミラー１２は，反射性と共に，透過性（半透過性）を有し，光共振器で共振された光の一部を出力光Ｉ０として出射する。

光共振器内に，離散的光ゲイン部材１３，および光学素子１４，１５を内封することで多光周波数発生光源１０が構成される。

本実施形態の光共振器は，ミラー１１，１２により挟まれたミラー対向型（リニア型）の光共振器である。互いに対向するミラー１１，１２によって，経路ＯＰを光が往復する。但し，後述のように，リニア型の光共振器に換えて，リング型の光共振器を用いても良い。

本実施形態の光共振器では，ミラー１１，１２間の空間内を光（空間光）が伝搬する（空間光学部品を用いた光共振器）。これに対して，導波路（半導体，誘電体で構成された光導波路や光ファイバ等）を用いて，光（導波光）を伝搬させても良い（光導波光学部品を用いた光共振器）。

ミラー１１，１２として，分布Bragg反射鏡，分布帰還型反射鏡，フォトニック結晶反射鏡を利用できる。分布Bragg反射鏡は，屈折率の異なる層を4分の1波長の長さで交互に積層した反射鏡である。分布帰還型反射鏡は，回折格子等を用いて，反射箇所を分布させた反射鏡である。フォトニック結晶反射鏡は，フォトニック結晶を用いた反射鏡である。フォトニック結晶は，屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造体であり，この構造の周期が波長の１/２の光を反射する。これらは，空間光，導波光のどちらでも利用可能である。

離散的光ゲイン部材（発光部材）１３は，媒質１３１，極微小光ゲイン体１３２，電極１３３を有する。電極１３３が媒質１３１に取り付けられる。電極１３３を用いて，媒質１３１内に電流を注入して，極微小光ゲイン体１３２を励起させる。媒質１３１は，極微小光ゲイン体１３２からの発光光を透過させる半導体等を利用できる。なお，極微小光ゲイン体１３２の励起に光を用いる場合，媒質１３１の導電性は不要となる。

媒質１３１内に複数の極微小光ゲイン体１３２が配置される。
極微小光ゲイン体１３２は，微少なサイズ（例えば，粒径が３０ｎｍ以下）の粒状の光ゲイン材料（微少発光体）であり，電極１３３によって注入された電流によって励起され，発光する。既述のように，極微小光ゲイン体１３２を光（例えば，紫外線）によって励起しても良い。

ここで，極微小光ゲイン体１３２は，媒質１３１中で，電気的，光的に実質的に結合することなく（離散的に）配置される。即ち，極微小光ゲイン体１３２それぞれでの発光準位が孤立もしくは非常に弱く結合している。このために，極微小光ゲイン体１３２からの発光が独立し，広帯域となる。後述のように，連続的光ゲイン体１３２ｘでは，発光準位が結合され，その一部分にエネルギーが集中し，狭帯域化し易い（いわゆるレーザ発振）。

極微小光ゲイン体１３２それぞれからの発光波長は広帯域とはいえない。しかし，極微小光ゲイン体１３２間の結合が弱いため，複数の極微小光ゲイン体１３２それぞれからの発光波長は必ずしも一致しない（個々に独立した波長の光出力を得ることができる）。このため，離散的光ゲイン部材１３（複数の極微小光ゲイン体１３２全体）での発光の帯域幅は広帯域化し，例えば，１００ｎｍ程度以上の帯域幅が得られる。なお，発光スペクトルの半値幅によって，帯域幅を定義できる。

このように，離散的光ゲイン部材１３では，極微小光ゲイン体１３２が，光学的，電気的に実質的に結合しないことから，広帯域の光出力を得ることができる。

離散的光ゲイン部材１３では，個々の極微小光ゲイン体１３２の広帯域化により広い範囲の光ゲインスペクトルを得ることが容易である。極微小光ゲイン体１３２それぞれが独立に光ゲインを生むために広帯域の誘導放出（光出力）を得ることができる。また，離散的光ゲインから発せられる広帯域光出力に関し，光ゲインに波長間の相互作用がないために個々に独立した波長の光出力を得ることができる。

極微小光ゲイン体１３２が，光学的，電気的に実質的に結合しないことは，例えば，最低エネルギー準位への集中が実質的に無いことを意味する。このように，極微小光ゲイン体１３２間を実質的に結合させないためには，個々の極微小光ゲイン体１３２の間での直接のエネルギー交換をなくすことが考えられる。例えば，個々に点在する極微小光ゲイン体１３２の間に電気的障壁（高いエネルギーギャップ材料など），光学的障壁（低屈折率材料）を配置する。もしくは，極微小光ゲイン体１３２間の間隔を後述の最小結合距離よりも離す。

さらに，極微小光ゲイン体１３２は，互いに異なるピーク波長λ１〜λ４で発光する極微小光ゲイン体Ｄ１〜Ｄ４に区分できる。極微小光ゲイン体Ｄ１〜Ｄ４は，発光波長が互いに異なり，かつ光学的，電気的に結合されない複数の微少発光体に対応する。図２のグラフＧ１１〜Ｇ１４は，極微小光ゲイン体Ｄ１〜Ｄ４それぞれの光ゲイン特性を表す。極微小光ゲイン体Ｄ１〜Ｄ４のピーク波長λ１〜λ４が少しずつずれている。グラフＧ１は，グラフＧ１１〜Ｇ１４を合わせたものである。

図３のグラフＧ２は，離散的光ゲイン部材１３に電流を注入して，極微小光ゲイン体１３２を励起させ，ミラー１１，１２で構成された光共振器内で共振させたときの出力光Ｉ０の特性を表す。極微小光ゲイン体Ｄ１〜Ｄ４それぞれからの，ピーク波長λ１〜λ４の広帯域光が合わさり，極めて広帯域の出力光Ｉ０が出力される。
なお，ここでは，光学素子１４，１５による光の任意波形整形を無視している。

図４は本発明の比較例に係る光源１０ｘを表す図である。光源１０ｘは，ミラー１１，１２，連続的光ゲイン部材１３ｘを有する。
連続的光ゲイン部材１３ｘは，媒質１３１，連続的光ゲイン体１３２ｘ，電極１３３を有する。

連続的光ゲイン体１３２ｘは，互いの発光準位が結合するように媒質１３１内に連続的に分布する。言い換えれば，媒質１３１内の連続的光ゲイン体１３２ｘは，光学的，電気的に結合し，発光準位間のエネルギーの授受がなされている。即ち，光源１０ｘは，いわゆるレーザ光源である。
図５のグラフＧ３は，連続的光ゲイン体１３２ｘの光ゲイン特性を表す。

図６のグラフＧ４は，連続的光ゲイン部材１３ｘに電流を注入して，連続的光ゲイン体１３２ｘを励起させ，ミラー１１，１２で構成された光共振器内で共振させたときの出力光Ｉ０ｘの光出力特性を表す。

出力光Ｉ０ｘ（グラフＧ４）は，連続的光ゲイン体１３２ｘの光ゲイン特性（グラフＧ３）よりも狭帯域化している。これは，連続的光ゲイン体１３２ｘでの誘導放出により，光ゲインスペクトル（グラフＧ３）の波長の一部分にエネルギーが集中するためである。このために，出力光Ｉ０ｘは，ある特定の波長の光出力に限定される。

以上のように，極微小光ゲイン体１３２が離散的に分布する（低結合）離散的光ゲイン部材１３を用いることで，広帯域の出力光Ｉ０が得られることが判る。光材料として，離散的光ゲイン部材１３を用いることで，レーザ光源やスーパルミネッサント・ダイオードに類似する構成であっても，ある波長へのエネルギー集中が抑制され，広帯域の光が得られる。特に，ピーク波長が少しずつ異なる極微小光ゲイン体１３２を混在させることで，極めて広帯域の出力光Ｉ０が得られる。

極微小光ゲイン体１３２として，種々の発光体を用いることができる。極微小光ゲイン体１３２として，例えば，半導体量子ドット（量子ドット構造），希土類原子，蛍光材料，金属錯体，カラーセンターを利用できる。

極微小光ゲイン体１３２として，量子ドット構造を用いる場合を説明する。図７は，量子ドット構造２０の一例を表す。量子ドット構造２０は，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂ，中間層２２を有する。

量子ドット部分構造２１ａは，量子ドット２３ａ，キャップ層２４ａ，サブナノ層間分離層２５ａ，バックグラウンド層（下地層）２６ａを有する。量子ドット部分構造２１ｂは，量子ドット２３ｂ，キャップ層２４ｂ，サブナノ層間分離層２５ｂ，バックグラウンド層（下地層）２６ｂを有する。

量子ドット２３ａ，２３ｂ，キャップ層２４ａ，２４ｂ，サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂ，バックグラウンド層（下地層）２６ａ，２６ｂ，中間層２２は，ＩＩＩ族元素（例えば，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）とＶ族元素（例えば，Ａｓ，Ｓｂ，Ｎ，Ｐ）の混晶半導体で，構成できる。ＩＩＩ族元素，Ｖ族元素の組み合わせは適宜に選択できる。

量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂが，中間層２２により結合，積層される。
量子ドット２３ａ，２３ｂに起因して，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂそれぞれから，光が発生する。量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂそれぞれでの発光波長を異ならせることで，広帯域な光出力を確保できる。

量子ドット２３ａ，２３ｂは，その中に電子を閉じ込め，電子の状態密度が離散化される。量子ドット２３ａ，２３ｂは，所定の層に配置され，３次元いずれの方向からも大きさを制限された形状を有する。図７には，判りやすさのために，一の層に一の量子ドット２３ａ，２３ｂを配置した状態を表している。実際には，一の層に複数（多数）の量子ドットが配置される。

キャップ層２４ａ，２４ｂはそれぞれ，量子ドット２３ａ，２３ｂを覆う。
サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂ上に，量子ドット２３ａ，２３ｂが配置される。

量子ドット構造は，例えば，次のようにして，作成できる。
（１）バックグラウンド層（下地層）２６ｂの形成
ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy（分子線エピタキシ））法により，バックグラウンド層２６ｂ（例えば，ＩｎＧａＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。

（２）サブナノ層間分離層２５ｂの形成
バックグラウンド層２６ｂ上にＭＢＥ法により，サブナノ層間分離層２５ｂ（例えば，ＧａＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。

（３）量子ドット２３ｂの形成
サブナノ層間分離層２５ｂ上にＭＢＥ法により，量子ドット２３ｂ（例えば，ＩｎＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。サブナノ層間分離層２５ｂの構成材料と量子ドット２３ｂの構成材料との格子の不整合（格子定数の不一致）により，島状（アイランド）構造の量子ドット２３ｂが形成される（自己組織化による形成）。サブナノ層間分離層２５ｂと量子ドット２３ｂの格子が不整合となるように，量子ドット２３ｂの形成時において，例えば，ＩｎとＡｓの比率が制御される。

（４）キャップ層２４ｂの形成
量子ドット２３ｂ上にＭＢＥ法により，キャップ層２４ｂ（例えば，ＩｎＧａＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。この結果，量子ドット２３ｂがキャップ層２４ｂに覆われる（埋め込み）。

（５）中間層２２〜キャップ層２４ａの形成
その後，中間層２２，バックグラウンド層２６ａ，サブナノ層間分離層２５ａ，量子ドット２３ａ，キャップ層２４ａをＭＢＥ法により順に形成した。このようしして，量子ドット構造が形成される。
キャップ層２４ａの上およびバックグラウンド層２６ｂの下に，電流注入用の電極が形成される。

なお，以上の作成工程では，ＭＢＥ法が用いられているが，ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition法：有機金属気相成長法）を用いることも可能である。

量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂ（量子ドット２３ａ，２３ｂ，キャップ層２４ａ，２４ｂ，サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂ，バックグラウンド層（下地層）２６ａ，２６ｂ）の構造，組成は，発光特性と密接な関係を有する。特に，量子ドット２３ａ，２３ｂおよびこれらを囲むキャップ層２４ａ，２４ｂ，サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂの構成材料やサイズは，発光特性（発光波長）への影響が大きい。

複数の量子ドット部分構造２１を離散的光ゲインとするためには、個々の量子ドット構造２１間での光学的、電気的なエネルギーの相互作用を抑制する必要がある。このために、量子ドット２３に束縛された電子の波動関数が隣接する量子ドット２３に影響を与えない距離、または量子ドット２３近傍にその構造体と同程度の大きさで発生する近接場光が影響を与えない距離に離す必要がある。以下，この距離（量子ドット２３それぞれからの波動関数または近接場光の少なくともいずれかが他の量子ドット２３に影響を与える距離（量子ドット２３を隔てるキャップ層２４の厚さ，量子ドット２３の間隔））を最小結合距離と呼ぶことにする。最小結合距離は，量子ドット２３ａに近接するキャップ層２４ａ，サブナノ層間分離層２５ａとの関係で変動するが，例えば，１０ｎｍ程度と考えられる。

量子ドット２３の間を分離するキャップ層２４、サブナノ層間分離層２５やバックグラウンド層２６を量子ドットの材料より、高いエネルギーギャップを有する、または低屈折率を有する材料を選択することで、離散的光ゲインは作製される。

ところで，既述のように，同一層内に複数（多数）の量子ドット２３ａ（または，量子ドット２３ｂ）が形成され得る。このとき，後述のように，見かけ上，量子ドット２３ａの間隔が最小結合距離より小さいことがあり得る。

このような場合でも，複数の量子ドット２３ａが互いに結合するとは限らない。複数の量子ドット２３が互いに結合するには，これら量子ドット２３の間でエネルギーのやり取りが可能であることを要し，エネルギーの移動元の量子ドット２３ｉから放出されたエネルギーをエネルギーの移動先の量子ドット２３ｆが吸収できなくてはならない。このためには、量子ドット２３ｉと量子ドット２３ｆのとりうるエネルギー準位の差が、周囲温度のエネルギーと同程度以下でなければならない。従い，例えば、大きさがある程度以上異なる２つの量子ドット２３であれば（それぞれの取りうるエネルギー準位の差が雰囲気温度より大きい）、最小結合距離以下に近接していても，エネルギーのやり取りは起こり得ず，複数の量子ドット２３が互いに結合することもない。

多数の量子ドット２３が同一層内に配置されている場合，一部の量子ドットにおいて，間隔が最小結合距離で，大きさもほぼ同一（それぞれの取りうるエネルギー準位の差が雰囲気温度以下）である可能性はある。しかし，多数の量子ドット２３の一部が局所的に結合したとしても，多数の量子ドット２３全体への影響は限定され，多数の量子ドット２３全体からの発光が狭帯域化することもない。

量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂでの発光波長を異ならせるために，次のように，それぞれの構造，組成が調節される。

（１）量子ドット２３ａ，２３ｂの組成を異ならせる。量子ドット２３ａ，２３ｂのエネルギーバンドギャップを低エネルギー化する組成を選択することで，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂでの発光波長を長波長化できる。

（２）量子ドット２３ａ，２３ｂの膜厚を異ならせる。量子ドット２３ａ，２３ｂの膜厚を厚くすることで，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂでの発光波長を長波長化できる。

（３）キャップ層２４ａ，２４ｂの格子定数を異ならせる。キャップ層２４ａ，２４ｂの格子定数を量子ドット２３ａ，２３ｂに近づけることで，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂでの発光波長を長波長化できる。

（４）キャップ層２４ａ，２４ｂの膜厚を異ならせる。キャップ層２４ａ，２４ｂの膜厚を大きくすることで，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂでの発光波長を長波長化できる。

（５）サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂの組成を異ならせる。サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂの組成元素数を減らすことで例えば，３元素ＩｎＧａＡｓでは無く，二元素ＧａＡｓとする），量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂでの発光波長を長波長化できる。

光学素子１４は，光フィルタ（光バンドパスフィルタ，エタロンフィルタ，ホログラフィックフィルタ，干渉フィルタ等）である。光学素子１４は，複数または単一の光周波数を選択するための光学部材に対応する。

図８に示すように，光学素子１４を用い光共振器内の光子密度の光周波数分布を制御することで、光周波数軸上に任意波形を生成できる。また、光学素子１４の光周波数選択特性を可変な光学部材を用いることによって、選択される光周波数が可変とできる。例えば，光路に対してエタロンフィルタ傾けることで，透過域の光周波数を変化でき、結果として出力される光周波数の間隔を可変とすることができる。

光学素子１５は，光変調器（光位相変調器，光強度変調器）である。図９に示すように，光学素子１５によって，時間軸上に任意波形を生成できる（時間軸上での光モード選択が可能とする光位相・強度変調素子）。光学素子１５は，複数の波長の光を変調させる光変調器として機能する。

ここでは，光学素子１５は，光学素子１４（フィルタ）と離散的光ゲイン部材１３（発光部材）の間に配置される。但し，光学素子１５は，ミラー１１（第１の反射器）と光学素子１４（フィルタ）の間，または離散的光ゲイン部材１３（発光部材）とミラー１２（第２の反射器）の間に配置しても良い。

光学素子１４，１５を用いることで，任意に選択された複数光周波数の同時光出力で，かつ時間軸上で任意のタイミングでパルス状またはアナログ的光出力を得ることができる（時間軸上での光モード選択が可能となる）。複数の光周波数の同時光出力発生には，離散的光ゲインのもつ特徴（広帯域性と光周波数間の相関性のない光ゲイン）が用いられている。

光学素子１４，１５を共振器内に光ゲイン材料（離散的光ゲイン部材１３）と共に内封することで，その光学素子１４，１５単独での変化量の１０〜１００倍以上を光出力変化量で得ることができる。例えば，光学素子１４，１５の消光比（透過状態，非透過状態での透過率の比）が１００である場合に，出力光Ｉ０の強度比（光学素子１４，１５が透過状態，非透過状態での出力光Ｉ０の強度の比）が１０００〜１００００以上となる。

（第２の実施形態）
図１０は本発明の第２の実施形態に係る多光周波数発生光源１０ａを表す図である。多光周波数発生光源１０ａは，ミラー１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，離散的光ゲイン部材１３，光学素子１４，１５を有する。

ミラー１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは，経路ＯＰに沿って，光を周回させる，リング型の光共振器を構成する。離散的光ゲイン部材１３からの発光が経路ＯＰａに沿って周回する。このとき，右回りおよび左回り双方の周回がある。なお，半透過性を有するミラー１２ａから出射光Ｉ０が取り出される。

本実施形態では，４つのミラー１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを用いて，リング型の光共振器を構成している。但し，ミラーの個数が３以上であればリング型の光共振器を構成可能である。

（第３の実施形態）
図１１は本発明の第３の実施形態に係る多光周波数発生光源１０ｂを表す図である。多光周波数発生光源１０ａは，離散的光ゲイン部材１３，光学素子１４，１５，光導波部品１６，光分波部品１７を有する。

光導波部品１６は，例えば，光導波路，光ファイバであり，経路ＯＰｂに沿って，光を周回させる。即ち，本実施形態では，ミラーを用いることなく，リング型の光共振器を構成できる。
光分波部品１７は，この内部を通過する光の一部を出射光Ｉ０として取り出すための光学部品である。

図７に示す量子ドット構造の実施例を説明する。
実施例１では，量子ドット２３ａ，２３ｂを約３分子層のＩｎＡｓ，キャップ層２４ａ，２４ｂとバックグラウンド層２６ａ，２６ｂをＩｎＧａＡｓ，サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂを３分子層のＧａＡｓ，中間層２２を５０ｎｍのＧａＡｓとした。キャップ層２４ａ，２４ｂそれぞれの膜厚を１４分子層，２８分子層とした。この作成に，ＭＢＥ法を用いた。

図１２に，量子ドット構造のＰＬ（フォトルミネッセンス）特性を示す。量子ドット構造に紫外線を照射し，量子ドット構造からの発光スペクトル（ＰＬ（フォトルミネッセンス）特性）を測定した。グラフＧ５１，Ｇ５２はそれぞれ，量子ドット２３ａ，２３ｂ（量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂ）の発光スペクトルを表す。キャップ層２４ａ，２４ｂの膜厚を制御することで波長１１７０〜１３１０ｎｍの発光ピークを得られることが確認された。

図１３は，図１２で示されるＰＬ特性を有する量子ドット構造に電流を注入したときの発光スペクトルのシミュレーション結果を表す。グラフＧ６１，Ｇ６２がそれぞれ，量子ドット２３ａ，２３ｂに対応する発光スペクトルである。グラフＧ６３が量子ドット構造全体での発光スペクトルである。量子ドット構造全体の発光スペクトルは，約１００ｎｍもの広い発光帯域Ｄｗを有する。
このように，量子ドット部分構造２１ａ，２１ｂ毎に異なる発光ピーク波長を有する量子ドット２３ａ，２３ｂを積み重ねることにより，広帯域発光部材（離散的光ゲイン部材）を作製できる。

実施例２では，量子ドット２３を有する量子ドット部分構造２１を最大９個積層して，離散的光ゲイン部材１３を作成した。
具体的には，量子ドット２３ａ，２３ｂそれぞれを約３分子層のＩｎＡｓ，キャップ層２４ａ，２４ｂとバックグラウンド層２６ａ，２６ｂをＩｎＧａＡｓ，サブナノ層間分離層２５ａ，２５ｂを約１０分子層のＧａＡｓ，中間層２２を約５０ｎｍのＧａＡｓとした。キャップ層２４ａ，２４ｂそれぞれの膜厚を１４分子層，２８分子層とした。

図１４は，ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）によって，量子ドット２３ａの表面を観察した表面観察像の一例である。１μｍ角の領域が表される。この表面観察像より１０^１０／ｃｍ^２オーダーの高密度で量子ドットＤＴが作成されていることが判る。

その後，離散的光ゲイン部材１３をミラー１１，１２で挟み共振器構造を作製し，その中に光学素子１４を配置した。光学素子１４として，１００ＧＨｚ間隔の自由スペクトル領域を持つファブリペロー・エタロン光フィルタを用いた。

離散的光ゲイン部材１３への電流注入により，量子ドット２３を励起した。図１５は，多光周波数発生光源からの出力光Ｉ０の光スペクトルを表す。エタロン（光学素子１４）の自由スペクトル領域に相当する１００ＧＨｚの等間隔のピークＰ１〜Ｐ１０が明瞭に観察された。即ち，広帯域の光から，光学素子１４によって，ピークＰ１〜Ｐ１０の光が選択される。

図１４に示されるように，量子ドットＤＴの間隔には，ばらつきが有り，数ｎｍ程度以下の間隔のも存在することが判る。数ｎｍ程度以下の間隔は，最小結合距離を下回っていると考えられる。しかし，図１４に示されるように，量子ドットＤＴの（層面内での）大きさに不均一（分布）がある。量子ドットＤＴの大きさに不均一があることで，エネルギー準位が近接し，かつ最小結合距離以内の量子ドットの組は，多数の量子ドット全体のごく一部だと考えられる。このため，多数の量子ドットＤＴ全体としては狭帯域化しないと考えられる。

即ち，多数の量子ドット２３ａは全体として，結合せず，狭帯域化しない。これと同様に，多数の量子ドット２３ｂも全体として，結合せず，狭帯域化しない。そして，発光波長の異なる量子ドット２３ａ，２３ｂを組み合わせることで，離散的光ゲイン部材１３が更に広帯域化される。

以上により，離散的光ゲイン部材１３を用いて，多光周波数発生光源が構成できることがわかる。

多光周波数発生光源は，バイオ材料や環境材料，工業材料などの光センシングに利用できる。またブロードバンド多波長光の干渉によりGHz〜THz帯の電磁波を発生させるための種光源として利用できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記実施形態では，極微小光ゲイン体１３２として，半導体量子ドット（量子ドット構造）を用いた。既述のように，極微小光ゲイン体１３２として，希土類原子，蛍光材料，金属錯体，カラーセンターを用いることも可能である。
この場合，量子ドットの光ゲインの離散化と同様の方法によって極微小光ゲイン体１３２も個々をエネルギー的に離散化できる。つまり、極微小光ゲイン体１３２に束縛された電子の波動関数が隣接する他の極微小光ゲイン体１３２に影響を与えない距離、または極微小光ゲイン体近傍にその構造体と同程度の大きさで発生する近接場光が影響しない距離（最小結合距離）より離す必要がある。また極微小光ゲイン体１３２の間を分離する材料として、極微小光ゲイン体１３２より、高いエネルギーギャップを有する、または低屈折率を有する材料を選択することで、離散的光ゲインは作製される。

さらに，取りうるエネルギー準位の差が小さい極微小光ゲイン体１３２が最小結合距離よりも近接しないようにすることでも，極微小光ゲイン体１３２実質的な離散化が可能となる。量子ドットの場合と同様に，極微小光ゲイン体１３２の取りうるエネルギー準位に分布を与えることで，このような離散化が可能となる。

１０ 多光周波数発生光源
１１，１２ ミラー
１３ 離散的光ゲイン部材
１３１ 媒質
１３２ 極微小光ゲイン体
Ｄ１-Ｄ４ 極微小光ゲイン体
１３３ 電極
１４，１５ 光学素子
２０ 量子ドット構造
２１（２１ａ，２１ｂ） 量子ドット部分構造
２２ 中間層
２３（２３ａ，２３ｂ） 量子ドット
２４（２４ａ，２４ｂ） キャップ層
２５（２５ａ，２５ｂ） サブナノ層間分離層
２６（２６ａ，２６ｂ） バックグラウンド層

Claims (12)

1. 光共振器と，
   前記光共振器内に配置され，発生する光周波数が互いに異なり，かつ光学的，電気的に結合されない複数の微少発光体を含む発光部材と，
   前記光共振器内に前記発光部材と共に配置され，複数または単一の光周波数を選択するための光学部材と
   を具備することを特徴とする多光周波数発生光源。
2. 前記微少発光体が，量子ドット，金属錯体，希土類元素，およびカラーセンターのいずれかに対応する
   ことを特徴とする請求項１記載の多光周波数発生光源。
3. 前記発光部材が，
   第１の層と，この第１の層上に配置される第１の量子ドットと，この第１の量子ドットを覆う第２の層と，を有し，第１の波長の光を発する第１の部分量子ドット構造と，
   第３の層と，この第３の層上に配置される第２の量子ドットと，この第２の量子ドットを覆う第４の層と，を有し，前記第１の部分量子ドット構造に積層して配置され，かつ前記第１の波長と異なる第２の波長の光を発する第２の部分量子ドット構造と，
   を有する，
   ことを特徴とする請求項２記載の多光周波数発生光源。
4. 前記発光部材が，
   第５の層と，この第５の層上に配置される第３の量子ドットと，この第３の量子ドットを覆う第６の層と，を有し，前記第２の部分量子ドット構造に積層して配置され，かつ前記第１，第２の波長と異なる第３の波長の光を発する第３の部分量子ドット構造，
   をさらに有する，
   ことを特徴とする請求項３記載の多光周波数発生光源。
5. 前記第１，第２の量子ドットの組成またはサイズの少なくとも一方が異なる，ことを特徴とする請求項３または４に記載の多光周波数発生光源。
6. 前記第１，第３の層の厚さが異なる，ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。
7. 前記第１，第３の層の構成材料の格子定数が異なる，
   ことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。
8. 前記第２，第４の層の組成が異なる，
   ことを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。
9. 前記光共振器が，光を往復または周回させる光学部品を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。
10. 前記光学部材によって選択される光周波数が可変である
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。
11. 前記光共振器内に，前記光学部材と共に配置され，前記選択された複数または単一の光周波数を変調または同期させる光変調器，
    をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。
12. 前記光共振器内に，前記光学部材と共に配置され，前記選択された複数または単一の光周波数を発光部材の直接変調により変調または同期することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の多光周波数発生光源。

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