JP2013042192A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本願発明は、基板上に積層されたディスク状の光共振器を備える発光素子であって、前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともディスク外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記クラッドはディスク外周側の一部が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子である。
【選択図】図10
Description
本願発明により、リング状の光共振器の半導体コアで発光したレーザ光がコアやクラッドから放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。
リング内周側及びリング外周側の空間又は透明体に接している部分のクラッドの厚さがエバネッセント波の電界強度が1/e以下になる程度であれば、コアからクラッドへ滲入したエバネッセント波が放射モードに変換される割合を十分に低減することができる。
コアからクラッドへのエバネッセント波の滲入を低減することができ、エバネッセント波が放射モードに変換されて損失となることを減少させることができる。
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記基板に平行な方向の幅が、前記基板の側よりも前記基板の反対側の方が広いことを特徴とする発光素子である。
本願他の発明により、コア内を伝搬している光がクラッドから離れた位置に偏るため、クラッドへのエバネッセント波の滲入を減少させることができる。
コアに有効屈折率の特異点を持たせることにより、光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、一部に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする発光素子である。
本願他の発明により、リング状の光共振器の半導体コアで発光したレーザ光がコアから放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。また、コアに有効屈折率の特異点を持たせることにより、光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
溝であれば容易に形成することができ、溝により光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
凸部であれば容易に形成することができ、凸部により光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
複数のリングに共通の共振周波数で発振するため、発光する光の縦モードを減少させることができる。
コアに効率的に電荷を注入することができる。
コアへの電荷の注入を局在化させることにより、発光する光の縦モードを減少させることができる。
本願他の発明により、ディスク状の光共振器の半導体コアで発光したレーザ光がコアから放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。
コアに効率的に電荷を注入することができる。
反射壁により光共振器から放射された出射光を基板の上面方向に反射することができる。
反射壁により光共振器から放射された出射光を基板の上面直角方向に反射することができる。
回折格子により光共振器から放射された出射光を基板の上面方向に回折することができる。
回折格子により光共振器から放射された出射光を基板の上面直角方向に回折することができる。
平面光回路内で光共振器に入力光を入力することができる。
平面光回路内で光共振器から出力光を出射することができる。
既存の半導体技術との整合性がよく、既存の半導体プロセスを利用することができる。
本願他の発明により、発光素子と半導体回路を同一基板上に構成することができる。
本実施の形態は、基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと、コアに対して積層方向の基板側又はその反対側のうち少なくとも基板側に積層されたクラッドとを有し、コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又はクラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、クラッドはリング内周側及びリング外周側の一部が空間又はクラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子である。
本実施例の発光素子は図1に示すような基板31上のコア11とクラッド21をリング状の光共振器とした構造を持つ。基板31としてSi、コア11としてSi、クラッド21としてSiO2を使用した。コア11及びクラッド21のリング外周側及びリング内周側並びにコア11の上面は空間とした。リングの半径は300nm、コアの幅は300nm、コアの厚さは340nmであった。この構造と外部から電子と正孔を注入する電極構造からなる。図1では、電極構造を省略している。基本動作を説明するためリング状の光共振器に局所的にこれら電荷を注入しその発光強度の波長依存性を測定した結果を図2に示す。図2において、上側がリング状の光共振器、下側が直線導波路での発光スペクトルである。リング状の光共振器では、発光スペクトルに鋭いピークが多数発生した。このピークは、リング内を伝搬する光が定在波状態を作り、その波長で発光強度が増強するパーセル効果が生じてレーザ発振したことを示すものである。さらに、上記発光素子にアルゴンレーザ光を励起光として注入した入出力特性の測定結果を図17に示す。図17において、励起光のレベルを増大させた場合、閾値に達すると、急激に発光強度が増大し、その後、直線的に増大した。この結果から、閾値付近から発光強度が増強するパーセル効果が生じてレーザ発振したことを示すものである。
λ=(2πr/m)・neff (1)
ここでmは伝搬モードの縦モード次数である。この時、リング状の光共振器の共振Q値をQ、体積をVとするとパーセル効果による増強係数FはQ/Vに比例するため、高いQ値と微小な体積Vの実現が増強に必要である。
A.発光なしに注入電荷が再結合して消失する非発光再結合過程
B.注入発光のコア材料による光吸収
C.同じくコアの上面あるいは下面から抜ける自発発光
D.コア表面の凹凸によるコア内を伝搬する光の散乱
E.コア上面あるいは下面からクラッドにしみ出すエバネッセント波放射
F.導光路曲げ損失
などが主たる要因である。以下にそれぞれを極小にするリング状の光共振器の構造を説明する。ここで、注意すべきことは、リング状の光共振器は進行波型の共振器であり、定在波型の共振器と異なり、発光の位相をそろえる働きをそれ自体が持たない。このため、本質的に発光は非コヒレントである。コヒレントとするためには、後述するように構造上に特異点を導入することが有効である。ここでは、便宜上、コアの一部に電荷を注入し、それにより光の位相が整合することを利用し、散逸過程の極小化を行う。
本実施の形態は、GeコアとSiクラッドの組み合わせたリング状の光共振器を備える発光素子である。GeコアとSiクラッドとの屈折率差が小さいことから、Cの自発発光した光がコアから抜けることによる損失が大きい。また、コアからクラッドへのエバネッセント波放射も大きい。Eのエバネッセント波放射による損失をクラッドのオーバエッチにより低減する。このような構造の発光素子の斜視図を図3(a)に、図3(a)の斜視図のA−B線を通る断面図を図3(b)に示す。クラッド22の基板面に平行な方向の幅がコア11側よりもコア11の反対側の方が狭い。このような構造とすることにより、コア11からクラッド22へのエバネッセント波の滲入を低減することができ、エバネッセント波の滲入自体が小さいため、エバネッセント波が放射モードに結合して損失となる曲げ損失を減少させることができる。図3(b)のT字状のクラッドであると伝搬モードが安定する。また、クラッド22の幅がコア11の側からコア11の反対側に向けて漸次低減する形状でもよい。このような構造は、GeコアとSiクラッドの組み合わせに限らず、前述したコア材料とクラッド材料の組み合わせにも適用することができる。Siクラッドの表面にSiO2のパッシベーション膜を透明体として形成してもよい。また、基板31の上面がSiの場合はその表面にSiO2のパッシベーション膜を形成してもよい。
本実施の形態に係る発光素子の斜視図を図4(a)に、図4(a)の斜視図のA−B線を通る断面図を図4(b)に示す。エバネッセント波のクラッドへの滲入を低減するには、図4に示すようなリング状の光共振器の構造でも有効である。基板32の上面はクラッド23となっている。クラッド23に接するようにリング状のコア13が積層されている。例えば、Si基板32とSiの上面を酸化させたSiO2クラッド23の上面にSiコア13を積層する。Siコア13をエッチングする際に、オーバエッチすることにより、コア13は基板32に平行な方向の幅が基板32の側よりも基板32の反対側の方が広い。
リング状の光共振器でコヒレント発光を得るため、実施の形態1〜3では局所的な電流注入を用いた。しかし、電荷の反転分布を形成しレーザ発振させるためには、吸収係数が高い方が有利である。このため、コア全面に電流注入をする場合でもコヒレント化が可能な構造を以下に説明する。基本はコアの少なくとも一カ所に有効屈折率の特異点を形成することである。
リング状の光共振器に発生する縦モードを減少させるのに、入れ子構造のリング状の多重光共振器も有効である。例えば、図7に入れ子構造のリング状の多重光共振器を備える発光素子の例を示す。本実施の形態に係るリング状の二重光共振器を備える発光素子の斜視図を図7(a)に、図7(a)の斜視図のA−B線を通る断面図を図7(b)に示す。図7において、リング状の二重光共振器の外側の光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコア11とコア11に対して積層方向の基板31側又はその反対側のうち少なくとも基板31側に積層されたクラッド21とを有し、二重光共振器の内側の光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコア16とコア16に対して積層方向の基板31側又はその反対側のうち少なくとも基板31側に積層されたクラッド26とを有する。コア11、16はリング内周側及びリング外周側が空間であり、クラッド21、26はリング内周側及びリング外周側の全部が空間となっている。クラッド21、26はリング内周側及びリング外周側の一部が空間となっていてもよい。コア11、16の基板31と反対側の上面に、コア11、16よりも屈折率の低いクラッドが積層されていても同様である。
リング状の光共振器を構成するコアに効率的に電荷を注入するために、出来る限りコアに接する面を広くとれるような電極を構成することが望ましい。
発光素子のリング状の光共振器をディスク状の光共振器に替えた場合にも、これまで説明したと同様の発光素子を構成することができる。例えば、図10にディスク状の光共振器を有する発光素子の例を示す。本実施の形態に係る発光素子の斜視図を図10(a)に、図10(a)の斜視図のA−B線を通る断面図を図10(b)に示す。基板31上にディスク状のクラッド27とディスク状のコア17が積層されている。クラッド27及びコア17のディスク外周面は空間に接している。図10ではコア17の上面は空間であるが、コア17の上面にさらにコア17よりも屈折率の低いクラッドが積層されていてもよい。
リング状の光共振器を有する発光素子のレーザ発振はリングのコア内で生じるため、コアから出射する光は、リングの接線方向に放射される。垂直出射素子では、この放射された光を基板の上面方向に出射する構造が必要である。
リング状の光共振器を有する発光素子の共振はリングのコア内で生じるため、リングからの出射光は、リングの接線方向に放射される。平面光回路では、この放射された出射光を基板面上で出力したり、基板面上で導波された入力光をリング状の共振器に結合する構造が必要である。
21、22、23、26、27:クラッド
31、32:基板
51:縦溝
52:縦凸部
41:外周電極
42:内周電極
43:第一電極
44:第二電極
45:上部電極
46:下部電極
61、62:反射壁
63、64:回折格子
71、73:コア
72、74クラッド
Claims (18)
- 基板上に積層されたディスク状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、
前記コアは少なくともディスク外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、
前記クラッドはディスク外周側の一部が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子。 - 前記クラッドはディスク外周側の空間又は前記透明体に接している部分の積層方向の厚さが、前記コアからのエバネッセント波の電界強度が前記コアと前記クラッドとの境界面での電解強度の1/e(eは自然対数)以下になる厚さであることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記クラッドは前記基板面に平行な方向の幅が、前記コア側よりも前記コアの反対側の方が狭いことを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。
- 基板上に積層されたディスク状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、
前記コアは少なくともディスク外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記基板に平行な方向の幅が、前記基板の側よりも前記基板の反対側の方が広いことを特徴とする発光素子。 - 前記コアはディスク外周面に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の発光素子。
- 基板上に積層されたディスク状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、
前記コアは少なくともディスク外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、ディスク外周面に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする発光素子。 - 前記有効屈折率の特異点は、前記コアのディスク外周面に形成された溝であることを特徴とする請求項5又は6に記載の発光素子。
- 前記有効屈折率の特異点は、前記コアのディスク外周面に形成された凸部であることを特徴とする請求項5又は6に記載の発光素子。
- 前記コアの前記基板と反対側の面と前記コアのディスク外周部の前記クラッド上に、電荷を供給する電極をそれぞれ有することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の発光素子。
- 前記電極は複数に分割されていることを特徴とする請求項9に記載の発光素子。
- 前記基板上の前記光共振器の周囲に、前記光共振器から放射された出射光を前記基板の上面方向に反射する反射壁を有することを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の発光素子。
- 前記反射壁は複数に分割されており、前記コアのディスク外周円の接線方向に放射された出射光が前記分割された反射壁に入射角45度で入射し、入射した前記出射光が前記基板の上面直角方向に反射するような反射面を有することを特徴とする請求項11に記載の発光素子。
- 前記基板上の前記光共振器の周囲に、前記光共振器から放射された出射光を前記基板の上面方向に回折する回折格子を有することを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の発光素子。
- 前記回折格子は複数に分割されており、前記コアのディスク外周円の接線方向に放射された出射光が前記分割された回折格子の格子に対して直角に入射し、入射した前記出射光が前記基板の上面直角方向に回折するような格子配置であることを特徴とする請求項13に記載の発光素子。
- 前記光共振器にエバネッセント結合して入力光を前記光共振器に結合させる入力導波路を有することを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の発光素子。
- 前記光共振器にエバネッセント結合して前記光共振器から放射された出射光を結合させる出力導波路を有することを特徴とする請求項1から15のいずれかに記載の発光素子。
- 前記コアの材料は、Si、Ge又はSiとGeの混晶体を主体とする半導体であることを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の発光素子。
- 基板上に、請求項1から17のいずれかに記載の発光素子及び半導体回路を備えることを特徴とする半導体集積回路。
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JP2002217484A (ja) * | 2001-01-18 | 2002-08-02 | Fujitsu Ltd | 光半導体装置 |
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