JP2013165152A - プラズモン薄膜レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】オンチップ光配線実現に向け、横方向電流注入型の薄膜レーザにおいて、低しきい値化と小型化を図る。
【解決手段】薄膜半導体レーザにおいて、微細金属共振器アレイ７をＳｉＯ₂１内に設け、微細金属共振器アレイ７によるメタマテリアル構造８の、誘電率と透磁率を変化させることで、表面プラズモンによるＴＥモード光の閉じ込めを可能とし、この強光閉じ込めにより、低しきい値化と小型化を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザ、特にオンチップ光配線実現に向けた、高速かつ低消費電力な半導体レーザに関する。

これまで光伝送技術は主に長距離通信を中心に用いられてきたが、これらの光通信技術をチップ間、チップ内配線といった更なる短距離伝送へ応用する光インターコネクション技術が強く求められている。理論的には伝送路における発熱や配線遅延、電磁ノイズの影響が無視でき、高速で低消費電力な信号伝送の実現が期待されている。

オンチップ光配線実現に向けては、光デバイスの小型化・低消費電力化が不可欠である。将来的に光インターコネクション用光源に許容される消費電力は１チャネルあたり１００ｆＪ/ｂｉｔ程度であると試算されており、半導体レーザ光源に許容される駆動電流値は１ｍＡ以下が必要とされる。

光インターコネクションに向けた極低しきい値レーザとして、膜厚方向への強光閉じ込めを実現する半導体薄膜構造の導入が進んでいる（非特許文献１参照）。半導体薄膜構造では、上下に低屈折率を有する絶縁体材料を用いることから、従来型の縦方向への電流注入ではなくＬＣＩ（Ｌａｔｅｒａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ：横方向電流注入構造）を導入したレーザが数多く報告されている（非特許文献２参照）。

電子情報通信学会技術研究報告 vol. 108, no. 114, LQE2008-29, pp. 45-50, 2008年6月. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., Vol. 7, No. 2, pp.249-258(2001)

上述したＬＣＩ型の薄膜レーザにおいてはこれまでに十分な特性が得られていなかった。極低しきい値での発振を実現させるためには膜厚方向への強光閉じ込めが必須であるが、従来の半導体薄膜構造においては、活性層への光閉じ込め係数は１層あたり平均１．５‐２％となっており、極低しきい値化へ向けて更なる性能向上が課題となっている。

また、ＬＣＩ型の薄膜レーザであっても、従来の半導体レーザ同様、回折限界を超えるサイズの領域に光を閉じ込めることはできないため、素子サイズを従来の半導体レーザとほぼ同じにする必要があり、オンチップ光配線実現に向けた微細化が難しいという課題がある。

そこで、本発明の目的は上述の問題点を解消し、ＬＣＩ型の薄膜半導体レーザにおいて更なる低しきい値化および小型化を提供することにある。

上記課題を解決する第１の発明に係るプラズモン薄膜レーザは、
横方向電流注入構造の薄膜半導体レーザにおいて、
光導波路の上部に誘電率と透磁率をそれぞれ独立に制御するメタマテリアル構造を備え、
前記光導波路において回折限界を超えたナノスケール領域への光の閉じ込めを可能とすることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るプラズモン薄膜レーザは、
第１の発明に係るプラズモン薄膜レーザにおいて、
前記メタマテリアル構造が、当該構造内部に微細金属共振器アレイを備えるものであることを特徴とする。

本発明に係るプラズモン薄膜レーザによれば、メタマテリアル構造の誘電率と透磁率をそれぞれ独立に制御することで発生した表面プラズモンにより、回折限界を超えたナノスケール領域への光の閉じ込めを可能とする。さらに、メタマテリアル構造内の微細金属共振器アレイの形状を最適化することで、より低損失な表面プラズモンによる回折限界を超えたナノスケール領域への光の閉じ込めを可能とする。

本発明の実施例１に係るプラズモニックメタマテリアル薄膜半導体レーザの概略図である。 本発明の実施例１に係るプラズモニックメタマテリアル薄膜半導体レーザの概略的断面図である。 本発明の実施例１に係るプラズモニックメタマテリアル薄膜半導体レーザにおける個々の微細金属共振器のサイズと、周波数と誘電率の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１に係るプラズモニックメタマテリアル薄膜半導体レーザの半導体活性層１層当たりの、ＴＥモード光閉じ込め係数、ＳＣＨとＳｉＯ₂の境界面からメタマテリアル構造の下面までの距離、及び光導波路の細線幅の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１に係るプラズモニックメタマテリアル薄膜半導体レーザのＴＥモード光の強度分布を示した図である。

初めに、本発明においてＴＥモード光の閉じ込めに用いる、表面プラズモンについて説明しておく。表面プラズモンとは、微細な領域において、自由電子をもつ物質中の電子が光と相互作用を起こす現象のことであり、電子と光が共鳴して高い光出力をもたらす等の効果を発現する。しかし、通常はＴＭモードの表面プラズモンしか発生させることができない。

半導体レーザ内の光波の伝搬方向をｚ方向とし、ｘ及びｙ方向を光波の伝搬方向と直交する方向とすると、異なる２層（上述の自由電子をもつ物質と、その物質と接する物質）の境界面にＴＥモードの表面プラズモンが存在するための分散関係は以下のように表される。

但し、ε_r1，ε_r2は異なる２層それぞれの誘電率、μ_r1，μ_r2は透磁率である。光通信帯域においては、一般的に材料の性質は誘電率ε_rのみで決まり、透磁率μ_rはμ_r＝１に固定であるため、上記の分散関係を満たすことが出来ない。

しかし、メタマテリアル構造では誘電率ε_rと透磁率μ_rをそれぞれ独立に変化させることができるため、上記の分散関係を満たし、ＴＥモードの表面プラズモンを発生させることが可能となる。

ちなみにメタマテリアル構造とは、ＬＣ共振器として動作するような形状に設計された微細金属（以下、微細金属共振器と記載）を、ホストとなる物質中に複数埋め込んだものである。個々の微細金属共振器のサイズを光の波長より十分小さくすると、ホストとなる物質（特に微細金属共振器周辺の領域）は、光にとって恰も均質な物質のように振る舞い、個々の微細金属共振器の形状を変化させることで光学特性を制御できる。

以下、本発明に係るプラズモン薄膜レーザを実施例にて図面を用いて説明する。

本発明の実施例１に係る装置について図１を用いて説明する。本実施例に係る装置は、メタマテリアル構造を有するプラズモン薄膜レーザ（プラズモニックメタマテリアル薄膜半導体レーザ）であり、ｎ型電極ｎ‐ＩｎＰ２、ｐ型電極ｐ‐ＩｎＰ３、絶縁体（誘電体）層ＳｉＯ₂１、半導体層ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込めヘテロ構造）４、半導体活性層ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：多重量子井戸構造）５を備える。ちなみに、本実施例に係る装置ではＭＱＷ５とその上下のＳＣＨ４が光導波路となる。

加えて本実施例に係る装置は、微細金属共振器の集合である微細金属共振器アレイ７による、メタマテリアル構造８を備える。

光周波数程度の高周波において十分な磁気応答を得るために、微細金属共振器の中でも特に４分割シングルＳＲＲ（Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｎｃｙ：分割リング共振器）を考える。但し、図１はあくまでも概略図であり、個々の微細金属共振器については４分割シングルＳＲＲの形状を表すものではない。４分割シングルＳＲＲは、図３の右下に記載されているイメージ図のような形状である。

また、図１のように本実施例に係る装置はＬＣＩ型であり、ＭＱＷ５横方向にｐ‐ｉ‐ｎ接合構造、及び上下方向に低屈折率を有するＳｉＯ₂１が配置されている。

そして、ＳＣＨ４上部のＳｉＯ₂１内に微細金属共振器アレイ７によるメタマテリアル構造８が設けられ、メタマテリアル構造８の誘電率と透磁率に変化が生じることで、メタマテリアル構造８の表面に発生した表面プラズモンによってＴＥモード光を閉じ込めることができ、メタマテリアル構造８の下面（ＳｉＯ₂１との界面）に回折限界を超えたナノスケールの光閉じ込めが得られる。

ＴＥモード光分布６は、図１，図２のｘ軸がＴＥモード光の強度を表す軸であるとし、ｘ軸−方向に向かう程強度が高くなるものとした場合の、ＴＥモード光の強度分布を表している。これを見ればわかるように、集光領域の直下にあるＳＣＨ４とＭＱＷ５にも多くの光が漏れ、レーザ発振に必要な光閉じ込め係数を実現することができる。

ナノスケールの光閉じ込めによって、ＭＱＷ５への閉じ込め係数を増大させるだけではなく、ＭＱＷ５の微細化が可能となり、しきい値の大幅な改善が成され、同時にデバイスの小型化にも繋がる。

さらに、微細金属共振器アレイ７の構造を最適化することで低損失な表面プラズモンによるナノスケールへの光閉じ込めを行うことができる。

有限要素法により、メタマテリアル構造８の電磁場分布を計算した後、均質化理論を用いてシミュレーションを行った結果を図３に示す。メタマテリアル構造８の特性は個々の微細金属共振器のサイズに依存しており、例えば個々の微細金属共振器のｘ方向の幅Ｌのサイズを小さくすると透磁率の変化は小さくなるが、動作周波数は高周波側へシフトすることになる。

動作周波数としては、光周波数帯である１９３ＴＨｚ周辺になるようにしなければならない。本実施例に係る装置における個々の微細金属共振器は、上述の点及び実際の作製の容易さを考慮して決定された構成である。

図２のように、ＳＣＨ４とＳｉＯ₂１の境界面から微細金属共振器アレイ７までの距離は３００ｎｍと固定し、素子パラメータとして、光導波路の細線幅ｗ、及びＳＣＨ４とＳｉＯ₂１の境界面からメタマテリアル構造８の下面までの距離ｇを考える。

ＳＣＨ４とＳｉＯ₂１の境界面から微細金属共振器アレイ７までの距離を３００ｎｍと固定しながらｇを変化させるというのは、個々の微細金属共振器のサイズを変化させることで可能となる。つまり、個々の微細金属共振器のサイズの変化によってメタマテリアル構造８が形成される範囲も変化する。本実施例に係る装置では、図３に示すようにＬ＝３００‐６００ｎｍ程度を想定しているが、このときｇ＝５０‐２００ｎｍ程度となる。

図４はＭＱＷ５の１層当たりの光閉じ込め係数を計算し、グラデーションプロットしたものである。この図を見ると、ｇ＝５０‐２００ｎｍ，ｗ＝１００‐３００ｎｍの範囲において、光閉じ込め係数が２．５‐３．８％と、いずれにしても従来の薄膜半導体レーザの平均閉じ込め係数である１．５‐２％を上回っており、低しきい値化が可能となることがわかる。

それに加えて図５は、本実施例に係る装置の構成を、図４の白い円で囲まれた点（ｇ＝１５０ｎｍ，ｗ＝２００ｎｍ）としたときの、ＴＥモード光の強度分布を濃淡により示したもの（白いほど強度が高い）であるが、この図からも確認できるように、表面プラズモンによってＳｉＯ₂１層内にＴＥモード光の強度分布のハイブリッドモードが形成されることで、ナノスケール領域にＴＥモード光が強く閉じ込められている。

これによりＭＱＷ５の体積を減らすことが可能となり、しきい値の大幅な改善がなされ、同時にデバイスの小型化にも繋がる。

このように、本実施例に係る装置では、メタマテリアル構造８を利用することで表面プラズモンによってＴＥモード光を閉じ込めることができ、この強光閉じ込めによりＬＣＩ型の薄膜半導体レーザにおいて更なる低しきい値化および小型化を提供することが可能である。

本発明は半導体レーザ、特にオンチップ光配線実現に向けた、高速かつ低消費電力な半導体レーザとして好適である。

１ ＳｉＯ₂ 絶縁体（誘電体）層
２ ｎ‐ＩｎＰ ｎ型電極
３ ｐ‐ＩｎＰ ｐ型電極
４ ＳＣＨ 半導体層
５ ＭＱＷ 半導体活性層
６ ＴＥモード光分布
７ 微細金属共振器アレイ
８ メタマテリアル構造

Claims (2)

1. 横方向電流注入構造の薄膜半導体レーザにおいて、
   光導波路の上部に誘電率と透磁率をそれぞれ独立に制御するメタマテリアル構造を備え、
   前記光導波路において回折限界を超えたナノスケール領域への光の閉じ込めを可能とすることを特徴とするプラズモン薄膜レーザ。
2. 前記メタマテリアル構造が、当該構造内部に微細金属共振器アレイを備えるものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズモン薄膜レーザ。