JP2016036128A - 発振素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来とは異なる構成により発振周波数の安定化を行うことができる発振素子を提供する。
【解決手段】電磁波を発振する発振素子１００であって、電磁波を共振軸方向に沿って共振させるための導波路構造１１０と誘電体層１０７とを有する共振器と、導体壁１１２と、導波路構造と導体壁とを電気的に接続する第一の導体層１０８と、を有する。導波路構造は、第二の導体層１０２、第二の導体層の上に配置されている利得媒質１０３及び利得媒質の上に配置されている第三の導体層１０４、を有する。誘電体層は、第二の導体層の上で、かつ、利得媒質の側面に配置されている。導体壁は、誘電体層によって利得媒質と離間されており、かつ、共振軸方向の導波路構造に定在する電磁波の電界の節の位置に配置されている。利得媒質の側面と導体壁との間の光学的な距離は、電磁波の波長の１／４以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を発振する発振素子に関する。
テラヘルツ波は、ミリ波帯からテラヘルツ帯（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）の周波数領域の電磁波である。電流注入型のテラヘルツ波発振素子として、量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）のような半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づいた電磁波利得を利用する構造が検討されている。ＱＣＬを用いた発振素子としては、誘電率実部が負のメタルであるクラッドと、クラッドに挟まれている活性層であるコアとを有するＤｏｕｂｌｅ−Ｓｉｄｅｄ−Ｍｅｔａｌ（ＤＳＭ）導波路型の共振器を有するものがある。
このような共振器を用いた長波長レーザー（発振素子）において、所望の周波数の発振を得るために、周波数の安定化が試みられている。特許文献１は、ＱＣＬの周波数安定化のために、導波路型の共振器構造を構成する高ドープ半導体クラッド又はコアのドープ量を周期的に変化させた分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）構造を開示している。これは、ドープ量を周期的に変化すると、屈折率が周期的に変化することを利用している。また、特許文献２は、ＤＳＭ導波路型の共振器構造を構成する上下クラッド間の電位差を安定させるために、クラッドの表面電流が極大となる部分において上下クラッドを抵抗体で接続し、動作点と発振周波数を安定化させる方法を開示している。
特開２００６−２７０１０４号公報 特開２００９−５９９２２号公報
特許文献１ではＤＢＲを形成するために大きな屈折率段差を必要としているが、大きな屈折率段差を得るためにはドープ量を大きくする必要がある。しかし、ドープ量を大きくすると導波路内の吸収損失も増大することがあった。また、特許文献２の発振素子は、抵抗体等の影響により、動作の安定性が低下して、結果、十分な発振周波数の安定性が見られないことがあった。
本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、発振周波数をより安定化できる発振素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての発振素子は、電磁波を発振する発振素子であって、前記電磁波を共振軸方向に沿って共振させるための導波路構造と誘電体層とを有する共振器と、導体壁と、前記導波路構造と前記導体壁とを電気的に接続する第一の導体層と、を有し、前記導波路構造は、第二の導体層、前記第二の導体層の上に配置されている利得媒質、及び、前記利得媒質の上に配置されている第三の導体層、を有し、前記誘電体層は、前記第二の導体層の上で且つ前記利得媒質の側面に配置されており、前記導体壁は、前記誘電体層によって前記利得媒質と離間されており、且つ、前記共振軸方向の前記導波路構造に定在する前記電磁波の電界の節の位置に配置されており、前記利得媒質の前記側面と前記導体壁との間の光学的な距離は、前記電磁波の波長の１／４以下であることを特徴とする。
本発明の一側面としての発振素子によれば、発振周波数をより安定化できる発振素子を提供することを目的とする。
実施形態の発振素子の構成を説明する斜視図。 実施例１の発振素子の構成を説明する上面図。 実施例１及び実施例２の発振素子と従来の発振素子とが発振する電磁波の周波数と共振器の長さとの関係を説明するグラフ。 導体壁の幅と導波路損失との関係を示すグラフ。 実施例２の発振素子の構成を説明する上面図。 実施例２の発振素子の変形例の構成を説明する上面図。 実施例２の発振素子を用いた発振器の構成を説明する上面図。 実施例４の発振素子の構成を説明する斜視図。 実施例５の発振素子の構成を説明する上面図。 従来の発振素子の構成を説明する上面図。
（実施形態）
本実施形態の発振素子１００について、図１を参照して説明する。図１は、発振素子１００（以下、「素子１００」と呼ぶ）の外観を示す斜視図である。素子１００は、基板１０１、第一の導体層１０８、容量１０９、共振器１４０、複数の導体壁１１２、を有する。素子１００は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波（テラヘルツ波）を発振する。
共振器を有する発振素子が発振する電磁波の周波数は、主に共振器が有する導波路構造の構成によって決められ、所望の発振周波数ｆｇの電磁波が発振するように、発振素子が設計されている。しかし、実際には、導波路構造で共振する電磁波が、λｇ／２共振をするか、λｇ共振をするか、又は、別のモードで共振するか、という共振モードの制御を行うことができず、発振する電磁波の周波数が安定しないことがあった。本実施形態の素子１００は、導体壁１１２を配置することにより、発振周波数ｆｇの電磁波を安定的に得るものである。
素子１００の各構成について説明する。共振器１４０は、電磁波が共振する導波路構造１１０（以下、「導波路１１０」と呼ぶ）と、誘電体層（層間絶縁層）１０７と、を有する導波路型共振器である。導波路１１０は、第二の導体層１０２、第二の導体層１０２上に配置されている利得媒質１０３、及び、利得媒質１０３上に配置されている第三の導体層１０４、を有する。
すなわち、導波路１１０は、第二の導体層１０２と第三の導体層１０４との間に利得媒質１０３が配置されているＤｏｕｂｌｅ−Ｓｉｄｅｄ−Ｍｅｔａｌ（ＤＳＭ）型のプラズモン導波路構造である。具体的には、利得媒質１０３のうち高濃度にドーピングされていない領域をコア部とし、第二の導体層１０２、第三の導体層１０４それぞれを含むクラッド部でコア部を挟むことによって導波路１１０が形成されている。
ここで、クラッド部は、第二の導体層１０２と利得媒質１０３に含まれている高濃度にドーピングされた半導体層との積層膜、及び、第三の導体層１０４と利得媒質１０３に含まれている高濃度にドーピングされた半導体層との積層膜である。
利得媒質１０３は、テラヘルツ波を発生する半導体多層膜を含んでおり、発生するテラヘルツ波の周波数領域における利得を有している。利得媒質１０３は、具体的には、例えば、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）やガンダイオード等が適用でき、本実施形態では、ＲＴＤを用いる。素子１００は、第二の導体層１０２と第三の導体層１０４との間に、外部電源を有する不図示のバイアス回路を介してバイアスを印加することで、利得媒質１０３にバイアスを印加する構成となっている。
第二の導体層１０２及び第三の導体層１０４のそれぞれは、誘電率実部が負の負誘電率媒質を含んでいる。具体的には、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金インジウム（ＡｕＩｎ）合金等の金属を好適に用いることができる。また、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、エルビウムヒ素（ＥｒＡｓ）等の半金属、高濃度にドーピングされた半導体等を好適に用いることができる。さらに、上述の金属、半金属、高濃度にドーピングされた半導体等を積層して用いることもできる。
第二の導体層１０２と第三の導体層１０４とは、共振器１４０の導波路１１０の構成で規定される発振周波数ｆｇに対応する波長（発振波長）をλｇとすると、λｇ／２以下、より好ましくはλｇ／１０以下まで近接されている。このような構成にすることで、所望の発振周波数ｆｇの周波数領域の電磁波は、導波路１１０で回折限界が存在しない表面プラズモンモードで共振する。発振波長λｇは、半導体レーザー技術で知られるように、導波路１１０の両端部が開放端であれば、導波路１１０の電磁波の共振軸方向における長さａをλｇ／２の整数倍となるように設定することで規定される。
ここで、導波路１１０の電磁波の共振軸方向は、電磁波の伝搬方向、すなわち、導波路１１０の長手方向であり、この共振軸方向及び利得媒質１０３の側面と直交するする方向を、短手方向とよぶ。なお、本明細書の「利得媒質１０３の側面」は、利得媒質１０３の第二の導体層１０２側の面を底面として、利得媒質１０３の複数の面のうち、底面と交わり且つ共振軸方向に伸びる面であると定義する。
層間絶縁層１０７は、利得媒質１０３の側面に配置された誘電体層で、容量１０９及び近接部１１１と、利得媒質１０３と、を離間している。また、層間絶縁層１０７は、第二の導体層１０２上に配置されている。ここで、本明細書の「誘電体」は、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電流に対しては絶縁体としてふるまい、また、所望の発振周波数ｆｇの電磁波に対しては透過性が高い物質である。誘電体層１０７を構成する誘電体としては、ＢＣＢ等の樹脂、ＳｉＯ２等の無機材料等を用いることができる。また、材料を充填せずに、第一の導体層１０８で覆われている空間内の空気を誘電体層１０７としても良い。
容量１０９は、第二の導体層１０２と、利得媒質１０３の側面側で且つ第二の導体層１０２上に配置されている誘電体膜１０５と、誘電体膜１０５上に配置されている第四の導体層１０６と、を有する。容量１０９は、その一部が利得媒質１０３に近接している近接部１１１を有する。また、本実施形態の容量１０９は、電源バイアス回路等の構成によって生じる寄生発振を抑制する役割を有する。すなわち、寄生発振抑制のための容量１０９の一部が導波路１１０に近接する近接部１１１を有する構成である。なお、容量１０９を複数有していてもよい。
容量１０９と導波路１１０とは、第一の導体層１０８によって電気的に並列に接続されている。第一の導体層１０８は、近接部１１１の外周に沿って導体壁１１２を形成している。導体壁１１２は、近接部１１１の側壁で、導波路１１０の長手方向（共振軸方向）と短手方向とを含む平面と交わるように配置されている。近接部１１１と導波路１１０との間には層間絶縁層１０７があるため、近接部１１１と導波路１１０の側壁とは、物理的に接触せずに離間されている。これにより、利得媒質１０３と導体壁１１２とは、層間絶縁層１０７により離間されて配置されている。近接部１１１を配置する位置については、後述する。
本実施形態では、第一の導体層１０８と第三の導体層１０４とは、別々の導体層であるが、これらは一体に構成されていても良いし、第一の導体層１０８が第三の導体層１０４としての機能を有していてもよい。
ここで、導波路１１０及び利得媒質１０３に近接している近接部１１１の導体壁１１２を配置する位置ついて説明する。共振器１４０のプラズモン導波路１１０を伝播する電磁波は、第二の導体層１０２及び第三の導体層１０４それぞれの表面に表面プラズモンを発生させる。表面プラズモンは、キャリアの変動を伴うため、キャリアの変動又は電界の変動を制御することにより表面プラズモンも制御が可能となる。
そこで、導体壁１１２は、共振軸方向において、所望の発振周波数ｆｇの電磁波が導波路１１０に定在した場合に、導波路１１０における発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節の位置に配置される。このとき、導体壁１１２と導波路１１０との間の最短距離Ｄ２は、光学的距離で、発振波長λｇの１／４以下であることが望ましい。
ここで、「電磁波の電界の節」とは、導波路１１０に電磁波が定在し、定在波を形成している場合の、定在波の電界の節のことで、導波路１１０においてその表面電流が最大となる位置である。
導波路１１０の端面が開放端の場合、すなわち、導波路１１０を共振する電磁波が開放端反射する場合、発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節の位置は、導波路１１０の端面から共振軸方向に（−λｇ／４＋ｎλｇ／２、ｎ＝１、２、３・・・）の位置となる。また、導波路１１０の端面が固定端の場合、すなわち、導波路１１０を共振する電磁波が固定端反射する場合、発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節は、導波路１１０の端面から共振軸方向に（ｎλｇ／２、ｎ＝１、２、３・・・）の位置となる。このような発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節となる位置の少なくとも１つに、導体壁１１２を配置する。導体壁１１２を発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節の全てに配置した場合、導体壁間（導体壁１１２間）の距離は、発振波長λｇの１／２程度となる。
また、導体壁１１２は、導体壁１１２と利得媒質１０３の側面との最短距離がλｇ／４以内となる位置に配置する。このような構成にすることによって、導体壁１１２も導波路１１０及び利得媒質１０３と近接することになる。
導体壁１１２を利得媒質に近接させると、発振周波数を安定化させることができる。これは、導体壁１１２が発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節に近接した場合は、導波路損失が小さいが、導体壁１１２が発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節でない位置（例えば電界の腹）に近接した場合は、導波路損失が大きくなることに起因する。すなわち、発振を望まない周波数の電磁波が共振器１４０で共振しようとした場合、その電磁波にとって、導体壁１１２は損失として働くことを利用して、発振周波数を安定化する。
前述したように、共振器１４０で共振する電磁波は、λｇ／２共振モードやλｇ共振モード等のいずれの共振モードで共振するかを制御することができない。これによって、発振周波数が安定しないことがあった。しかし、導波路１１０の利得媒質１０３に近接している導体壁１１２を、共振軸方向における電磁波の電界の節の位置に配置すると、導体壁１１２が配置された位置に電磁波の電界の節を形成しやすくなる。そのため、所望の発振周波数ｆｇの電磁波が共振器１４０に定在して定在波を形成している場合に、その定在波の電界の節となる位置に導体壁１１２を設けると、そこに電磁波の電界の節を形成されやすくなる。これにより発振モードが安定し、発振周波数が安定する。
なお、上述の素子１００は、容量１０９が近接部１１１を有する構成になっているが、近接部１１１が寄生発振抑制のための容量と分離されて設けられていてもよい。また、導体壁１１２は、近接部１１１を有する容量に沿って構成された側壁である必要はなく、利得媒質１０３と分離されて導体壁１１２が配置されていればよい。すなわち、誘電体層１０７の適切な位置に導体壁１１２が配置されていればよい。このとき、寄生発振抑制のための容量１０９は設けてもよいし、設けなくてもよい。
また、容量１０９を設けることによって、寄生発振を抑制して発振周波数をさらに安定化するためには、所望の発振周波数ｆｇにおける近接部１１１のインピーダンスを低くすることが必要となる。具体的には、導波路１１０と近接部１１１との間の抵抗Ｒと、近接部１１１の容量Ｃとに起因するＲＣ直列回路の遮断周波数ｆｃを、発振周波数ｆｇ以下にする必要がある。ここで、遮断周波数ｆｃは、次式で表される。
ｆｃ＝１／（２πＣＲ）
以上のような構成にすることにより、素子１００は、従来の発振素子に比べて、発振周波数をより安定化を行うことができる。
また、本実施形態では、導体壁１１２を設けるために容量１０９と一体となっている近接部１１１を設けている。近接部１１１では、第二の導体層１０２と第三の導体層１０４との電位が高周波接地するため、第二の導体層１０２及び第三の導体層１０４においても、定在波の電界の節における電圧が安定する。それにより、より安定した周波数のレーザー発振を得ることができる。
さらに、本実施形態では、導波路１１０及び容量１０９は、第一の導体層１０８によって導体壁１１２と電気的に接続されている。このとき、第一の導体層１０８が、例えばλｇ／４以下のように細くなると、第一の導体層１０８のインダクタンスが大きくなる。その結果、第一の導体層１０８のインダクタンスと利得媒質内の内部容量とによりＬＣ寄生発振を発生させる可能性がある。これに対し、本実施形態では、第一の導体層１０８の面積を大きくして、第一の導体層１０８のインダクタンスを小さくすることができる。このため、ＬＣ寄生発振を抑制し、従来より安定した発振を得ることができる。
（実施例１）
本実施例では、実施形態の発振素子１００について、より具体的に説明する。まず、図１及び図２を参照して、素子１００の構成について詳細に説明する。
共振器１４０のプラズモン導波路１１０は、第二の導体層１０２、利得媒質１０３、第三の導体層１０４を、この順に積層することにより構成されている。共振器１４０は、ファブリペロー型の共振器構造であり、共振軸方向において少なくとも二つの端面を備えている。この端面からの反射を利用して電磁波を定在化するので、共振器１１０の伝播方向の長さが発振波長を決める要素となる。本実施例では、導波路１１０の共振軸方向における長さａを１０２μｍ、幅ｂを５μｍとした。第二の導体層１０２と第三の導体層１０４との距離は、略１μｍと近接されている。電磁波は、共振器１４０内をプラズモンモードで共振し、共振器１４０の端面の開放端から放射される。
利得媒質１０３には、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の３重障壁共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）構造を含む半導体積層構造を用いた。ＲＴＤ構造は、基板１０１側から、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、Ｓｉ、２×１０１８ｃｍ−３）、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）、ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、Ｓｉ、２×１０１８ｃｍ−３）の順に積層された半導体量子井戸構造である。
ＲＴＤ構造の上下には、高濃度にキャリアドープしたｎ＋ＩｎＧａＡｓ（４００ｎｍ、１×１０１９ｃｍ−３）層が配置されている。これにより、第二の導体層１０２、第三の導体層１０４のそれぞれとＲＴＤ構造とは、ショットキー接続にならない程度に低抵抗で接続される。第二の導体層１０２は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）の積層膜で構成される。第三の導体層１０４は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ）の積層膜で構成される。基板１０１は、ｐ＋ＧａＡｓ基板であり、第二の導体層１０２と接続されている。
容量１０９は、発振素子や電源バイアス回路などによる寄生発振を抑制する。容量１０９は、第二の導体層１０２と第四の導体層１０６との間に誘電体膜１０５を挟んだＭｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）構造である。共振器１１０と容量１０９とは、その間に層間絶縁層（誘電体層）１０７があることにより離間されているが、第一の導体層１０８によって電気的に並列に接続されている。
第四の導体層１０６は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）の積層膜、第一の導体層１０８は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／５００ｎｍ）の積層膜で構成される。誘電体膜１０５は、窒化シリコン（１００ｎｍ）にて構成されている。層間絶縁層１０７は、テラヘルツ波帯で低損失な絶縁材料が好適であり、例えば、ＢＣＢ等の樹脂、ＳｉＯ２等の無機材料を用いることができる。本実施例では、層間絶縁層１０７としてＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いている。
容量１０９は、容量の大きさを約１００ｐＦとし、容量１０９と導波路１１０との最短の距離Ｄ１は２５μｍとする。これにより、数十ＧＨｚの周波数帯の寄生発振を抑制する。また、共振器１４０に定在する電磁波の電界の節となる位置に近接部１１１を近接させる。本実施例では、共振器１４０の端面から電磁波の進行方向に２５．５μｍの位置と７６．５μｍの位置に、導波路１１０の両側に４つの近接部１１１を設けた。
近接部１１１は、導体壁１１２を有しており、この導体壁１１２は、近接部１１１の側面のうち、導波路１１０に最も近い位置に配置されている。近接部１１１は、共振器１４０に定在する電磁波の電界の節から導波路１１０及び利得媒質１０３の側面側にλｇ／４以内の位置に、層間絶縁層１０７によって導波路１１０と離間されて形成されている。すなわち、導体壁１１２と導波路１１０の利得媒質１０３とは、層間絶縁層１０７により離間されている。利得媒質１０３と導体壁１１２との距離Ｄ２は１０μｍで、近接していない部分と比較して１５μｍ接近している。また、本実施例では、近接部１１１及び導体壁１１２の共振軸方向の幅Ｗ１は、発振波長λｇより十分小さいサイズとする必要があり、発振波長λｇの１／ｅ２以下であることが望ましい。本実施例では、幅Ｗ１を１０μｍとした。
本実施例では導体壁１１２を有する素子１００が発振する電磁波の周波数と、近接部１１１を有させない従来の発振素子１０００（以下、「素子１０００」と呼ぶ）が発振する周波数との比較を行った。図１０に導体壁１１２を有さない素子１０００の構造の上面図を示す。素子１０００は、近接部１１１及び導体壁１１２を有さない以外は、本実施形態の素子１００と同様の構造である。すなわち、素子１０００は、導波路構造１０１０を有する共振器１０４０と容量１００９とを有する。容量１００９と導波路構造１０１０とは、層間絶縁膜１００７によって離間されている。
素子１００及び素子１０００は、どちらも共振器１４０、１０４０の長さａは１０２μｍである。素子１００、１０００それぞれが発振する周波数を調べたところ、素子１００が２９４ＧＨｚ、素子１０００が２１３ＧＨｚの電磁波を発振する結果となった。この周波数の違いは、電磁波の発振モードがそれぞれの素子で異なっていることに起因すると考えられる。
ここで、アンシス社のＨＦＳＳを用い、共振器１４０のモデルを作成し、共振器１４０の長手方向の長さａと、発振する電磁波の周波数と、発振モード（電界の節の位置）と、の関係を調べた。その結果を図３に示す。図３の横軸は周波数ｆを、縦軸は共振器１４０の長手方向の長さａであり、電磁波がλ／２共振モード、λ共振モード、３×λ／２共振モードで共振器１４０を共振した場合の周波数ｆと長さａとの関係の計算結果をそれぞれ示した。また、図３には、比較例として素子１０００についての計算結果も示した。
なお、λ／２共振モードでは、共振器１４０の長さａと発振する電磁波の波長λの１／２とが等しく（ａ＝λ／２）、λ共振モードでは、共振器１４０の長さａと発振する電磁波の波長λとが等しくなる（ａ＝λ）。また、３λ／２共振モードでは、共振器の長さａと発振する電磁波の波長λの３／２とが等しくなる（ａ＝３×λ／２）。
図３に示した計算結果によると、共振器１４０の長さａが１０２μｍの場合、λ／２共振モードで共振した電磁波の周波数ｆは、約２００ＧＨｚとなり、λ共振モードで共振した電磁波の周波数は約３００ＧＨｚとなる。これらの結果より、電磁波は、素子１０００の構造ではλｇ／２共振モードであったのに対し、共振軸方向の発振周波数ｆｇの電磁波の電界の節となる位置に近接部１１１を設けた素子１００では、λ共振モードが選択されて電磁波が発振したことがわかる。
このように、導波路１１０の端面から利得媒質１０３の側面側にλｇ／４の位置に、λｇ／２ピッチで導体壁１１２を有する近接部１１１を設けると、その部分を電界の節として電磁波が定在して発振する。これにより、従来の発振素子に比べて、発振周波数の安定化を行うことができる。
ここで、本実施例で近接部１１１のサイズが導波路損失にどのような影響を与えるかを調べるために、アンシス社製電磁界シミュレーターＨＦＳＳを用いて計算を行った。その結果を図４Ａ、図４Ｂに示す。図４Ａは、近接部１１１の長さＤ３と導波路損失との関係を示すグラフで、図４Ｂは、近接部１１２の幅Ｗ１、すなわち、導体壁１１２の幅Ｗ１と導波路損失との関係を示すグラフである。計算は、電磁波の波長を３００ＧＨｚとして行った。
これによると、近接部１１１の長さＤ３が大きくなるほど、導波路損失が大きくなる。近接部１１１の長さＤ３が長くなると、導体壁１１２と利得媒質１０３との距離は短くなる。すなわち、導体壁１１２と利得媒質１０３との距離が近くなるほど、導波路損失が大きくなる。また、導体壁１１２の幅Ｗ１が大きくなるほど導波路損失が大きくなる。このような導波路損失及び共振器１４０の端面の反射損失等を合わせた損失の合計が、利得媒質１０３の利得より大きくなると電磁波が発振しなくなるため、電磁波の発生を妨げないように導体壁１１２及び近接部１１１の大きさを設計することが望ましい。
素子１００の作製方法を説明する。まず、ｐ＋ＧａＡｓからなる基板１０１を準備し、基板１０１の上面にＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を形成する。次に、利得媒質１０３を含む半導体層をエピタキシャル成長したＩｎＰ基板を準備する。その後、半導体層の上面に金属層Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を形成し、ＩｎＰ基板と基板１０１の上面を対向させて、Ａｕの熱圧着法で２枚の基板を接合する。ここで、圧着接合により形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）が第二の導体層１０２となる。
塩酸エッチングにより、接合で一体化した２枚の基板のうちＩｎＰ基板を除去して、半導体層を基板１０１に転写する。転写された半導体層の上面に第三の導体層１０４としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ）を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、第三の導体層１０４及び利得媒質１０３を整形する。化学気相成長法により誘電体膜１０５として窒化シリコン膜１００ｎｍを形成し、第四の導体層１０６としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を真空蒸着法とリフトオフ法を用いて形成する。これにより、容量１０９が形成される。
さらに、スピンコート法によりＢＣＢで利得媒質１０３を埋め込み、ドライエッチング法で平坦化して層間絶縁層（誘電体層）１０７を形成する。次に、第一の導体層１０８としてのＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／５００ｎｍ）を真空蒸着法とリフトオフ法を用いて形成することにより、素子１００が完成する。
本実施例の素子１００によれば、従来とは異なる構成により発振周波数の安定化を行うことができる。また、導波路１１０の近辺にシャント抵抗を設置しないため、抵抗からの熱等の影響により発振素子の動作及び発振周波数が不安定になることを抑制できる。また、本実施例では、寄生発振を抑制するための容量１０９の形状を変化させて近接部１１１を形成し、その一部を利得媒質１０３に近接させる構成であるため、寄生発振を抑制し、かつ安定した所望の発振周波数ｆｇの電磁波を得ることができる。
（実施例２）
本実施例では、上述の発振素子１００の変形例について説明する。図５は、本実施例の発振素子５００（以下、「素子５００」と呼ぶ）の上面図である。素子５００の共振器５４０は、共振軸方向の長さａが素子１００の共振器１４０と異なるが、その他の構成は同様である。また、近接部５１１の形状及びその数が、素子１００の近接部１１１と異なる。共振器５４０及び近接部１１１を除くその他の構成は、素子１００と同様であるため、詳細な説明は省略する。
共振器５４０及び近接部５１１の構成を説明する。共振器５４０は、導波路構造５１０（以下、「導波路５１０」と呼ぶ）を有する。導波路５１０は、共振軸方向の長さａを１５３μｍとし、幅ｂを５μｍとした。
近接部５１１は、容量５０９の一部であり、導波路５１０の片側の端面から電磁波の共振軸方向へ向かって２５．５μｍの位置に１箇所設置した。実施例１では、導波路１１０の両側に近接部１１１を複数設けていたが、本実施例では導波路５１０の片側に近接部５１１を１つだけ配置する。
近接部５１１は、上面から見ると、導波路５１０に近い側の底辺が容量５０９側の底辺より短い台形である。導波路５１０側の底辺の長さ（導体壁５１２の幅）Ｗ１を５μｍ、容量５０９側の底辺の長さＷ２を２０μｍとした。また、容量５０９と導波路５１０との最短の距離Ｄ１は２５μｍ、近接部５１１と導波路５１０との最短の距離Ｄ２は５μｍとした。導体壁５１２は、近接部５１１に沿って形成されている。
本実施例でも実施例１と同様に、近接部５１１を有する素子５００と近接部を有さない従来の素子１０００との発振周波数の比較を行った。なお、ここでは、従来の素子１０００の共振器１０４０の長さａは、導波路５１０の長さと同じ１５３μｍとした。本実施例の素子５００が発振する電磁波の周波数は２８２ＧＨｚであったのに対し、従来の素子１０００が発振する電磁波の周波数は２２６ＧＨｚであった。
実施例１と同様に、アンシス社のＨＦＳＳを用い、共振器５４０のモデルを作成し、共振器５４０の長さａと、発振する電磁波の周波数と、共振モード（電界の節の位置）との関係を調べた。図３に示す通り、素子５００では、電磁波は３λｇ／２共振モードで発振しているのに対し、従来の素子１０００の構造では、λｇ共振モードで発振していることがわかる。このようにλｇ／２の周期構造を持たなくても、近接部５１１を導波路５１０の端面からλｇ／４の位置に設けると、その部分に電界の節をもった電磁波を発振させることができる。
すなわち、素子５００によれば、従来と異なる構成により発振周波数の安定化を行うことができる。また、所望の発振周波数ｆｇの電磁波の共振の妨げにならないように、導波路５１０で共振して定在している場合の定在波の形状に合わせて、近接部５１１の形状を設計しているため、所望の発振周波数の電磁波をより安定して発振できる。
また、図６に、別の変形例の発振素子６００の上面図を示す。素子６００のように、近接部６１１は、寄生発振を抑制するための容量と一体でなく分離されていてもよく、近接部６１１が層間絶縁層６０７によって導波路６１０と離間して形成された容量でもよい。導体壁６１２は、近接部６１１の外周に沿って第一の導体層１０８によって形成される。近接部６１１は、導波路６１０の端面から共振軸方向にλｇ／４の位置に配置され、さらにλｇ／２ピッチで形成することもできる。これにより共振器６４０に定在する電磁波は、近接部６１１が配置された位置にその電界の節を持ち、安定した共振モードで共振器６１０を共振する。そのため、従来の発振素子に比べて、発振周波数が安定化する。
すなわち、素子６００によれば、従来と異なる構成により発振周波数の安定化を行うことができる。
（実施例３）
本実施例では、素子５００を用いた発振器について、図７を参照して説明する。図７は、素子５００を用いた発振器７００の構成を説明する上面図である。発振器７００は、素子５００と、電磁波を放射するための放射器としてのパッチアンテナ７１３と、を有する。パッチアンテナ７１３は、導波路５１０の端面に配置される。このように、導波路５１０の端面に、共振器５４０に定在する電磁波を外部へ取り出すための構造（パッチアンテナ７１３）を設置することにより、イメージングや通信を行うための光源として使用することも可能である。
このように、本実施例によれば、従来とは異なる構成により発振周波数が安定化された発振器を提供できる。
（実施例４）
本実施例の発振素子８００について、図８を参照して説明する。図８は、発振素子８００の構成を説明する図である。発振素子８００は、容量１０９の代わりにシャント抵抗８０１を設けた点が実施例１と異なる。導波路１１０、利得媒質１０３、第二の導体層１０２、第三の導体層１０４、第一の導体層１０８の構造は、実施例１と同じである。
シャント抵抗８０１は、第二の導体層１０２と、第一の導体層１０８と、第二の導体層１０２と第一の導体層１０８との間に配置されている抵抗８０２とを有する。抵抗８０２は導体であり、具体的には金属、セラミック、半導体等を好適に用いることができる。さらに、抵抗８０２は、金属、セラミック、半導体等を積層して形成することもできる。シャント抵抗８０１を設けることにより、発振素子やバイアス回路などによる寄生発振を抑制する。
導波路１１０とシャント抵抗８０１とは、誘電体層１０７により離間されているが、第二の導体層１０２と第一の導体層１０８とによって、電気的に並列に接続されている。シャント抵抗８０１の抵抗値と、プラズモン導波路１１０とシャント抵抗８０１とを接続する第一の導体層１０８の配線の抵抗値と、の合計抵抗値は、利得媒質１０３の微分負性抵抗の抵抗値の絶対値より小さくなるように設定することが望ましい。合計抵抗値は、シャント抵抗８０１及び第一の導体層１０８等の材料、膜厚、及びシャント抵抗８０１の配置、形状によって調整できる。本実施例では、利得媒質１０３の微分負性抵抗の抵抗値が−０．４５Ωであるため、シャント抵抗８０１の抵抗値を０．１６Ωとした。なお、抵抗８０２を除いて第二の導体層１０２と第一の導体層１０８を直接接触させてもよい。
本実施例では、導波路１１０の長さａを１０２μｍ、幅ｂを５μｍとした。そして、実施例１と同様に、共振器１４０内の電磁波がλ共振モードとなるように導体壁１１２を含む近接部１１１を設けた。具体的には、共振器１４０の端面から電磁波の進行方向にλｇ／４の位置及び３λｇ／４の位置に、導体壁１１２を設けた。
共振器１４０の端面から電磁波の進行方向にλｇ／４及び３λｇ／４の位置は、それぞれ共振器１４０の端面の一方から２５．５μｍ、７６．５μｍの位置である。本実施例では、導体壁１１２は、導波路１１０の両側に設けた。この場合の電磁波の発振周波数は約３００ＧＨｚとなり、実施例１と同様にλ共振モードで発振する。なお、導波路１１０とシャント抵抗８０１との距離Ｄ１は２５μｍとした。このような構成にすることにより、従来とは異なる構成により発振周波数の安定化を行うことができる。
また、シャント抵抗８０１とプラズモン導波路１１０を接続する第一の導体層１０８の配線の太さが、例えばλｇ／４以下のように細くなると、第一の導体層１０８のインダクタンスが大きくなる。その結果、第一の導体層１０８のインダクタンスと利得媒質内の内部容量とによりＬＣ寄生発振を発生させる可能性がある。これに対し、本実施例では、シャント抵抗８０１と導波路１１０とを接続する第一の導体層１０８によって形成される配線の断面積を大きくして、第一の導体層１０８のインダクタンスを小さくすることができる。このため、ＬＣ寄生発振を抑制し、安定した発振が得られる。
本実施例の発振素子９００について、図９を参照して説明する。図９は、発振素子９００の構成を説明する図である。本実施例では、誘電体膜（１０５）の一部を貫通する抵抗９０２を複数配置することにより、導体壁１１２や近接部１１１に沿ってシャント抵抗を配置している。抵抗９０２には、実施例４の抵抗８０２と同様のものを用いる。複数の抵抗９０２の形状は、例えば一辺２μｍの矩形、または直径２μｍの円形等が考えられる。このように、近接部の一部にシャント抵抗を配置する構造であっても、従来とは異なる構成により発振周波数の安定化を行うことができる。
以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態と実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上述の実施形態及び実施例１、２では、寄生発振抑制のための容量１０９、５０９を設けているが、実施例３のように容量を有していない構成でも良い。また、実施例２で示した通り、導体壁及び近接部の形状や大きさは、適宜変更が可能である。導体壁及び近接部の形状は、電磁波が共振器に定在することによって形成される定在波の形状に合わせて設計することが望ましい。具体的には、共振器に定在している電磁波の共振の障害にならない形状に調整することが望ましい。
また、発振周波数を安定化するためには、導体壁１１２が所定の位置に配置されていればよい。例えば、近接部１１１のように容量を設けなくても、層間絶縁層１０７の中の、共振軸方向において電磁波の電界の節となる位置に導体が埋め込まれて、発振周波数を安定化するための導体壁として機能するような構成でもよい。
１００ 発振素子
１０２ 第二の導体層
１０３ 利得媒質
１０４ 第三の導体層
１０７ 誘電体層（層間絶縁層）
１０８ 第一の導体層
１１０ 導波路構造
１１２ 導体壁
１４０ 共振器

Claims (15)

  1. 電磁波を発振する発振素子であって、
    前記電磁波を共振軸方向に沿って共振させるための導波路構造と誘電体層とを有する共振器と、
    導体壁と、
    前記導波路構造と前記導体壁とを電気的に接続する第一の導体層と、を有し、
    前記導波路構造は、第二の導体層、前記第二の導体層の上に配置されている利得媒質、及び、前記利得媒質の上に配置されている第三の導体層、を有し、
    前記誘電体層は、前記第二の導体層の上で且つ前記利得媒質の側面に配置されており、
    前記導体壁は、前記誘電体層によって前記利得媒質と離間されており、且つ、前記共振軸方向の前記導波路構造に定在する前記電磁波の電界の節の位置に配置されており、
    前記利得媒質の前記側面と前記導体壁との間の光学的な距離は、前記電磁波の波長の１／４以下である
    ことを特徴とする発振素子。
  2. 前記導波路構造は、開放端となる端面を有し、
    前記導体壁と前記端面との間の光学的な距離は、前記電磁波の波長の１／４である
    ことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
  3. 前記導波路構造は、固定端となる端面を有し、
    前記導体壁と前記端面との間の光学的な距離は、前記電磁波の波長の１／２である
    ことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
  4. 複数の前記導体壁を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発振素子。
  5. 複数の前記導体壁のうち前記共振軸方向の距離が最も近い２つの前記導体壁間の前記共振軸方向の距離は、前記電磁波の波長の１／２である
    ことを特徴とする請求項４に記載の発振素子。
  6. 前記第二の導体層、前記利得媒質の前記側面側且つ前記第二の導体層の上に配置されている誘電体膜、及び、前記誘電体膜の上に配置されている第四の導体層、を有する容量を有し、
    前記容量と前記導波路構造とは、前記第一の導体層によって電気的に接続されており、
    前記容量は、前記容量の一部が前記利得媒質に近接している近接部を有し、
    前記第一の導体層が、前記近接部に沿って前記導体壁を構成している
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発振素子。
  7. 前記第二の導体層、前記利得媒質の前記側面側且つ前記第二の導体層の上に配置されている誘電体膜、及び、前記誘電体膜の上に配置されている第四の導体層、を有する容量を有し、
    前記容量と前記導波路構造とは、前記第一の導体層によって電気的に接続されており、
    前記第一の導体層が、前記容量に沿って前記導体壁を構成している
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発振素子。
  8. 前記導波路構造と前記導体壁との間の抵抗をＲ、前記容量をＣとすると、前記導波路構造と前記導体壁との間の抵抗と前記容量とに起因するＲＣ直列回路の遮断周波数ｆｃは、
    ｆｃ＝１／（２πＣＲ）
    で表され、
    前記容量は、前記遮断周波数ｆｃが前記電磁波の発振周波数ｆｇ以下となるように設定されている
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載の発振素子。
  9. 前記容量を第一の容量とすると、
    前記誘電体層によって前記第一の容量と離間されており、且つ、前記第一の導体層によって、前記導波路構造及び前記第一の容量と電気的に接続されている第二の容量を有し、
    前記導波路構造と前記導体壁との間の抵抗をＲ、前記容量をＣとすると、前記導波路構造と前記導体壁との間の抵抗と前記第二の容量とに起因するＲＣ直列回路の遮断周波数ｆｃは、
    ｆｃ＝１／（２πＣＲ）
    で表され、
    前記第二の容量は、前記遮断周波数ｆｃが前記電磁波の発振周波数ｆｇ以下となるように設定されている
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載の発振素子。
  10. 前記導体壁の前記共振軸方向の長さは、前記電磁波の波長の１／ｅ２以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発振素子。
  11. 前記導波路構造は、前記第二の導体層及び第三の導体層が、誘電率実部が負の負誘電率媒質を含むプラズモン導波路構造である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発振素子。
  12. 前記利得媒質は、キャリアのサブバンド間遷移により前記電磁波を発生する量子井戸構造の半導体多層膜を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発振素子。
  13. 前記電磁波の周波数は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発振素子。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の発振素子と、前記発振素子からの電磁波を放射する放射器と、を有する
    ことを特徴とする発振器。
  15. 前記放射器は、パッチアンテナである
    ことを特徴とする請求項１４に記載の発振器。
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