JP2019040046A - フォトニック結晶光回路および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる波長を有する複数の共振器を同時に励起させる。【解決手段】光源モジュール（４）は、シリコン基板（４ａ）に多数の空孔（４ｂ）が形成されたフォトニック結晶構造体を備えている。フォトニック結晶構造体には、複数の微小共振器（４１〜４３）が設けられている。各微小共振器（４１〜４３）は、単一の励起光源から発されて基板（４ａ）に入射する入射光により同時に励起され、かつ異なる励起波長で共振する励起共振モードをそれぞれ有する。入射光は、前記複数の共振器に対する複数の異なる前記励起波長を連続的に含むスペクトルを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、フォトニック結晶を用いた光導波路または光共振器に適用可能なフォトニック結晶光回路に係り、特に、波長分波器あるいはラマン散乱光増強デバイスとして利用可能なフォトニック結晶光回路に関する。

非特許文献１には、シリコンからなるスラブに多数の空孔が２次元的な周期構造を有するように形成されるスラブ型の２次元フォトニック結晶において、入射された特定の波長の光を、その波長に対応する特定の出力ポートから取り出す光回路が開示されている。この光回路は、フォトニック結晶に形成された点状欠陥あるいは点状欠陥が並んだ線状欠陥からなる光共振器を備えている。この光共振器は、入射光の波長と同じ特定の波長にて共振する共振モードを有することにより、特定の波長を有する光を外部に取り出すことが出来る。

また、特許文献１および２には、シリコンからなるスラブに多数の空孔が２次元的な周期構造を有するように形成されるスラブ型の２次元フォトニック結晶において、誘導ラマン散乱を起こすことが可能に形成されたラマン散乱光増強デバイスが開示されている。これらのラマン散乱光増強デバイスは、構造パラメータの異なる２次元フォトニック結晶を併設することで形成される面内へテロ構造を有しており、構造パラメータが異なることにより、モードギャップ差を利用した光閉じ込めを実現する。

特許文献１に開示されたラマン散乱光増強デバイスは、フォトニック結晶に形成された点状欠陥が並んだ線状の欠陥からなる光共振器を備えている。また、当該ラマン散乱光増強デバイスには、入射光の波長と対象媒質のラマン散乱光の波長とのそれぞれに対する各共鳴モードを実現するように２つの反射部が設けられている。

特許文献２に開示されたラマン散乱光増強デバイスは、フォトニック結晶に形成された点状欠陥が並んだ線状の欠陥からなる光共振器と、入射光に対して少なくとも二つの周波数で共鳴モードを有する導波路とを備える。また、当該ラマン散乱光増強デバイスは、一の共鳴モードと他の共鳴モードとの周波数差が前記半導体基板のラマンシフト周波数に等しくなっている。さらに、当該ラマン散乱光増強デバイスは、前記二つの共鳴モードの電磁界分布と前記半導体基板のラマンテンソルとによって表されるラマン遷移確率が最大となるように、前記半導体基板の結晶方位面における前記導波路の形成方向が設定されている。

これらのデバイスは、電子回路と発光デバイスとをシリコン基板上に一体で形成することが出来る。このことから、これらのデバイスの応用の一例としては、電子回路内あるいは電子回路間の光配線用の光源などとしての応用開発が提案されている。

特開２００８−２４１７９６号公報（２００８年１０月９日公開） 国際公開番号ＷＯ ２０１４／０３０３７０（２０１４年２月２７日公開）

Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Daiki Yamashita, and Susumu Noda, "Ultra-compact 32-channel drop filter with 100 GHz spacing", Optics Express Vol. 22, Issue 4, pp. 4692-4698 (2014)

非特許文献１に開示された光回路と、特許文献１および２に開示されたラマン散乱光増強デバイスとしてのラマンレーザ光源とは、光励起型のデバイスである。このため、これらのデバイスは、それぞれの微小共振器を励起するには、特定の波長の励起光源を必要とする。前出の特許文献１および２には、励起光源としてレーザ光源あるいは発光ダイオードが用いられた例が示されている。この例では、励起光源の１波長に対して一つの微小共振器を励起する。

ここで、特許文献１および２には、一つの波長の励起光にて一つの波長のラマン散乱光を発生させる例が示されている。しかしながら、特許文献１および２には、複数の異なる波長を有する多数の共振器を同時に励起させる場合に好適な構成については開示も示唆もされていない。

非特許文献１には、複数の共振器から異なる波長を取り出す例が開示されている。この例は、入射する励起光の波長を一定の波長範囲でスキャンし、励起光の波長が共振器の共振波長と一致した際に当該共振波長に応じた出力光が共振器から取り出されるものであり、複数の共振器を一度に励起するものではない。通常、一つの共振器を励起する為には、波長可変レーザ等を用い、その共振器の共振波長に一致するように励起光の波長を高い精度で合わせ込む必要がある 。

本発明の一態様は、異なる波長を有する複数の共振器を同時に励起させることを目的とする。特に、複数の共振器の共振波長のそれぞれに厳密に合わせ込む必要なく複数の共振器を同時に励起することが出来るものを提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るフォトニック結晶光回路は、基板に多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体を備え、前記フォトニック結晶構造体には複数の共振器が設けられており、前記複数の共振器が、単一の励起光源から発されて前記基板に入射する入射光により同時に励起され、かつ異なる励起波長で共振する励起共振モードをそれぞれ有し、前記入射光が、前記複数の共振器に対する複数の異なる前記励起波長を連続的に含むスペクトルを有する。

本発明の一態様によれば、異なる波長を有する複数の共振器を同時に励起させることが出来るという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る発光装置の構成を示すブロック図である。 上記発光装置における光源モジュールの構成を示す平面図である。 上記発光装置における励起光源を構成するスーパールミネッセントダイオードの波長に対する光強度の特性を示す図である。 本発明の実施形態２に係る発光装置の構成を示すブロック図である。 図４に示す発光装置の励起光源として好適に用いられる半導体発光素子の構成を示す上面図である。 図４に示す発光装置における光源モジュールの構成を示す平面図である。 （ａ）は図５に示す光源モジュールを構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器を中心に拡大して示す平面図であり、（ｂ）はフォトニック結晶における空孔の間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図である。 上記半導体発光素子の波長に対する光強度の特性を示す図である。

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１について図１〜図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。

〈発光装置１１の構成〉
図１は、本実施形態に係る発光装置１１の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、発光装置１１は、励起光源１と、光ファイバ２と、入光器３と、光源モジュール４とを備えている。

励起光源１は、光源モジュール４に含まれる微小共振器４１〜４３（共振器）を励起する光源である。励起光源１としては、スーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode）が用いられる。スーパールミネッセントダイオード（以降、「ＳＬＤ」と称する）は、ＬＥＤのようにブロードなスペクトルを有し、かつ半導体レーザのように高輝度の光を発光する発光素子である。

光ファイバ２は、励起光源１から出射された光を入光器３に導く導光路である。

入光器３は、光ファイバ２によって励起光源１から導かれた光を光源モジュール４に入射させる光学部材である。入光器３としては、集光用レンズ等が用いられる。

光源モジュール４は、入光器３を経て入射した光から、複数の異なる波長の光を波長毎に分離して出力する一種のフィルタとして動作する。本実施形態において、光源モジュール４は、単一の入射光を３つの波長の光に分離する例を示すが、入射光の分離数は３に限定されるものではなく、例えば入射光を数十あるいは数百に分離して取り出すことも可能である。

〈光源モジュール４の構成〉
光源モジュール４について、詳細に説明する。図２は、発光装置１１における光源モジュール４の構成を示す平面図である。

図２に示すように、光源モジュール４は、２次元フォトニック結晶構造体（フォトニック結晶構造体）を備えるフォトニック結晶光回路である。２次元フォトニック結晶構造体は、例えば厚さ約２００ｎｍのシリコン基板４ａ（基板）に多数の空孔４ｂが周期的に配列されることで２次元フォトニック結晶が形成された構造体である。２次元フォトニック結晶構造体には、入射部４ｃからｘ方向（光源モジュール４の長手方向）に伸びるように続く空孔４ｂが塞がれた部分（「線欠陥」と称する）が形成されており、この部分が微小導波路４４として機能する。

この２次元フォトニック結晶構造体には、３つの領域ＰＣ（４１），ＰＣ（４２），ＰＣ（４３）にてフォトニックバンドの構造が異なる。各領域ＰＣ（４１），ＰＣ（４２），ＰＣ（４３）のフォトニックバンドの構造は、空孔４ｂの直径、間隔（フォトニック結晶の格子定数）、形状等により制御される。本実施形態では、空孔４ｂの間隔を領域ＰＣ（４１），ＰＣ（４２），ＰＣ（４３）にて３段階に異ならせることにより３段階の異なるフォトニックバンド構造を得ている。

具体的には、空孔４ｂのｙ方向（光源モジュール４の幅方向）の間隔は一律７１０ｎｍであり、空孔４ｂのｘ方向の間隔は、領域ＰＣ（４１），ＰＣ（４２），ＰＣ（４３）において、それぞれ４００ｎｍ，４０５ｎｍ，４１０ｎｍと異なっている。また、空孔４ｂの直径は２２０ｎｍである。なお、微小導波路４４は、空孔４ｂのｙ方向の間隔７３８ｎｍの幅を有し、波長λ（１），λ（２），λ（３）の何れの入射光も透過する導波路として形成されている。

シリコン基板４ａの面内における領域ＰＣ（４１），ＰＣ（４２），ＰＣ（４３）には、それぞれ、微小導波路４４からｙ方向に数個の空孔４ｂを隔てた位置に、ｘ方向に隣接する数個の空孔４ｂを埋めた点欠陥領域が設けられている。その点欠陥領域は、微小共振器４１〜４３として機能する。微小共振器４１〜４３は、それぞれ特定の異なる波長λ（１），λ（２），λ（３）で共振する。

微小共振器４１〜４３は、入射光のそれぞれ異なる波長λ（１），λ（２），λ（３）に対する共振モード（励起共振モード）を有している。これにより、微小共振器４１〜４３は、それぞれ異なる波長λ（１），λ（２），λ（３）によって励起されて、波長λ（１），λ（２），λ（３）の光を発する。このように、微小共振器４１〜４３を備える光源モジュール４は、波長分波回路として機能する。

なお、微小共振器４１〜４３は、点欠陥が連なることにより、短い線状となっている。ここでは、微小導波路４４を形成する上述の「線欠陥」と明確に区別するため、微小共振器４１〜４３を構成する点欠陥が連なった短い線状の欠陥部分をあえて「点欠陥」と表現する。

また、微小共振器４１〜４３は、フォトニック結晶における空孔の周期性が、前記フォトニック結晶における前記共振器が形成されていない部分の空孔の周期性と異なっておればよく、上記のような点欠陥が連なった短い線状の形状に限定されない。微小共振器４１〜４３は、例えば、空孔４ｂを大きく形成したり、空孔４ｂ同士の間隔を狭くしたりして形成されたものであってもよい。これは、後述する実施形態２における微小共振器６１，６２（図６参照）も同様である。

〈光源モジュール４による光の取り出し〉
ここで、光源モジュール４による光の取り出しについて説明する。図３は、励起光源１を構成するＳＬＤの波長に対する光強度の特性を示す図である。

図１および図２に示すように、光源モジュール４には、励起光源１（ＳＬＤ）から出射された光が、入射部４ｃから微小導波路４４へと入射する。ＳＬＤの出射光は、異なる波長λ（１），λ（２），λ（３）を含むブロードなスペクトルを有する励起光である。換言すれば、この出射光は、微小共振器４１〜４３に対する複数の異なる励起波長を連続的に含むスペクトルを有する。

この励起光が微小導波路４４へ入射すると、微小導波路４４から、領域ＰＣ（４１）〜ＰＣ（４３）におけるそれぞれの微小共振器４１〜４３に達する。微小共振器４１により、微小共振器４１の共振波長（励起波長）に対応する波長λ（１）のみの光がｚ方向に取り出される。また、微小共振器４２により、微小共振器４２の共振波長（励起波長）に対応する波長λ（２）のみの光がｚ方向に取り出される。また、微小共振器４３により、微小共振器４３の共振波長（励起波長）に対応する波長λ（３）のみの光がｚ方向に取り出される。このように、微小共振器４１〜４３により、入射光から３つの異なる波長の光を分離することが出来る。具体的に取り出された光の波長は、それぞれ、波長λ（１）は１５４４ｎｍであり、波長λ（２）は１５５４ｎｍであり、波長λ（３）は１５６４ｎｍであった。なお、光取り出し用の導波路を微小共振器４１〜４３の近傍に形成しておけば、光をシリコン基板４ａの面内方向に取り出すことも出来る。

微小導波路４４と微小共振器４１〜４３との間には、フォトニック結晶の結晶格子の数格子分の間隔が空いている。微小導波路４４と微小共振器４１〜４３との間の距離を適切に設定することにより、微小導波路４４と微小共振器４１〜４３との間で最も効率的にエバネッセント光結合が生じるように、フォトニック結晶の構造が最適化されている。

〈本実施形態の効果〉
本実施形態の発光装置１１は、光源モジュール４において、このように３つの異なる励起波長にて共振する微小共振器４１〜４３を備えている。また、発光装置１１は、その３つの微小共振器４１〜４３のそれぞれの共振モード（励起モード）に対応する波長を含むブロードなスペクトルを有する励起光源１としてＳＬＤを用いている。

図３に示すように、３つの微小共振器４１〜４３の共振波長の分布は、ＳＬＤのブロードなスペクトルと重なっている。これにより、ＳＬＤからの励起光を光源モジュール４に入射させることで、３つの微小共振器４１〜４３を一度に励起することが出来る。

また、ＳＬＤの出力光は一方向に偏波面が揃った直線偏光を有している。これに応じて、前述の２次元フォトニック結晶を、その面内方向と平行な方向に直線偏波光（ＴＥ偏光）が入射されるように配置することが出来る。

通常、このように複数の異なる波長で共振する共振器を励起する際には、波長可変レーザ等を用い、その共振器の共振波長に一致するように励起光の波長を高い精度で合わせ込んでいた。また、共振器の共振波長は、環境温度の変化等による材料の屈折率の変化の影響を受けて変動するが、従来の方法では共振波長の変動が起こらないようにデバイスの温度を厳密に調整すること、共振器の共振波長の変動に追従して励起波長を適宜調整することなどの仕組みが必要であった。本発明は、複数の共振器に対する複数の異なる励起波長を連続的に含むスペクトルを有する励起光を用いる。これにより、上記のような従来要求された仕組みは必要はなく、共振器の温度管理の必要が無く、また環境温度の変化等により共振器の共振波長が変動しても励起光の調整の必要が無い。したがって、安価に安定したシステムを構築することが出来るようになる。

本実施形態では、複数の微小共振器４１〜４３のそれぞれの共振モードに対応する発光波長を含むブロードなスペクトルを有する励起光源１の一例として、ＳＬＤを用いた場合を示した。ただし、励起光源１は、ＳＬＤに限定される必要は無く、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。

しかしながら、発光ダイオードでは、次の２つの条件を満たすことが難しい。第１の条件は、２次元フォトニック結晶による線欠陥導波路に効率的に閉じ込められる直線偏光された光を出射することである。第２の条件は、複数の微小共振器４１〜４３のそれぞれの共振モード（励起共振モード）に対応した励起波長を含むブロードなスペクトルを有しつつ、スペクトル半値幅が比較的狭いために微小共振器４１〜４３を効率的に励起することが出来ることである。この２つの条件を満たす観点から、励起光源１としてＳＬＤを用いることが好ましいと言える。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図４〜図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１にて説明した構成要素と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

〈発光装置１２の構成〉
図４は、本実施形態に係る発光装置１２の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、発光装置１２は、入光器３と、励起光源５と、光源モジュール６とを備えている。

なお、発光装置１２は、励起光源５と入光器３との間に、実施形態１の発光装置１１が備える光ファイバ２（図１参照）を備えていてもよい。

励起光源５は、光源モジュール６に含まれる微小共振器６１，６２（共振器）を励起する光源である。励起光源５としては、内部に導波路構造を有する半導体発光素子が用いられる。

光源モジュール６は、入光器３を経て入射した光の波長を変換してラマン散乱光を出力する波長変換器として動作する。本実施形態において、光源モジュール６からの出力数は２に限定されるものではなく、例えば数十あるいは数百の出力を取り出すことも可能である。

〈励起光源５の構成〉
図５は、発光装置１２の励起光源５として好適に用いられる半導体発光素子７の構成を示す上面図である。

図５に示すように、半導体発光素子７は、導波路構造７１を含む発光領域を有している。また、半導体発光素子７は、低反射率コーティング７２と、高反射率コーティング７３とを有している。

導波路構造７１は、半導体レーザと同様の、ｘ軸方向（半導体発光素子７の光出射方向）に伸びる導波路型の内部構造である。

低反射率コーティング７２は、導波路構造７１の出射端を含む半導体発光素子７の光出射面（前端面）に施された低反射率のコーティングの部分である。低反射率コーティング７２に代えて、低反射率となるように、傾斜した端面を設けてもよい。

高反射率コーティング７３は、半導体発光素子７の光出射面と反対側の面（後端面）に施された高反射率のコーティングの部分である。

〈光源モジュール６の構成〉
光源モジュール６について、詳細に説明する。図６は、発光装置１２における光源モジュール６の構成を示す平面図である。

図６に示すように、光源モジュール６は、２次元フォトニック結晶構造体（フォトニック結晶構造体）を備えるフォトニック結晶光回路である。２次元フォトニック結晶構造体は、例えば厚さ約２００ｎｍの長方形を成すシリコン基板６ａ（基板）に多数の空孔６ｂが周期的に配列されることで２次元フォトニック結晶が形成された構造体である。２次元フォトニック結晶構造体には、入射部６ｃからｘ方向（光源モジュール６の長手方向）に伸びるように続く空孔６ｂが塞がれた部分（「線欠陥」と称する）が形成されており、この部分が微小導波路６３として機能する。

この２次元フォトニック結晶構造体には、２つの領域ＰＣ（６１），ＰＣ（６２）にてフォトニックバンドの構造が異なる。各領域ＰＣ（６１），ＰＣ（６２）のフォトニックバンドの構造は、空孔６ｂの直径、間隔（フォトニック結晶の格子定数）、形状等により制御される。本実施形態では、空孔６ｂの間隔を領域ＰＣ（６１），ＰＣ（６２）にて２段階に異ならせることにより２段階の異なるフォトニックバンド構造を得ている。

具体的には、空孔６ｂのｙ方向の間隔は一律７１０ｎｍであり、空孔６ｂのｘ方向の間隔は、各領域ＰＣ（６１），ＰＣ（６２）において、それぞれ４１０ｎｍ，４２０と異なっている。また、空孔６ｂの直径は２６０ｎｍである。なお、微小導波路６３は、空孔６ｂのｙ方向の間隔７８１ｎｍの幅を有し、波長λ（１），λ（２）の何れの入射光も透過する導波路として形成されている。

シリコン基板６ａの面内における領域ＰＣ（６１），ＰＣ（６２）には、それぞれ、微小導波路６３からｙ方向（光源モジュール６の幅方向）に数個の空孔６ｂを隔てた位置に、ｘ方向に隣接する数個の空孔６ｂを埋めた点欠陥領域が設けられている。その点欠陥領域は、微小共振器６１，６２として機能する。微小共振器６１，６２は、それぞれ特定の異なる波長λ（１），λ（２）で共振する。

微小共振器６１，６２は、入射光のそれぞれ異なる波長λ（１），λ（２）に対する共振モード（励起共振モード）と、微小共振器６１，６２のそれぞれが発するラマン散乱光に対する共振モード（ラマン共振モード）とを有している。これにより、微小共振器６１，６２は、それぞれ異なる波長λ（１），λ（２）によって励起されて、それぞれ異なる波長λ（Ｒ１），λ（Ｒ２）のラマン散乱光を発する。

なお、本実施形態では、実施形態１の微小共振器４１〜４３と同じく、微小共振器６１，６２は、点欠陥が連なることにより、短い線状となっている。ここでも、微小導波路６３を形成する上述の「線欠陥」と明確に区別するため、微小共振器６１，６２を構成する点欠陥が連なった短い線状の欠陥部分をあえて「点欠陥」と表現する。

〈光源モジュール６における空孔間隔〉
ここで、光源モジュール６における空孔の間隔を部分的に異ならせることの効果について説明する。図７の（ａ）は、光源モジュール６を構成するフォトニック結晶の構造を微小共振器６１，６２（点欠陥領域）を中心に拡大して示す平面図である。図７の（ｂ）は、フォトニック結晶における空孔６ｂの間隔が異なる領域に対応するエネルギー準位を示す図である。

図７の（ａ）に示すように、フォトニック結晶において、上述の点欠陥による微小共振器６１，６２が形成される範囲を、中央の中央範囲Ａ０と、中央範囲Ａ０の図中左側の第１範囲Ａ１と、中央範囲Ａ０の図中右側の第２範囲Ａ２とに区分されているものとする。

ここで、点欠陥領域の中央範囲Ａ０では、モードギャップ差を利用した光閉じ込めが実現される。これは、点欠陥領域内の中央範囲Ａ０において、伝搬波長の帯域をずらすように周囲の構造を変化させることで生じるフォトニックバンドギャップによって、一対の光反射面を形成することにより実現される。具体的には、光反射面の領域のフォトニック結晶の空孔６ｂの大きさを変化させたり、空孔６ｂの位置や間隔を僅かに変化させたりする（例えば、導波路に近づけたり、遠ざけたりする）ことにより、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させることが出来る。

本実施形態では、次のようにフォトニックバンドを設計した。図７の（ａ）に示すように、第１範囲Ａ１および第２範囲Ａ２における隣り合う２つの空孔６ｂの間は、間隔ｄで隔てられている。これに対し、中央範囲Ａ０における隣り合う２つの空孔６ｂの間は、間隔ｄよりΔｄ広い間隔ｄ＋Δｄで隔てられている。このように、点欠陥領域では、空孔６ｂの間隔（格子間隔）が、中央範囲Ａ０と第１範囲Ａ１および第２範囲Ａ２とで異なっている。中央範囲Ａ０における空孔６ｂの間隔のみがΔｄだけ広いことにより、ヘテロ構造が形成される。

図７の（ｂ）に示すように、上記のヘテロ構造が形成された領域内には、より高いエネルギー準位に第２ナノ共振モードが存在し、その準位から１５．６ＴＨｚ（シリコンのラマンシフト周波数）だけ低くなったエネルギー準位に第１ナノ共振モードが存在するように設計されている。それぞれのエネルギー準位において、井戸型ポテンシャルが形成されている。

この井戸型ポテンシャルによって光の閉じ込めが生じ、格子間隔がΔｄだけ広げられた中央範囲Ａ０における点欠陥領域が、２つの上記共振モードによって光を同時に閉じ込める共振器として作用する。ここで、第２ナノ共振モードに対応する励起光が点欠陥領域に入射すると、励起光に対するラマン散乱光が第１ナノ共振モードにて閉じ込められ、ラマン散乱光がレーザ発振に至るようになる。

このような構成では、励起光とラマン散乱光との空間的重なりが大きく、励起光とラマン散乱光のナノ共振モードのＱ値をそれぞれ１０万以上、１００万以上という非常に高い値にすることが可能となる。さらに、このような構造は、１５．６ＴＨｚの周波数差を、上記利点を損なわずに、光通信波長帯（１．３〜１．６μｍ）の全てにおいて容易に実現出来るという利点、すなわち波長設計自由度の高さを備えている。

このようにして形成される微小共振器６１，６２は、ラマン散乱光増強装置およびラマンレーザ光源として機能する。実施形態１における光源モジュール４が非レーザ光を出射するのに対し、本実施形態における光源モジュール６はレーザ光を出射し得る。本実施形態の発光装置１２は、この点で実施形態１の発光装置１１と異なる。

〈光源モジュール６による光の取り出し〉
ここで、光源モジュール６による光の取り出しについて説明する。図８は、半導体発光素子７の波長に対する光強度の特性を示す図である。

図４〜図６に示すように、光源モジュール６には、励起光源５（半導体発光素子７）から出射された光が、入射部６ｃから微小導波路６３へと入射する。半導体発光素子７の出射光は、第２ナノ共振モードに対応した、異なる波長λ（１），λ（２）を含むブロードなスペクトルを有する励起光である。換言すれば、この出射光は、微小共振器６１，６２に対する複数の異なる励起波長を連続的に含むスペクトルを有する。

この励起光が微小導波路６３から微小共振器６１，６２に達すると、図６に示すように、微小共振器６１，６２において、エバネッセント光結合により、それぞれ異なる第２ナノ共振モード（波長λ（Ｅ１），λ（Ｅ２）に対応）が励起される。これにより、波長λ（Ｅ１）の光が微小共振器６１に閉じ込められ、波長λ（Ｅ２）の光が微小共振器６２に閉じ込められる。

そして、微小共振器６１，６２のそれぞれにおいて、ラマンシフト周波数だけ低いエネルギーを有するラマン散乱光（波長λ（Ｒ１），λ（Ｒ２））が生じて閉じ込められる。励起光の強度が一定レベルを超えると、ラマン散乱光がレーザ発振に至ることから、微小共振器６１，６２において、波長λ（Ｒ１），λ（Ｒ２）でのレーザ発振が生じる。ここでは、例えばΔｄを５ｎｍとしたとき、１５２３ｎｍの波長λ（Ｒ１）と、１５４３ｎｍの波長λ（Ｒ２）とでレーザ発振が生じる。

なお、励起光の強度が一定レベルに至らず、レーザ発振に至らない場合においても、本実施形態の発光装置１２はラマン散乱光増強装置として波長変換された強いラマン散乱光を得ることが出来る。

〈フィードバックによる光増幅効果〉
続いて、半導体発光素子７のフィードバックによる光増幅の効果について説明する。図８は、上記半導体発光素子の波長に対する光強度の特性を示す図である。

半導体発光素子７に電流を注入し始めると、低電流注入時には、図８に実線にて示すようにブロードなスペクトルでのＥＬ発光が生じる。このブロードなスペクトルは、複数の微小共振器６１，６２のそれぞれ共振波長（励起波長）を含んでいる。

半導体発光素子７から照射された光が微小共振器６１，６２に入射すると、入射光のうち、微小共振器６１，６２のそれぞれの共振波長に対応する波長のみの光が、上述のようにして選択的に微小共振器６１，６２に閉じ込められる。他の波長の光は、微小共振器６１，６２に入射することが出来ず、吸収あるいは散乱により消失していく。

また、微小共振器６１，６２に入射した、上記の共振波長に対応する波長のみの光の一部は、微小共振器６１，６２に閉じ込められずに反射して、半導体発光素子７に戻ってくる。戻ってきた反射光により半導体発光素子７の内部で誘導放出が発生するように半導体発光素子７に電流を注入しておけば、半導体発光素子７は、当該反射光に対して選択的に利得を与えて、当該反射光を増幅する。この状態で、半導体発光素子７に電流を注入していくと、高電流が注入されており、図８に破線にて示すように、特定の波長（上記の共振波長）の強度が強い（極大となる）発光スペクトルにて発光するように遷移していく。

このような状態になると、半導体発光素子７は、ますます微小共振器６１，６２を効率的に励起するのに相応しい特性（スペクトル）を示し、微小共振器６１，６２を同時に励起することが出来る。

このような過程を経て、複数の微小共振器において複数の波長のラマンレーザを効率的に発振させることが出来るようになる。

〈本実施形態の効果〉
本実施形態の発光装置１２は、ブロードな波長を発する励起光源５として半導体発光素子７を用い、特定の波長のみにより励起される複数の微小共振器６１，６２を備えている。半導体発光素子７は、導波路構造７１を有することにより、半導体レーザと同様の導波路型の発光素子である。また、半導体発光素子７は、前端面に低反射率コーティング７２を有するとともに、後端面に高反射率コーティング７３を有している。

このような構成により、半導体発光素子７の後面と微小共振器６１，６２との間で、特定の波長の光についてフィードバックが起こり、その波長にて選択的に利得が得られるようになる。これにより、微小共振器６１，６２から戻って来る特定の波長の光のみが半導体発光素子７によって増幅される。また、半導体発光素子７の前面の反射率を低くすることによって、半導体発光素子７は、単体ではレーザ発振せず、ブロードな発光を生じる。したがって、ブロードなスペクトルを有する励起光を発する半導体発光素子７を励起光源５として用いながら、効率的にラマンレーザを励起して発振させることが出来る。

また、半導体発光素子７は、２次元フォトニック結晶の面内方向と平行な方向に直線偏光した光を効率的に増幅するように配置される。これにより、更に効率的に微小共振器６１，６２を励起することが出来る。

また、半導体発光素子７は、偏波方向が一方向（例えば図５におけるｙ方向）に揃った直線偏光を発し、この直線偏光を２次元フォトニック結晶における線欠陥の微小導波路６３に対して面内方向に偏光するように入射する。これにより、２次元フォトニック結晶の線欠陥領域においても、ｙ方向に直線偏光した光を効率的に閉じ込めて導波させることが出来る。したがって、半導体発光素子７（高反射率コーティング７３）と微小共振器６１，６２との間に形成されるフィードバック経路において、ｙ方向に直線偏光した光が選択的に増幅される。よって、２次元フォトニック結晶内の微小共振器６１，６２を効率的に励起することが出来る。

また、本実施形態の発光装置１２は、複数の微小共振器６１，６２が、複数の励起波長を含むブロードなスペクトルを有する単一の励起光源５にて同時に励起されることにより、それぞれ異なる波長を有するラマン散乱光を発する、ラマン散乱光増強装置およびラマンレーザ光源として機能する。それゆえ、波長が多重化された光配線用の光源などに適用可能な多波長ラマンレーザを励起するために好適の構成を提供することが出来る。しかも、従来のように、共振器ごとにそれぞれ適合した励起光源を準備する必要はなく、各共振器と励起光源との波長合わせも不要となる。

また、本実施形態においては、複数の微小共振器６１，６２に対する励起モードをカバーしつつ、出来るだけスペクトル半値幅が狭いスペクトルを有する励起光源５を用いている。それゆえ、励起光源５からの励起光を効率的に利用することが出来る。

通常、このように複数の異なる波長で共振する共振器を励起する際には、波長可変レーザ等を用い、その共振器の共振波長に一致するように励起光の波長を高い精度で合わせ込んでいた。また、共振器の共振波長は、環境温度の変化等による材料の屈折率の変化の影響を受けて変動するが、従来の方法では共振波長の変動が起こらないようにデバイスの温度を厳密に調整すること、共振器の共振波長の変動に追従して励起波長を適宜調整することなどの仕組みが必要であった。本発明は、複数の共振器に対する複数の異なる励起波長を連続的に含むスペクトルを有する励起光を用いている。これにより、上記のような従来要求された仕組みは必要はなく、共振器の温度管理の必要が無く、また環境温度の変化等により共振器の共振波長が変動しても励起光の調整の必要が無い。したがって、安価に安定したシステムを構築することが出来るようになる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るフォトニック結晶光回路は、基板（シリコン基板４ａ，６ａ）に多数の空孔４ｂ，６ｂが形成されたフォトニック結晶構造体を備え、前記フォトニック結晶構造体には複数の共振器（微小共振器４１〜４３，６１，６２）が設けられており、前記複数の共振器が、単一の励起光源１，５から発されて前記基板に入射する入射光により同時に励起され、かつ異なる励起波長で共振する励起共振モードをそれぞれ有し、前記入射光が、前記複数の共振器に対する複数の異なる前記励起波長を連続的に含むスペクトルを有する。

上記の構成によれば、励起光源からの入射光を各共振器に入射させることで、複数の共振器を一度に励起することが出来る。それゆえ、従来のように、共振器ごとにそれぞれ適合した励起光源を準備する必要はなく、各共振器と励起光源との波長合わせも不要となる。

本発明の態様２に係るフォトニック結晶光回路は、上記態様１において、前記共振器が、前記入射光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有していてもよい。

上記の構成によれば、単一の励起光源からの入射光によってラマン散乱光を得ることが出来る。

本発明の態様３に係るフォトニック結晶光回路は、上記態様１において、前記共振器がレーザ発振してもよい。

上記の構成によれば、非レーザ光である入射光によってレーザ光を得ることが出来る。

本発明の態様４に係るフォトニック結晶光回路は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記共振器の前記フォトニック結晶における空孔４ｂ，６ｂの周期性が、前記フォトニック結晶における前記共振器が形成されていない部分の空孔４ｂ，６ｂの周期性と異なっていてもよい。

上記の構成によれば、効率的に光を閉じ込めることが出来る。

本発明の態様５に係るフォトニック結晶光回路は、上記態様１から４のいずれかにおいて、前記共振器が、フォトニックバンドギャップによって形成される一対の光反射面を有していてもよい。

上記の構成によれば、モードギャップ差を利用した光の閉じ込めを実現することが出来る。

本発明の態様６に係るフォトニック結晶光回路は、上記態様１から５のいずれかにおいて、前記の入射光が、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードから出射された光であってもよい。

上記の構成によれば、ブロードなスペクトルを有する励起光を得ることが出来る。特に、スーパールミネッセントダイオードは、次の２つの点で励起光源として好ましい。第１の点は、２次元フォトニック結晶による線欠陥導波路に効率的に閉じ込められる直線偏光された光を出射することが出来ることである。第２の点は、複数の共振器のそれぞれの励起共振モードに対応した励起波長を含むブロードなスペクトルを有しつつ、スペクトル半値幅が比較的狭いために共振器を効率的に励起することが出来ることである。

本発明の態様７に係るフォトニック結晶光回路は、上記態様１、３、４および５のいずれかにおいて、前記入射光が、複数の前記共振器にそれぞれ対応する前記励起波長で強度が極大となるスペクトルを有していてもよい。

上記の構成によれば、より効率的に各共振器を励起することが出来る。

本発明の態様８に係る発光装置は、上記態様７のフォトニック結晶光回路と、前記励起光源５とを備え、前記励起光源５が、複数の前記共振器によって、それぞれの前記励起共振モードで生じた光の一部がフィードバックされ、フィードバックされた光を増幅する。

上記の構成によれば、励起共振モードで生じた光の一部が増幅されることで、より効率的に各共振器を励起することが出来る。

本発明の態様９に係る発光装置は、上記態様８において、前記励起光源５が、導波路構造７１を含む発光領域を有し、前記導波路構造７１が、光を出射する低反射率の前端面（低反射率コーティング７２）と、高反射率の後端面（高反射率コーティング７３）とを有し、当該後端面と前記共振器との間に、前記励起光源５に光をフィードバックさせるフィードバック経路が形成されていてもよい。

上記の構成によれば、励起光源は、半導体レーザと同様な導波路構造を有する非レーザ光源として構成されることで、単体ではレーザ発振せず、ブロードな光を出射することが出来る。それゆえ、励起光源の後端面と共振器との間でフィードバック経路が形成され、励起光源への光のフィードバックを生じさせることが出来る。

本発明の態様１０に係る発光装置は、上記態様８または９において、前記励起光源５は前記励起波長の光を増幅してもよい。

上記の構成によれば、増幅された励起波長の光が、より効率的に発振器を励起させることが出来る。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することが出来る。

１，５ 励起光源
４，６ 光源モジュール（フォトニック結晶光回路）
４ａ，６ａ シリコン基板（基板）
４ｂ，６ｂ 空孔
７ 半導体発光素子
１１，１２ 発光装置
４１〜４３ 微小共振器（共振器）
６１，６２ 微小共振器（共振器）
７１ 導波路構造
７２ 低反射率コーティング（前端面）
７３ 高反射率コーティング（後端面）

Claims (10)

1. 基板に多数の空孔が形成されたフォトニック結晶構造体を備え、
   前記フォトニック結晶構造体には複数の共振器が設けられており、
   前記複数の共振器は、単一の励起光源から発されて前記基板に入射する入射光により同時に励起され、かつ異なる励起波長で共振する励起共振モードをそれぞれ有し、
   前記入射光は、前記複数の共振器に対する複数の異なる前記励起波長を連続的に含むスペクトルを有することを特徴とするフォトニック結晶光回路。
2. 前記共振器は、前記入射光により生じたラマン散乱光に対するラマン共振モードを有することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶光回路。
3. 前記共振器はレーザ発振することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶光回路。
4. 前記共振器は、前記フォトニック結晶における空孔の周期性が、前記フォトニック結晶における前記共振器が形成されていない部分の空孔の周期性と異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光回路。
5. 前記共振器は、フォトニックバンドギャップによって形成される一対の光反射面を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光回路。
6. 前記入射光は、発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードから出射された光であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光回路。
7. 前記入射光は、複数の前記共振器にそれぞれ対応する前記励起波長で強度が極大となるスペクトルを有することを特徴とする請求項１、３、４および５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光回路。
8. 請求項７に記載のフォトニック結晶光回路と、
   前記励起光源とを備え、
   前記励起光源は、複数の前記共振器によって、それぞれの前記励起共振モードで生じた光の一部がフィードバックされ、フィードバックされた光を増幅することを特徴とする発光装置。
9. 前記励起光源は、導波路構造を含む発光領域を有し、
   前記導波路構造は、光を出射する低反射率の前端面と、高反射率の後端面とを有し、
   当該後端面と前記共振器との間には、前記励起光源に光をフィードバックさせるフィードバック経路が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
10. 前記励起光源は前記励起波長の光を増幅することを特徴とする請求項８または９に記載の発光装置。

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