JP4728989B2

JP4728989B2 - ラマン散乱光増強デバイス

Info

Publication number: JP4728989B2
Application number: JP2007078371A
Authority: JP
Inventors: 進野田; 仁路 ▲高▼野
Original assignee: Kyoto University; Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Kyoto University; Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008241796A

Description

本発明は、ラマン散乱光増強デバイスに関するものである。

物質に光を入射した時に入射光（励起光）とは異なる周波数の光が出射されるラマン散乱は、光通信における増幅器、波長変換器、ガスセンサ、分光分析機器などの広い分野において応用されている。

しかしながら、ラマン散乱光の強度は励起光の強度に比べて微弱なので、ラマン散乱光を増強する様々な方法が各所で研究開発されている。

例えば、入射光の波長およびラマン散乱光の波長それぞれに共鳴モードを有する光共振器を利用することで、誘導ラマン散乱によるラマン散乱光の増強が期待され、マイクロメータオーダの微小なシリカ球や量子ドットからなる光共振器による誘導ラマン散乱を利用したレーザ（例えば、非特許文献１参照）や、チップにマイクロキャビィを設けることで形成されたマイクロディスクからなる光共振器による誘導ラマン散乱を利用したレーザ（例えば、非特許文献２参照）などが提案されている。

ここにおいて、ナノメータオーダないしマイクロメータオーダの微小なサイズで誘導ラマン散乱を制御可能な光共振器が実現できれば、レーザに限らず、様々な分野への応用が期待できる。例えば、間接遷移型の半導体結晶の一種であるシリコン結晶を用いて波長変換や光信号増幅が可能な光共振器を実現できれば、シリコン電子デバイスと融合可能な光デバイス（一般的に、シリコンフォトニクスと呼ばれている）や、赤外線を吸収しないＨ_２ガスに対する選択性が高い小型のガスセンサの実現が期待できる。なお、２枚の反射率の高い誘電体ミラーで構成されるファブリ・ペロー共振器により励起光を増強することでラマン散乱光を増強するようにしたガスセンサが提案されており（例えば、非特許文献３参照）、赤外線を吸収しない物質（例えば、水素など）を識別できるという特徴を有しているが、共振器長が１０ｃｍで、ディテクタとして光電子増倍管を用いており、小型化が難しい。

また、上記非特許文献１，２に記載された光共振器は、入射光の導入やラマン散乱光の捕獲に必要な光導波路との一括形成が難しいので、上述のシリコン電子デバイスとの集積化が困難である。

これらに対し、近年、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、誘導ラマン散乱を起こすことが可能な光共振器を形成したラマン散乱光増強デバイスが提案されている（例えば、非特許文献４参照）。この種のフォトニック結晶を利用したラマン散乱光増強デバイスでは、スラブを構成するシリコンからなる高屈折率媒質と空孔内の空気からなる低屈折率媒質とで屈折率周期構造が形成されており、屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより光共振器および導波路を一括して形成することができるから、シリコン電子デバイスとの集積化が容易になる。ここにおいて、上記非特許文献４に記載されたラマン散乱光増強デバイスにおける光共振器は、入射光の波長に対する共鳴モードとラマン散乱光に対する共鳴モードとを有するように線状の欠陥の長さが設計されている。
S.M.Spillane,etal、「Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity」，Nature，Vol.415，2002，p.621-623 T.J.Kippenberg,etal、「Ultralow-threshold microcavity Raman laser on a microelectronic chip」，OPTICS LETTERS，Vol.29，No.11，2004，p.1224-1226 Ken.Yamauchi,etal、「An intelligent gas detector based on Raman scattering spectroscopy pumped by power build-up cavity」，CWAB3-P100，p.1002-1003 Xiaodong Yang,et al、「Design of photonic band gap nanocavities for simulated Raman amplification and lasing in monolithic silicon」，OPTICS EXPRESS，Vol.13，NO.12，2005，p.4723-4730

しかしながら、上記非特許文献４に記載されたラマン散乱光増強デバイスは、２次元フォトニック結晶の屈折率周期構造に設ける欠陥の長さを変えることにより共鳴モードの波長を設計しているので、誘導ラマン散乱を実現できる波長の設計の自由度が低かった。なお、ラマン散乱光増強デバイスを例えばレーザに応用する場合、誘導ラマン散乱によるレーザ発振の閾値パワーは入射光の共鳴モードのＱ値およびラマン散乱光の共鳴モードのＱ値が高いほど小さな値となるので、各Ｑ値の向上が望まれている。また、ラマン散乱光増強デバイスを応用したラマン散乱光応用装置としては、上述のレーザ以外に、例えば、光増幅器、波長変換器、ガスセンサ、化学センサなども考えられ、光増幅器での増幅度の向上、波長変換器での波長変換効率の向上、ガスセンサおよび化学センサでの感度の向上のために、共鳴モードのＱ値およびラマン散乱光の共鳴モードのＱ値を高めることが望まれている。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高く、且つ、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできるラマン散乱光増強デバイスを提供することにある。

請求項１の発明は、複数の波長で共鳴モードを有する光共振器を備えたラマン散乱光増強デバイスであって、フォトニック結晶構造体に形成された線状の欠陥からなる導波路により構成された光共振器を備え、前記光共振器は、前記光共振器を構成する前記導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、前記一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する前記一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有し、前記フォトニック結晶構造体は、少なくとも、第１の２次元フォトニック結晶が当該第１の２次元フォトニック結晶とは前記構造パラメータの異なる２つの第２の２次元フォトニック結晶により同一面内で挟まれた面内へテロ構造を有し、前記光共振器を構成する前記導波路は、前記第１の２次元フォトニック結晶と前記第１の２次元フォトニック結晶の両側の前記第２の２次元フォトニック結晶とに跨って形成されるとともに、前記各第２の２次元フォトニック結晶の途中で終端されており、前記第１の２次元フォトニック結晶に形成された部分と前記第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射面を構成し、両端部それぞれが前記反射部を構成していることを特徴とする。

この発明によれば、光共振器が、当該光共振器を構成する導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、当該一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有するので、光共振器における一対の反射面間の長さおよび当該一対の反射面とは別に形成された一対の反射部間の長さそれぞれにより共鳴モードを設計することができるから、従来のように屈折率周期構造に設ける線状の欠陥の長さのみで２つ共鳴モードの波長を設計している場合に比べて、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、しかも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできる。

また、この発明によれば、異なる２次元フォトニック結晶の面内へテロ構造を利用して前記反射面を形成することができるので、前記反射面の設計および形成が容易になる。

また、この発明によれば、前記光共振器を構成する前記導波路は、第１の２次元フォトニック結晶と当該第１の２次元フォトニック結晶の両側の第２の２次元フォトニック結晶とに跨って形成されるとともに、各第２の２次元フォトニック結晶の途中で終端されており、第１の２次元フォトニック結晶に形成された部分と第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射面を構成し、両端部それぞれが前記反射部を構成しているので、第１の２次元フォトニック結晶と第２の２次元フォトニック結晶とのヘテロ界面を利用して前記一方の光を反射させることができるとともに、第２の２次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを利用して前記他方の波長の光を反射させることができるから、前記反射面、前記反射部それぞれの設計および形成が容易になる。

請求項２の発明は、複数の波長で共鳴モードを有する光共振器を備えたラマン散乱光増強デバイスであって、フォトニック結晶構造体に形成された線状の欠陥からなる導波路により構成された光共振器を備え、前記光共振器は、前記光共振器を構成する前記導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、前記一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する前記一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有し、前記フォトニック結晶構造体は、少なくとも、第１の２次元フォトニック結晶が前記第１の２次元フォトニック結晶とは前記構造パラメータの異なる２つの第２の２次元フォトニック結晶により同一面内で挟まれ、前記各第２の２次元フォトニック結晶における前記第１の２次元フォトニック結晶側とは反対側に前記第２の２次元フォトニック結晶とは前記構造パラメータの異なる第３の２次元フォトニック結晶が形成された面内へテロ構造を有し、前記光共振器を構成する前記導波路は、少なくとも、前記第１の２次元フォトニック結晶と前記各第２の２次元フォトニック結晶と前記各第３の２次元フォトニック結晶とに跨って形成され、前記第１の２次元フォトニック結晶に形成された部分と前記第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射面を構成し、前記第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分と前記第３の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射部を構成していることを特徴とする。

この発明によれば、光共振器が、当該光共振器を構成する導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、当該一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有するので、光共振器における一対の反射面間の長さおよび当該一対の反射面とは別に形成された一対の反射部間の長さそれぞれにより共鳴モードを設計することができるから、従来のように屈折率周期構造に設ける線状の欠陥の長さのみで２つ共鳴モードの波長を設計している場合に比べて、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、しかも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできる。また、この発明によれば、異なる２次元フォトニック結晶の面内へテロ構造を利用して前記反射面を形成することができるので、前記反射面の設計および形成が容易になる。
また、この発明によれば、前記光共振器を構成する前記導波路は、少なくとも、第１の２次元フォトニック結晶と各第２の２次元フォトニック結晶と各第３の２次元フォトニック結晶とに跨って形成され、第１の２次元フォトニック結晶に形成された部分と第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射面を構成し、第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分と第３の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射部を構成しているので、第１の２次元フォトニック結晶と第２の２次元フォトニック結晶とのヘテロ界面を利用して前記一方の波長の光を反射させることができるとともに、第２の２次元フォトニック結晶と第３の２次元フォトニック結晶とのヘテロ界面を利用して前記他方の波長の光を反射させることができるから、前記反射面、前記反射部それぞれの設計および形成が容易になる。

請求項３の発明は、複数の波長で共鳴モードを有する光共振器を備えたラマン散乱光増強デバイスであって、フォトニック結晶構造体に形成された線状の欠陥からなる導波路により構成された光共振器を備え、前記光共振器は、前記光共振器を構成する前記導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすように前記導波路の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、前記一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する前記一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有し、前記光共振器は、前記導波路の前記構造パラメータである幅を前記導波路の途中で変えることで前記反射面および前記反射部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、光共振器が、当該光共振器を構成する導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすように前記導波路の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、当該一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有するので、光共振器における一対の反射面間の長さおよび当該一対の反射面とは別に形成された一対の反射部間の長さそれぞれにより共鳴モードを設計することができるから、従来のように屈折率周期構造に設ける線状の欠陥の長さのみで２つ共鳴モードの波長を設計している場合に比べて、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、しかも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできる。
また、この発明によれば、前記光共振器を構成する前記導波路の幅を前記導波路の途中で変えることで前記反射面および前記反射部を形成することができるので、前記反射面、前記反射部それぞれの設計および形成が容易になる。

請求項１の発明は、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、且つ、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態では、図１を参照しながら、ラマン散乱光増強デバイスＡを応用したレーザについて説明する。

本実施形態におけるラマン散乱光増強デバイスＡは、第１の２次元フォトニック結晶１_１が当該第１の２次元フォトニック結晶１_１とは屈折率周期構造の周期の異なる２つの第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２により同一面内で挟まれた面内へテロ構造を有しており、第１の２次元フォトニック結晶１_１と当該第１の２次元フォトニック結晶１_１の両側の第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２との並設方向に沿って図１の右側の２次元フォトニック結晶１_２の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより導波路２ａを形成するとともに、図１における左側の２次元フォトニック結晶１_２の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより導波路２ｂ，２ｃを形成し、上記並設方向に沿って全ての２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２に跨ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより複数の波長に共鳴モードを有するラマン散乱光増強用の光共振器３を形成し、上記並設方向に沿って図１における左側の２次元フォトニック結晶１_２の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることによりラマン散乱光を選択的に通過させるバンドパスフィルタ用の光共振器４を形成してある。ここにおいて、ラマン散乱光増強デバイスＡは、３つの導波路２ａ，２ｂ，２ｃが一直線上に並ぶように形成され、２つの光共振器３，４が上記一直線に平行な別の一直線上に並ぶように形成されている。したがって、ラマン散乱光増強デバイスＡでは、ラマン散乱光が、導波路２ａ−光共振器３−導波路２ｂ−光共振器４−導波路２ｃの経路で進行することとなり、光共振器３においてラマン散乱光が増強される。

ラマン散乱光増強用の光共振器３は、第１の２次元フォトニック結晶１_１における線状の欠陥が上記並設方向において全長に亙って形成されるとともに各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２における線状の欠陥が上記並設方向において各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２の途中で終端されており、第１の２次元フォトニック結晶１_１と各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２とのヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間で対象媒質のラマン散乱光の波長に対する共鳴モードを有するとともに、上記並設方向における両端間で入射光の波長に対する共鳴モードを有している。ここにおいて、本実施形態では、第１の２次元フォトニック結晶１_１と各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２とでフォトニック結晶構造体を構成しており、光共振器３を構成する上述の線状の欠陥からなる導波路が、３つの２次元フォトニック結晶１_２，１_１，１_２に跨って形成され、当該導波路において第１の２次元フォトニック結晶１_１に形成された部分と第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分との境界が、波長選択的な反射面を構成し、当該導波路の両端部それぞれが、一対の反射面よりも当該導波路の光の伝搬方向において外側に形成された反射部を構成し、一対の反射面間でラマン散乱光の波長に対する共鳴モードを有し、一対の反射部間で入射光の波長に対する共鳴モードを有している。

また、バンドパスフィルタ用の光共振器４は、図１における左側の第２のフォトニック結晶１_２にのみ線状の欠陥を設けることにより形成されており、共鳴モードとしてラマン散乱光の波長に対する共鳴モードのみを有している。

各２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２は、スラブ型の２次元フォトニック結晶であり、高屈折率媒質（本実施形態では、Ｓｉなど）からなるスラブ１１_１，１１_２，１１_２の厚み方向の両側を一様な低屈折率媒質（本実施形態では、一方がＳｉＯ_２、他方が空気）により挟んだ構成となっており、厚み方向に直交する２次元面内ではフォトニックバンドギャップにより光を閉じ込め、厚み方向には全反射により光を閉じ込めるようになっている。ここに、各２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２は、多数の空孔１２_１，１２_２，１２_２がスラブ１１_１，１１_２，１１_２の厚み方向に直交する面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ１１_１，１１_２，１１_２を構成する高屈折率媒質と円形状に開口された空孔１２_１，１２_２，１２_２内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２を構成している。具体的には、スラブ１１_１，１１_２，１１_２ごとに、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に空孔１２_１，１２_２，１２_２を形成することにより、２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２を形成してある。言い換えれば、空孔１２_１，１２_２，１２_２はスラブ１１_１，１１_２，１１_２の厚み方向に直交する面内において三角格子状に配列されている。なお、本実施形態では、上述の高屈折率媒質であるＳｉが対象媒質を構成している。

本実施形態におけるラマン散乱光増強デバイスＡでは、第１の２次元フォトニック結晶１_１の屈折率周期構造と第２の２次元フォトニック結晶１_２の屈折率周期構造とが相似的な関係にあり、隣り合う２つの２次元フォトニック結晶１_１，１_２で面内へテロ構造が形成されるように、第２の２次元フォトニック結晶１_２の空孔１２_２の配列方向における周期を第１の２次元フォトニック結晶１_１の空孔１２_１の配列方向における周期よりも数％（例えば、２％）だけ小さく設定してある。

更に説明すれば、本実施形態では、２次元フォトニック結晶１_１における空孔１２_１の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１_１の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離なので、格子定数ともいう）ａ_１を３０７ｎｍ、空孔１２_１の半径を０．２９ａ_１、スラブ１１_１の厚さを０．６ａ_１とし、２次元フォトニック結晶１_１に並設された２次元フォトニック結晶１_２は空孔１２_２の半径およびスラブ１１_２の厚さは２次元フォトニック結晶１_１と同じで、空孔１２_２の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１_２を構成する屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離なので、格子定数ともいう）ａ_２を２次元フォトニック結晶１_１における空孔１２_１の周期ａ_１よりも２％小さく設定してある。なお、本実施形態では、空孔１２_１，１２_２，…の配列方向の周期ａ_１，ａ_２，…を上述のような値に設定することにより、２次元面内のあらゆる方向から入射する所望の周波数帯の光を伝搬しない波長帯であるフォトニックバンドギャップを形成することができ、導波路２ａ，２ｂ，２ｃおよび光共振器３，４は適宜長さの線状の欠陥を設けることにより形成してある。なお、上述の空孔１２_１，１２_２の配列方向の周期ａ_１，ａ_２や空孔１２_１，１２_２の半径の各数値は特に限定するものではなく、周期ａ_１，ａ_２は上記周波数帯の光の波長程度（例えば、光の波長の２分の１程度）の周期であればよい。

本実施形態におけるラマン散乱光増強デバイスＡは、シリコン基板からなるオプティカルベンチ１０ａの所定領域上にシリコン酸化膜１０ｂが形成され、当該シリコン酸化膜１０ｂ上のシリコン層１０ｃをリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することによって各２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２および各導波路２ａ，２ｂ，２ｃおよび各光共振器３，４を形成してある。ここにおいて、本実施形態におけるラマン散乱光増強デバイスＡは、オプティカルベンチ１０ａを兼ねるシリコン基板上のシリコン酸化膜１０ｂ上にシリコン層１０ｃを有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０を用いて形成してある。すなわち、ラマン散乱光増強デバイスＡにおける各２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２および各導波路２ａ，２ｂ，２ｃおよび各光共振器３，４はＳＯＩ基板１０の主表面側のシリコン層１０ｃをリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することによって形成されている。さらに説明すれば、ＳＯＩ基板１０における主表面側のシリコン層１０ｃ上に所望の形状にパターニングしたレジスト層を形成した後、ドライエッチング装置によって各導波路２ａ，２ｂ，２ｃおよび各光共振器３，４および各スラブ１１_１，１１_２，１１_２に対応した部分が残り且つ各空孔１２_１，１２_２，１２_２に対応する部位が除去されるようにシリコン層１０ｃをエッチングすることによって、各２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２および各導波路２ａ，２ｂ，２ｃおよび各光共振器３，４を同時に形成することが可能となる。

なお、例えば、Ｃ帯やＬ帯などの光通信波長帯においては、Ｓｉの屈折率が３．４程度、ＳｉＯ_２の屈折率が１．５程度、空気の屈折率が１であり、スラブ１１_１，１１_２，１１_２とその両側のクラッドとの屈折率差は５５〜７０％となり、一般的な光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差である０．３％と比較して非常に大きな値となるので、光ファイバに比べて光の閉じ込め効果を高めることができ、小型化を図れる。

ところで、本実施形態のレーザは、上述のＳＯＩ基板１０におけるシリコン基板がオプティカルベンチ１０ａを構成しており、当該オプティカルベンチ１０ａの一表面側に、ラマン散乱光を励起する励起光を出射する励起光源として、ファブリ・ペロー（ＦＰ）型共振器構造を有する端面発光型の半導体レーザＬＤが実装されている。なお、オプティカルベンチ１０ａの上記一表面側には、半導体レーザＬＤと電気的に接続される２つの導体パターン（パッド）８ａ，８ｂが形成されており、半導体レーザＬＤの表面側の電極がボンディングワイヤ９を介して一方のパッド８ａと電気的に接続され、半導体レーザＬＤの裏面側の電極が他方のパッド８ｂと接合されて電気的に接続されている。

また、本実施形態のレーザは、上述のＳＯＩ基板１０を利用して、ラマン散乱光増強デバイスＡの入力側の光デバイスである半導体レーザＬＤの光出射面とラマン散乱光増強デバイスＡにおける導波路２ａの入射側端部との間に介在する第１の第１のスポットサイズ変換器５と、ラマン散乱光増強デバイスＡにおける導波路２ｃの出射側端部とラマン散乱光増強デバイスＡの出力側の光デバイスである光ファイバ（図示せず）との間に介在する第２のスポットサイズ変換器６とが形成されている。なお、各スポットサイズ変換器５，６は、ＳＯＩ基板１０におけるシリコン層１０ｃをパターニングすることで形成されており、第１のスポットサイズ変換器５は、導波路２ａの断面積に合わせて半導体レーザＬＤの出射光のスポットサイズを小さくするようにシリコン層１０ｃの一部により構成されるコアの幅寸法を適宜変化させてあり、第２のスポットサイズ変換器６は、導波路２ｃからの出射光のスポットサイズを大きくするようにシリコン層１０ｃの一部により構成されるコアの幅寸法を適宜変化させてある。

ところで、上述のラマン散乱光増強デバイスＡの光共振器３の共鳴モードと周波数（ここにおける周波数は、光速ｃと第１の２次元フォトニック結晶１_１の格子定数ａ_１とで無次元化した光の周波数〔ｃ／ａ_１〕である）との関係をシミュレーションした結果、５つの共鳴モードが存在し、第１の共鳴モードの周波数＝０．２６３５〔ｃ／ａ_１〕、第２の共鳴モードの周波数＝０．２６７７〔ｃ／ａ_１〕、第３の共鳴モードの周波数＝０．２７９９５〔ｃ／ａ_１〕、第４の共鳴モードの周波数＝０．２８２６５〔ｃ／ａ_１〕、第５の共鳴モードの周波数＝０．２８２６５〔ｃ／ａ_１〕であった。ここで、上述のように格子定数ａ_１を３０７ｎｍに設定すると、第１の共鳴モードの波長＝１１６５．１ｎｍ、第３の共鳴モードの波長＝１０９８．５ｎｍとなり、第１の共鳴モードの波長と第３の共鳴モードの波長との波長差が、シリコンのラマンシフト（５２０ｃｍ^−１）に相当するので、第１の共鳴モードをラマン散乱光の共鳴モードとして利用し、第３の共鳴モードを励起光（入射光）の共鳴モードとして利用している。

ここにおいて、ラマン散乱光増強デバイスＡの厚み方向に直交する面内において、各フォトニック結晶１_１，１_２，１_２の並設方向（つまり、ヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２に直交する方向）をｘ方向、ｘ方向に直交する方向（つまり、ヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２に平行な方向）をｙ方向とし、上記厚み方向をｚ方向とした場合、ラマン散乱光の周波数（ｆ＝０．２６３５）での電界分布（Ｅｙ成分）は図２（ａ）に示すようになり、励起光の周波数（ｆ＝０．２７９９５）での電界分布（Ｅｙ成分）は図２（ｂ）に示すようになる。この図２から、ラマン散乱光の波長の光がヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間（上述の反射面間）に定在し、励起光の波長の光が光共振器３の両端部間（上述の反射部間）に定在していることが分かる。なお、図２の例では、ラマン散乱光の共鳴モードのＱ値が６×１０^６、励起光（入射光）のＱ値が２０００であり、上記特許文献３に比べて、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積が大きな値となる。

以上説明したラマン散乱光増強デバイスＡによれば、ラマン散乱光増強用の光共振器３が、当該光共振器３を構成する導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、当該一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一対の反射面よりも上記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で入射光の波長に対する共鳴モードを有するので、光共振器３における一対の反射面間の長さ（つまり、ヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間の長さ）および当該一対の反射面とは別に形成された一対の反射部間の長さ（本実施形態では、光共振器３を構成する上記導波路の長さ）それぞれにより共鳴モードを設計することができるから、従来のように屈折率周期構造に設ける線状の欠陥の長さのみで２つ共鳴モードの波長を設計している場合に比べて、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、しかも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできる。しかして、誘導ラマン散乱の起こるレーザの閾値パワーを低減でき、低消費電力化を図れる。

また、本実施形態では、上述のフォトニック結晶構造体が、構造パラメータの異なる第１の２次元フォトニック結晶１_１と第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２を並設することで形成される面内ヘテロ構造を有し、光共振器３を構成する導波路は、３つの２次元フォトニック結晶１_２，１_１，１_２に跨って形成されるとともに、各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２の途中で終端されており、第１の２次元フォトニック結晶１_１に形成された部分と第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分との境界が反射面を構成し、両端部それぞれが反射部を構成しており、第１の２次元フォトニック結晶１_１と第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２との面内へテロ構造のヘテロ界面を利用してラマン散乱光を反射させることができるとともに、第２の２次元フォトニック結晶１２のフォトニックバンドギャップを利用して入射光を反射させることができるから、反射面、反射部それぞれの設計および形成が容易になる。

なお、本実施形態における光共振器３は、上述のように一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長に対する共鳴モードを有するとともに、一対の反射部間で入射光の波長に対する共鳴モードを有しているが、一対の反射面間で入射光の波長に対する共鳴モードを有するとともに、一対の反射部間でラマン散乱光の波長に対する共鳴モードを有するように設計してもよい。また、本実施形態における光共振器３は、当該光共振器３を構成する導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変える（本実施形態では、隣り合う２次元フォトニック結晶１_１，１_２同士で屈折率周期構造の周期を異ならせる）ことで波長選択的な反射面が形成されているが、当該反射面を形成するために変えるフォトニック結晶構造体の構造パラメータは、周期に限らず、例えば、空孔１２_１，１２_２の半径、媒質の屈折率、スラブ１１_１，１１_２の厚みなどでもよい。また、本実施形態では、２次元フォトニック結晶１_１の両側に２次元フォトニック結晶１_２，１_２を１つずつ並設してあるが、２次元フォトニック結晶１_１の両側に屈折率周期構造の周期を段階的に変化させた複数の２次元フォトニック結晶を多段に設けてもよい。

ところで、現在、市販されているレーザには様々な種類があるが、半導体レーザは他のレーザ（例えば、ガスレーザなど）に比べて小型で安価なので、民生、通信などの広範な分野で利用されており、既に、民生用途の６００〜８００ｎｍ帯、通信用途の１３００〜１６００ｎｍ帯などで用いる半導体レーザが市販されているが、更に多様な波長の半導体レーザが求められている。

しかしながら、市販されている半導体レーザは、基本的に、直接遷移型の半導体であるIII−V族系化合物半導体での発光を利用しており、活性層の半導体材料のバンドギャップによりレーザ光の波長が決まるので、半導体材料の開発がボトルネックとなっている。一方で、化合物半導体材料に比べて、より安価で加工が容易なシリコンを用いた発光デバイスに対するニーズも大きい。また、ＬＳＩなどの電子デバイスにおいては、化合物半導体材料に比べて安価で加工性に優れたシリコンを材料として用いたものが主流であり、次世代の光デバイスとして、電子デバイスとの集積化を考えた場合、シリコンを材料として用いた発光デバイスの実現は非常に有用である。

これに対し、本実施形態におけるラマン光増強デバイスＡを応用したレーザでは、従来の化合物半導体材料を用いた半導体レーザＬＤでは難しい波長域のレーザ光を出射させることが可能となる。なお、ラマン散乱は、原子や分子の振動エネルギに相当するラマンシフト分だけ入射光とずれた波長の光が出射されるので、励起光源として半導体レーザＬＤを用いれば、ラマンシフト分だけ異なる波長の光が発生するから、原理的に半導体レーザＬＤでは実現不可能な波長域の光を出射するレーザを実現することが可能となる。

ところで、本実施形態における各２次元フォトニック結晶１_１，１_２は、スラブ１１_１，１１_２に対して、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に空孔１２_１，１２_２を設けることにより形成されているが、単位格子は正三角形に限らず、例えば正方形でもよく、この場合には単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する部位に空孔１２_１，１２_２を設ければよい。また、上記実施形態では、各スラブ型フォトニック結晶３１，３２の屈折率周期構造を形成するためにスラブ１１_１，１１_２に多数の円形状の空孔１２_１，１２_２を形成してあるが、空孔１２_１，１２_２の開口形状は円形状の形状に限定するものではなく、例えば三角形状や四角形状など別の開口形状でもよい。

（実施形態２）
本実施形態においてラマン散乱光増強デバイス応用装置の一例として例示するレーザの基本構成は実施形態１と同じであって、図３に示すように、ラマン散乱光増強デバイスＡの構造が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態におけるラマン散乱光増強デバイスＡでは、各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２における第１の２次元フォトニック結晶１_１側とは反対側に第３の２次元フォトニック結晶１_３，１_３が並設されており、第２の２次元フォトニック結晶１_２の屈折率周期構造と第３の２次元フォトニック結晶１_３の屈折率周期構造とも相似的な関係にあり、隣り合う２つの２次元フォトニック結晶１_２，１_３で面内へテロ構造が形成されるように、第３の２次元フォトニック結晶１_３のスラブ１１_３に形成する空孔１２_３の配列方向における周期を第２の２次元フォトニック結晶１_２の空孔１２_２の配列方向における周期よりも数％（例えば、２％）だけ小さく設定してある。

ここで、ラマン散乱光増強デバイスＡにおけるラマン散乱光増強用の光共振器３を構成する導波路は、第１の２次元フォトニック結晶１_１と各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２と各第３の２次元フォトニック結晶１_３，１_３との並設方向に沿って第１の２次元フォトニック結晶１_１および各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２および各第３の２次元フォトニック結晶１_３，１_３に跨ってそれぞれの屈折率周期構造に欠陥を設けることにより形成されており、第１の２次元フォトニック結晶１_１に形成された部分と第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分との境界が反射面を構成し、第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分と第３の２次元フォトニック結晶１_３に形成された部分との境界が反射部を構成している。したがって、本実施形態における光共振器３は、第１の２次元フォトニック結晶１_１と各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２とのヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間で対象媒質のラマン散乱光の波長に対する共鳴モードを有するとともに、互いに隣り合う第２の２次元フォトニック結晶１_２と第３の２次元フォトニック結晶１_３とのヘテロ界面ＨＩ_２３，ＨＩ_２３間で入射光の波長に対する共鳴モードを有している。

また、本実施形態では、実施形態１において、それぞれ第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２に形成されていた導波路２ａ，２ｃが、第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２ではなく、第３の２次元フォトニック結晶１_３，１_３に形成されている。すなわち、実施形態１にて説明した導波路２ａが図３における右側の第３の２次元フォトニック結晶１_３に形成され、導波路２ｃが図３における左側の第３の２次元フォトニック結晶１_３に形成されている。また、本実施形態では、実施形態１において、第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成されていたバンドパスフィルタ用の光共振器４が図３における左側の第３の２次元フォトニック結晶１_３に形成されている。

本実施形態におけるラマン散乱光増強デバイスＡの光共振器３の共鳴モードと周波数（ここにおける周波数は、光速ｃと第１の２次元フォトニック結晶１_１の格子定数ａ_１とで無次元化した光の周波数〔ｃ／ａ_１〕である）との関係をシミュレーションした結果、７つの共鳴モードが存在し、第１の共鳴モードの周波数＝０．２６３５５〔ｃ／ａ_１〕、第２の共鳴モードの周波数＝０．２６７５〔ｃ／ａ_１〕、第３の共鳴モードの周波数＝０．２７３２５〔ｃ／ａ_１〕、第４の共鳴モードの周波数＝０．２７６９５〔ｃ／ａ_１〕、第５の共鳴モードの周波数＝０．２７９９５〔ｃ／ａ_１〕、第６の共鳴モードの周波数＝０．２８２５〔ｃ／ａ_１〕、第７の共鳴モードの周波数＝０．２８９０５〔ｃ／ａ_１〕であった。ここで、本実施形態では格子定数ａ_１を３１５ｎｍに設定すると、第１の共鳴モードの波長＝１１９６．４ｎｍ、第５の共鳴モードの波長＝１１２６．３ｎｍとなり、第１の共鳴モードの波長と第５の共鳴モードの波長との波長差が、シリコンのラマンシフト（５２０ｃｍ^−１）に相当するので、第１の共鳴モードをラマン散乱光の共鳴モードとして利用し、第５の共鳴モードを励起光（入射光）の共鳴モードとして利用している。

ここにおいて、ラマン散乱光増強デバイスＡの厚み方向に直交する面内において、各フォトニック結晶１_１，１_２，１_２，１_３，１_３の並設方向（つまり、ヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２，ＨＩ_２３，ＨＩ_２３に直交する方向）をｘ方向、ｘ方向に直交する方向（つまり、ヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２に平行な方向）をｙ方向とし、上記厚み方向をｚ方向とした場合、ラマン散乱光の周波数（ｆ＝０．２６４）での電界分布（Ｅｙ成分）は図４（ａ）に示すようになり、励起光の周波数（ｆ＝０．２８０）での電界分布（Ｅｙ成分）は図４（ｂ）に示すようになる。この図４から、ラマン散乱光の波長の光が内側の一対のヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間（上述の反射面間）に定在し、励起光の波長の光が外側の一対のヘテロ界面ＨＩ_２３，ＨＩ_２３間（上述の反射部間）に定在していることが分かる。なお、図４の例では、ラマン散乱光の共鳴モードのＱ値が１３０００、励起光（入射光）のＱ値が３００００であり、上記特許文献３に比べて、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積が大きな値となる。

なお、Ｑ値は、光共振器３と自由空間との系において光共振器３から自由空間へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、光共振器３と自由空間との系において光共振器３にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、光共振器３に蓄積されるエネルギをＷ、光共振器３から自由空間側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑ＝ω_０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義される。

しかして、本実施形態では、内側の一対のヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間の長さおよび外側の一対のヘテロ界面ＨＩ_２３，ＨＩ_２３間の長さそれぞれにより共鳴モードを設計することができるから、従来のように屈折率周期構造に設ける線状の欠陥の長さのみで２つ共鳴モードの波長を設計している場合に比べて、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、しかも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできて閾値パワーの低減による低消費電力化を図れる。

しかして、本実施形態では、第１の２次元フォトニック結晶１_１と各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２と各第３の２次元フォトニック結晶１_３，１_３とでフォトニック結晶構造体を構成するとともに、光共振器３を構成する導波路は、第１の２次元フォトニック結晶１_１と各第２の２次元フォトニック結晶１_２，１_２と各第３の２次元フォトニック結晶１_３，１_３とに跨って形成され、第１の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分と第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分との境界が反射面を構成し、第２の２次元フォトニック結晶１_２に形成された部分と第３の２次元フォトニック結晶１_３に形成された部分との境界が反射部を構成しているので、第１の２次元フォトニック結晶１_１と第２の２次元フォトニック結晶１_２とのヘテロ界面を利用してラマン散乱光を反射させることができるとともに、第２の２次元フォトニック結晶１_２と第３の２次元フォトニック結晶１_３とのヘテロ界面ＨＩ_２３，ＨＩ_２３を利用して入射光を反射させることができるから、内側の一対のヘテロ界面ＨＩ_１２，ＨＩ_１２間の長さおよび外側の一対のヘテロ界面ＨＩ_２３，ＨＩ_２３間の長さそれぞれにより共鳴モードを設計することができ、反射面、反射部それぞれの設計および形成が容易になるとともに、従来のように屈折率周期構造に設ける線状の欠陥の長さのみで２つ共鳴モードの波長を設計している場合に比べて、ラマン散乱光の共鳴モードの波長の設計自由度が高くなり、しかも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできて閾値パワーの低減による低消費電力化を図れる。

なお、本実施形態では、第１の２次元フォトニック結晶１_１の両側それぞれに２つの２次元フォトニック結晶１_２，１_３を並設してあるが、第１の２次元フォトニック結晶１_１の両側それぞれに並設する２次元フォトニック結晶の数は特に限定するものではなく、２次元フォトニック結晶１_１の両側に屈折率周期構造の周期を段階的に変化させた３つ以上の２次元フォトニック結晶を多段に設けてもよい。

（実施形態３）
本実施形態では、図５を参照しながら、ラマン散乱光増強デバイスＡを応用した波長変換器について説明するが、実施形態１のレーザと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の波長変換器は、実施形態１にて説明した半導体レーザＬＤの代わりに、光通信用の光ファイバＯＦ１がオプティカルベンチ１０ａの上記一表面側に位置決め固定されている。ここにおいて、オプティカルベンチ１０ａには、第１のスポットサイズ変換器５に光結合させる上述の光ファイバＯＦ１を位置決めする断面Ｖ字状のＶ溝からなる位置決め溝（図示せず）が形成されている。なお、本実施形態では、オプティカルベンチ１０ａがシリコン基板により構成されているので、上記位置決め溝を、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより高精度に形成することができる。

本実施形態の波長変換器では、光ファイバＯＦ１から第１のスポットサイズ変換器５を通してラマン散乱光増強デバイスＡへ入射した光がラマン散乱光増強デバイスＡにてラマン散乱光の波長の光に波長変換され、第２のスポットサイズ変換器６を通して出射されることとなる。

しかして、本実施形態の波長変換器では、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできるので、波長変換効率を高めることができる。

なお、ラマン散乱光増強デバイスＡの光共振器３の構造として、実施形態２と同様の構造を採用してもよい。

（実施形態４）
本実施形態では、図６を参照しながら、ラマン散乱光増強デバイスＡを応用した光増幅器について説明するが、実施形態１のレーザと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の光増幅器は、オプティカルベンチ１０ａの上記一表面側において、ラマン散乱光の励起光源としての半導体レーザＬＤの他に、光信号を入力するための光ファイバＯＦ２が位置決め固定され、光ファイバＯＦ２とラマン散乱光増強デバイスＡにおける信号光入力用の導波路２ｄとの間に第３のスポットサイズ変換器７が形成されている。ここにおいて、オプティカルベンチ１０ａには、第３のスポットサイズ変換器７に光結合させる上述の光ファイバＯＦ２を位置決めする断面Ｖ字状のＶ溝からなる位置決め溝（図示せず）が形成されている。なお、本実施形態では、オプティカルベンチ１０ａがシリコン基板により構成されているので、上記位置決め溝を、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより高精度に形成することができる。また、信号光入力用の導波路２ｄは、導波路２ａと同様に、第２の２次元フォトニック結晶１_２に線状の欠陥を設けることにより形成されており、導波路２ａと平行となっている。

本実施形態の光増幅器では、ラマン散乱光増強デバイスＡに、光ファイバＯＦ２から第３のスポットサイズ変換器７を通して入力するとともに、当該信号光よりも波長がＳｉのラマンシフト分だけ波長の短い励起光を半導体レーザＬＤから第１のスポットサイズ変換器５を通してラマン散乱光増強デバイスＡへ入射することにより、誘導ラマン散乱によって信号光が増幅され、導波路２ｂ，２ｃを通して出射されることとなる。

しかして、本実施形態の光増幅器では、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくできるので、増幅度を高めることができる。

（実施形態５）
本実施形態では、図７を参照しながら、ラマン散乱光増強デバイスＡを応用したガスセンサについて説明するが、実施形態１のレーザと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のガスセンサは、実施形態１にて説明したオプティカルベンチ１０ａの上記一表面側に、ラマン散乱光増強デバイスＡから出射されるラマン散乱光を受光する光デバイスとしてのｐｉｎ型のフォトダイオードＰＤと、ラマン散乱光増強デバイスＡの導波路２ｃとフォトダイオードＰＤとの間に介在しラマン散乱光を導波する導波路ＯＷＧとが形成されており、検出対象ガス（例えば、水素ガスなど）のガス分子の存否や濃度に起因したラマン散乱光の強度変化に応じてフォトダイオードＰＤの出力が変化する。

したがって、励起光源としての半導体レーザＬＤの出力を制御するとともにフォトダイオードＰＤの出力に基づいて検出対象ガスの存否の判断や濃度の演算などの処理を行うマイクロコンピュータからなる制御回路や、制御回路による処理結果を測定結果として表示するディスプレイのような表示手段などを適宜設ければよい。

上述のフォトダイオードＰＤは、オプティカルベンチ１０ａに不純物をドーピングすることによりｐｉｎ構造が形成され、さらに、一対の電極２４，２４が形成されている。

また、導波路ＯＷＧは、各２次元フォトニック結晶１_１，１_２，１_２および各導波路２ａ，２ｂ，２ｃおよび各光共振器３，４と同様に、オプティカルベンチ１０ａ上のシリコン酸化膜１０ｂ上のシリコン層１０ｃをリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することにより形成されている。

ところで、現状のガスセンサは、ＳｎＯ_２からなる薄膜セラミックスの表面にガスが吸着した際に起こる還元反応に起因した抵抗値変化や、Ｐｔに可燃性ガスが吸着した際に起こる燃焼反応に起因した抵抗値変化により、ガスの存在を検知するものが一般的である。しかしながら、これらのガスセンサでは、ガスの識別性が低い、数百度に加熱した状態で使用する必要があり消費電力が大きい、応答速度が遅い（〜１０秒）、感度がドリフトする、などの問題があった。一方、物質に光を照射した際に、分子の固有振動数分だけ変化した波長のラマン散乱光を用いると、識別性および応答速度および感度の安定性の向上が期待される。特に、ラマン散乱は、赤外線吸収と相補的な関係になっている場合が多く、赤外線吸収で識別できない物質（例えば、水素など）を識別できるという特徴がある。そこで、ラマン散乱光を用いた物質の分析技術は分光分析の分野では一般的であるが、ラマン散乱光が非常に微弱であるため、液体窒素などによる冷却を必要とする高感度なディテクタや高精度の分光器などを用いる必要があり、小型化が難しい。

これに対して、本実施形態のガスセンサでは、上述のラマン散乱光増強デバイスＡを採用することで、小型化および低消費電力化を図りながらも、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積を大きくでき、水素ガスなどの赤外線吸収による検知ができないガスに対する感度を高めることができる。ここにおいて、本実施形態のガスセンサは、例えば、オプティカルベンチ１０ａの厚み寸法を５００μｍ、半導体レーザＬＤと第１のスポットサイズ変換器５とラマン散乱光増強デバイスＡとフォトダイオードＰＤとの並んでいるｘ方向の寸法を０．８μｍ、ｘ方向に直交するｙ方向の寸法を０．７μｍ程度とすることができ、上記特許文献４に開示されたガスセンサに比べて小型化することができる。

また、本実施形態では、ガスセンサについて例示したが、ガスセンサに限らず、化学センサ（例えば、ＤＮＡやたんぱく質などの生体高分子を検出するバイオセンサ）などとして用いることも可能である。

（実施形態６）
本実施形態のラマン散乱光増強デバイスＡの基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、フォトニック結晶構造体が１つの２次元フォトニック結晶１_０により構成されており、スラブ１１_０に形成する空孔１２_０の半径を一定とし、ラマン散乱光増強用の光共振器３を構成する導波路の構造パラメータである幅（図８における上下方向の寸法）を当該導波路の途中で段階的に変えることでラマン散乱光を波長選択的に反射する反射面および入射光を反射する反射部が形成されている点に特徴がある。光共振器３を構成する導波路の幅を当該導波路の途中で変えることで、上記導波路において長手方向の中央に形成された第１導波部３_１と第１導波部３_１よりも幅狭で第１導波部３_１の両側に位置する第２導波部３_２，３_２との境界により各反射面を形成し、第２導波部３_２，３_２と第２導波部３_２，３_２よりも幅狭で第１導波部３_１側とは反対側に位置する第３導波部３_３，３_２との境界により各反射部を形成してある。

ところで、本実施形態のラマン散乱光増強デバイスＡにおいて、２次元フォトニック結晶１_０の屈折率周期構造の周期（格子定数）をａ_０、上記導波路において長手方向の中央に形成された第１導波部３_１の幅をＷ１、第１導波部３_１の両側に形成された各第２導波部３_２の幅をＷ２、各第２導波部３_２における第１導波部３_１側とは反対側に形成された各第３導波部３_３の幅をＷ３として、Ｗ１＝３^1/2ａ_０、Ｗ１：Ｗ２：Ｗ３＝１：０．９７５：０．７２となるように各幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を設計し、第１導波部３１の長さを４ａ_０、第２導波部３_２の長さを２ａ_０となるように設計した一例について、光共振器３の共鳴モードと周波数（ここにおける周波数は、光速ｃと２次元フォトニック結晶１_０の格子定数ａ_０とで無次元化した光の周波数〔ｃ／ａ_０〕である）との関係をシミュレーションした結果、５つの共鳴モードが存在し、第１の共鳴モードの周波数＝０．２６３７５〔ｃ／ａ_０〕、第２の共鳴モードの周波数＝０．２７１６〔ｃ／ａ_０〕、第３の共鳴モードの周波数＝０．２７５５〔ｃ／ａ_０〕、第４の共鳴モードの周波数＝０．２８１８〔ｃ／ａ_０〕、第５の共鳴モードの周波数＝０．２８３２〔ｃ／ａ_０〕であった。ここで、上述の格子定数ａ_０を３４７ｎｍに設定すると、第１の共鳴モードの波長＝１３１５．６ｎｍ、第４の共鳴モードの波長＝１２３１．４ｎｍとなり、第１の共鳴モードの波長と第４の共鳴モードの波長との波長差が、シリコンのラマンシフト（５２０ｃｍ^−１）に相当するので、第１の共鳴モードをラマン散乱光の共鳴モードとして利用し、第４の共鳴モードを励起光（入射光）の共鳴モードとして利用している。

ここにおいて、ラマン散乱光増強デバイスＡの厚み方向に直交する面内において、光共振器３の長手方向をｘ方向、ｘ方向に直交する方向（つまり、光共振器３の幅方向をｙ方向とし、上記厚み方向をｚ方向とした場合、ラマン散乱光の周波数（ｆ＝０．２６３７５）での電界分布（Ｅｙ成分）は図９（ａ）に示すようになり、励起光の周波数（ｆ＝０．２８１８）での電界分布（Ｅｙ成分）は図９（ｂ）に示すようになる。この図９から、ラマン散乱光の波長の光が上述の反射面間に定在し、励起光の波長の光が上述の反射部間に定在していることが分かる。なお、図９の例では、ラマン散乱光の共鳴モードのＱ値が３５００００、励起光（入射光）のＱ値が２１０００であり、上記特許文献３に比べて、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積が大きな値となる。

しかして、本実施形態では、光共振器３を構成する導波路の幅を当該導波路の途中で変えることで第１導波部３_１と第２導波部３_２との境界により反射面を形成することができるとともに、第２導波部３_２と第３導波部３_３との境界により反射部を形成することができるので、反射面、反射部の設計および形成が容易になる。なお、本実施形態のラマン散乱光増強デバイスＡは、実施形態１，２にて説明したレーザや、実施形態３にて説明した波長変換器や、実施形態４にて説明した光増幅器や、実施形態５にて説明したガスセンサなどの各種のラマン散乱光応用装置に適用してもよい。

（実施形態７）
本実施形態のラマン散乱光増強デバイスＡの基本構成は実施形態６と略同じであって、実施形態６では光共振器３を構成する導波路の幅を変えるために、空孔１２_０の形成位置をずらしてあるのに対して、本実施形態では、図１０に示すように、空孔１２_０の位置をずらさずに上記導波路の空孔１２_０の半径を変えることで上記導波路の幅を変えている点が相違する。ただし、本実施形態においても、上記導波路において長手方向の中央に形成された第１導波部３_１と第１導波部３_１よりも幅狭で第１導波部３_１の両側に位置する第２導波部３_２，３_２との境界により各反射面を形成し、第２導波部３_２，３_２と第２導波部３_２，３_２よりも幅狭で第１導波部３_１側とは反対側に位置する第３導波部３_３，３_２との境界により各反射部を形成してある。なお、実施形態６と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態では、２次元フォトニック結晶１_０における空孔１２_０の配列方向の周期（格子定数）ａ_０と、空孔１２_０の基本半径を０．２３ａ_０とするとき、上記導波路の幅方向の両側それぞれにおいて上記導波路の長手方向に沿った３列分に関して、空孔１２_０の半径を段階的に変えている。ここにおいて、上記導波路において長手方向の中央に形成された第１導波部３_１の幅方向の両側の３列分については、空孔１２_０の半径を０．２３ａ_０とし、各第２導波部３_２の幅方向の両側の３列分については、空孔１２_０の半径を０．２３３ａ_０とし、各第３導波部３_３の幅方向の両側の３列分については、空孔１２_０の半径を０．２８ａ_０とし、第１導波部３_１の長さを４ａ_０、第２導波部３_２の長さを２ａ_０となるように設計した例について、光共振器３の共鳴モードと周波数（ここにおける周波数は、光速ｃと２次元フォトニック結晶１_０の格子定数ａ_０とで無次元化した光の周波数〔ｃ／ａ_０〕である）との関係をシミュレーションした結果、４つの共鳴モードが存在し、第１の共鳴モードの周波数＝０．２５３０〔ｃ／ａ_０〕、第２の共鳴モードの周波数＝０．２５８５〔ｃ／ａ_０〕、第３の共鳴モードの周波数＝０．２６５８〔ｃ／ａ_０〕、第４の共鳴モードの周波数＝０．２７４８〔ｃ／ａ_０〕であった。ここで、上述の格子定数ａ_０を４２０ｎｍに設定すると、第１の共鳴モードの波長＝１６６０ｎｍ、第４の共鳴モードの波長＝１５２８ｎｍとなり、第１の共鳴モードの波長と第４の共鳴モードの波長との波長差が、シリコンのラマンシフト（５２０ｃｍ^−１）に相当するので、第１の共鳴モードをラマン散乱光の共鳴モードとして利用し、第４の共鳴モードを励起光（入射光）の共鳴モードとして利用している。

ここにおいて、ラマン散乱光増強デバイスＡの厚み方向に直交する面内において、光共振器３の長手方向をｘ方向、ｘ方向に直交する方向（つまり、光共振器３の幅方向をｙ方向とし、上記厚み方向をｚ方向とした場合、ラマン散乱光の周波数（ｆ＝０．２５３０）での電界分布（Ｅｙ成分）は図１１（ａ）に示すようになり、励起光の周波数（ｆ＝０．２７４８）での電界分布（Ｅｙ成分）は図１１（ｂ）に示すようになる。この図１１から、ラマン散乱光の波長の光が上述の反射面間に定在し、励起光の波長の光が上述の反射部間に定在していることが分かる。なお、図１１の例では、ラマン散乱光の共鳴モードのＱ値が４０００００、励起光（入射光）のＱ値が１２００であり、上記特許文献３に比べて、入射光の共鳴モードのＱ値とラマン散乱光の共鳴モードのＱ値との積が大きな値となる。

実施形態１を示し、（ａ）はラマン散乱光増強デバイスを応用したレーザの概略斜視図、（ｂ）はラマン散乱光増強デバイスの概略斜視図、（ｃ）はラマン散乱光増強デバイスの要部概略平面図である。同上のラマン散乱光増強デバイスにおけるラマン散乱光増強用の光共振器の電界分布の説明図である。実施形態２を示し、（ａ）はラマン散乱光増強デバイスを応用したレーザの概略斜視図、（ｂ）はラマン散乱光増強デバイスの概略斜視図、（ｃ）はラマン散乱光増強デバイスの要部概略平面図である。同上のラマン散乱光増強デバイスにおけるラマン散乱光増強用の光共振器の電界分布の説明図である。実施形態３を示し、（ａ）はラマン散乱光増強デバイスを応用した波長変換器の概略斜視図、（ｂ）はラマン散乱光増強デバイスの概略斜視図である。実施形態４を示し、（ａ）はラマン散乱光増強デバイスを応用した光増幅器の概略斜視図、（ｂ）はラマン散乱光増強デバイスの概略斜視図である。実施形態５を示し、（ａ）はラマン散乱光増強デバイスを応用したガスセンサの概略斜視図、（ｂ）はラマン散乱光増強デバイスの概略斜視図である。実施形態６のラマン散乱光増強デバイスの要部概略平面図である。同上のラマン散乱光増強デバイスにおけるラマン散乱光増強用の光共振器の電界分布の説明図である。実施形態７のラマン散乱光増強デバイスの要部概略平面図である。同上のラマン散乱光増強デバイスにおけるラマン散乱光増強用の光共振器の電界分布の説明図である。

符号の説明

１_０２次元フォトニック結晶（フォトニック結晶構造体）
１_１第１の２次元フォトニック結晶
１_２第２の２次元フォトニック結晶
１_３第３の２次元フォトニック結晶
２ａ，２ｂ，２ｃ導波路
３光共振器（導波路）
４光共振器
１０ａオプティカルベンチ
１０ｂシリコン酸化膜
１０ｃシリコン層
Ａラマン散乱光増強デバイス
ＨＩ_１２ヘテロ界面
ＨＩ_１３ヘテロ界面

Claims

複数の波長で共鳴モードを有する光共振器を備えたラマン散乱光増強デバイスであって、フォトニック結晶構造体に形成された線状の欠陥からなる導波路により構成された光共振器を備え、前記光共振器は、前記光共振器を構成する前記導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、前記一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する前記一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有し、前記フォトニック結晶構造体は、少なくとも、第１の２次元フォトニック結晶が当該第１の２次元フォトニック結晶とは前記構造パラメータの異なる２つの第２の２次元フォトニック結晶により同一面内で挟まれた面内へテロ構造を有し、前記光共振器を構成する前記導波路は、前記第１の２次元フォトニック結晶と前記第１の２次元フォトニック結晶の両側の前記第２の２次元フォトニック結晶とに跨って形成されるとともに、前記各第２の２次元フォトニック結晶の途中で終端されており、前記第１の２次元フォトニック結晶に形成された部分と前記第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射面を構成し、両端部それぞれが前記反射部を構成していることを特徴とするラマン散乱光増強デバイス。
複数の波長で共鳴モードを有する光共振器を備えたラマン散乱光増強デバイスであって、フォトニック結晶構造体に形成された線状の欠陥からなる導波路により構成された光共振器を備え、前記光共振器は、前記光共振器を構成する前記導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすようにフォトニック結晶構造体の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、前記一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する前記一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有し、前記フォトニック結晶構造体は、少なくとも、第１の２次元フォトニック結晶が前記第１の２次元フォトニック結晶とは前記構造パラメータの異なる２つの第２の２次元フォトニック結晶により同一面内で挟まれ、前記各第２の２次元フォトニック結晶における前記第１の２次元フォトニック結晶側とは反対側に前記第２の２次元フォトニック結晶とは前記構造パラメータの異なる第３の２次元フォトニック結晶が形成された面内へテロ構造を有し、前記光共振器を構成する前記導波路は、少なくとも、前記第１の２次元フォトニック結晶と前記各第２の２次元フォトニック結晶と前記各第３の２次元フォトニック結晶とに跨って形成され、前記第１の２次元フォトニック結晶に形成された部分と前記第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射面を構成し、前記第２の２次元フォトニック結晶に形成された部分と前記第３の２次元フォトニック結晶に形成された部分との境界が前記反射部を構成していることを特徴とするラマン散乱光増強デバイス。
複数の波長で共鳴モードを有する光共振器を備えたラマン散乱光増強デバイスであって、フォトニック結晶構造体に形成された線状の欠陥からなる導波路により構成された光共振器を備え、前記光共振器は、前記光共振器を構成する前記導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすように前記導波路の構造パラメータを変えることで形成された波長選択的な一対の反射面を備え、前記一対の反射面間で対象媒質のラマン散乱光の波長と入射光の波長との２波長のうちの一方の波長に対する共鳴モードを有するとともに、当該一方の波長に対する共鳴モードを有する前記一対の反射面よりも前記導波路の光の伝搬方向において外側に形成された一対の反射部間で前記２波長のうちの他方の波長に対する共鳴モードを有し、前記光共振器は、前記導波路の前記構造パラメータである幅を前記導波路の途中で変えることで前記反射面および前記反射部が形成されてなることを特徴とするラマン散乱光増強デバイス。