JP4897659B2 - 微小共振器型光源 - Google Patents

Description

本発明は、光通信用デバイス、量子情報処理用デバイスに関するものであり、高屈折率差を利用し、ウィスパーリングギャラリーモード条件を満たす微小共振器構造を作製して微小光源を実現するものである。

現在の光通信用デバイス、量子情報処理デバイスがもつ課題の一つに小型化、高集積化がある。小型化、高集積化を実現する一つの方法が、高屈折率差を用いた光導波、光閉じ込めのデバイスである。この方法では、シリコンを使うことで、ガラスを使った場合に比べ、１／１０００程度に小型化でき、かつ安価で大量のデバイスを提供できる。
球構造や円筒状構造を有した共振器構造をとった微小共振器型光源は、そのＱ値が大きく（１０¹⁰程度）、モード体積が小さい（数十μｍ³程度）という特徴を有する。従来、この光源の微小共振器部分は、光ファイバーを利用したシリカガラス（非特許文献１参照）や、発光源を含んだ有機ポリマー球（非特許文献２参照）から作製されている。

Y.Yamamoto and R.E.Slusher，「OPTICAL PROCESSES IN MICROCAVITIES」，Physics Today，June，1993，p.66-73 五神真氏，「光と物質の潜在力を引き出す〜ナノテクと光技術をつなぐサイエンス〜」，Janan Nanonet Bulletin，第62号，2004.4.13

以上のように、微小共振器型光源は、Ｑ値が大きく、モード体積が小さい光源として期待されているものの、実用化されていない。その理由としては、以下のような問題点があったためである。

まず、シリカガラスによる微小球は屈折率差が小さく小型化に不向きであり、またレーザーアブレーションによる微小球の作製という作製方法が大量生産に適していないという問題点があった。
また、有機ポリマーから作製された微小球は、シリコンや化合物半導体で構成されている現在の電子回路の作製プロセスに比べて形成の制御性に劣り、また同一基板上に有機ポリマー系の微小球と無機系半導体素子の両者を形成することが困難なので、従来のシリコンや化合物半導体を中心とした光通信用デバイスや今後の量子情報処理デバイスと融合させることが難しいという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、第一に高効率な光共振器であり、第二に素子サイズが小さく高密度集積が可能でかつ安価に大量生産することができ、第三に形成の制御性に優れ、第四に従来の電子デバイスとの融合性に優れた微小共振器型光源を提供することを目的とする。

本発明の微小共振器型光源は、光伝播方向と垂直な断面が矩形である、励起光導入用の第一コアと、この第一コアと接続され、前記光伝播方向と垂直な断面が矩形でかつ平面視円形の光共振器を構成する第二コアと、前記第一コアおよび第二コアを覆う、前記第一コアおよび第二コアよりも屈折率が小さい材料からなるクラッドとを備え、前記第二コアは、発光源となる物質が添加され、この第二コアにおける発光波長に対してウィスパーリングギャラリーモード条件を満たすことを特徴とするものである。
また、本発明の微小共振器型光源の１構成例は、さらに、前記クラッドで覆われるコアとして、前記光伝播方向と垂直な断面が矩形であり前記第一コアおよび第二コアと同じ材料からなる、前記第二コアからの光導出用の第三コアを備え、この第三コアは、光伝播のシングルモード条件を満たすことを特徴とするものである。
また、本発明の微小共振器型光源の１構成例において、前記第三コアは、前記第二コアと接するか、あるいは前記第二コアと間隙を隔てて配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の微小共振器型光源の１構成例において、前記第二コアは、互いに接するように複数配置され、前記第三コアは、前記第二コアの各々に対して少なくとも１つずつ配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の微小共振器型光源の１構成例において、前記第一コア、第二コアおよび第三コアの材料はシリコンであり、前記クラッドの材料は、空気、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とするものである。
また、本発明の微小共振器型光源の１構成例において、前記第二コアに添加される発光源となる物質は、ゲルマニウム、アルミニウム、インジウム、ガリウム、砒素、リン、ホウ素、窒素、カドミウム、硫黄、セレン、テルル、エルビウム、ユーロピウム、サマリウム、イッテリビウムのいずれかであることを特徴とするものである。

本発明によれば、高屈折率差導波路の特徴を利用して円筒状微小共振器構造を実現したので、高効率で小型化が可能な微小共振器型光源を実現することができる。また、本発明では、シリコンをコアに用いることで、安価に大量生産を実現することができ、また有機ポリマー系の微小球を作製する場合に比べて形成の制御性を向上させることができる。さらに、本発明では、シリコンをコアに用いることで、同一基板上に微小共振器型光源と半導体素子とを形成することが可能になるので、従来のシリコンや化合物半導体を中心とした光通信用デバイスや今後の量子情報処理デバイスと融合させることが容易になる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る微小共振器型光源の平面図である。本実施の形態の微小共振器型光源２３は、励起光入力用導波路２１と、第一コア３１と、第二コア３２と、第三コア３３と、出力用導波路２２とから構成されている。励起光入力用導波路２１と第一コア３１と第二コア３２と第三コア３３と出力用導波路２２とは、同一の材料、例えばシリコンによって一体成形されている。シリコンの屈折率は３．４７８である。

図２は図１の第一コア３１のＡ−Ａ線断面図である。励起光入力用導波路２１と第一コア３１と第二コア３２と第三コア３３と出力用導波路２２とは、シリコンより屈折率の低い例えば酸化シリコンからなるアンダークラッド５１上に形成されている。酸化シリコンの屈折率は、１．４４４である。また、励起光入力用導波路２１と第一コア３１と第二コア３２と第三コア３３と出力用導波路２２とは、シリコンより屈折率の低いオーバークラッドによって覆われている。本実施の形態では、シリコンより屈折率の低い空気をオーバークラッドとして用いている。したがって、図２では、オーバークラッドを示していない。空気の屈折率は、１．０００である。なお、アンダークラッド５１は、図示しないシリコン等の基板上に形成されている。

図２に示すように、第一コア３１は、光伝播方向（図１左右方向）と垂直な断面が矩形であり、厚さＴが０．２μｍ、幅Ｗが０．２５μｍのシリコンからなる。この第一コア３１の断面寸法は、第一コア３１を伝播させたい光の伝播について第一コア３１と第一コア３１を覆うクラッドとを含む領域におけるマックスウェルの方程式を解き、さらにその解の中から第一コア３１を伝播させたい解すなわち光の伝播モードを選択し、その光の伝播モードが満たさなければならない第一コア３１と第一コア３１を覆うクラッドとを含む領域におけるマックスウェルの方程式の解の境界条件から決定すればよい。

図３は図１の第二コア３２のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すように、第二コア３２は、光伝播方向と垂直な断面が矩形で且つ平面視円形の形状、すなわち円筒形をしている。第二コア３２は、厚さＴが第一コア３１と同じ０．２μｍ、直径Ｄが１０μｍのシリコンを主成分とする材料からなる。この第二コア３２の直径の決め方については後述する。この第二コア３２には、発光源となる発光物質、例えば半導体や希土類が添加されている。

第三コア３３は、第一コア３１と同様に、光伝播方向と垂直な断面が矩形のシリコンからなる。この第三コア３３の断面寸法は、第三コア３３を伝播させたい光の伝播について第三コア３３と第三コア３３を覆うクラッドとを含む領域におけるマックスウェルの方程式を解き、さらにその解の中から第三コア３３を伝播させたい解すなわち光の伝播モードを選択し、その光の伝播モードが満たさなければならない第三コア３３と第三コア３３を覆うクラッドとを含む領域におけるマックスウェルの方程式の解の境界条件から決定すればよい。ここでは、第三コア３３は、光伝播のシングルモード条件を満たす。

励起光入力用導波路２１と出力用導波路２２とは、光伝播方向と垂直な断面が矩形のシリコンからなる。励起光入力用導波路２１の断面寸法は、励起光入力用導波路２１を伝播させたい光の伝播について励起光入力用導波路２１と励起光入力用導波路２１を覆うクラッドとを含む領域におけるマックスウェルの方程式を解き、さらにその解の中から励起光入力用導波路２１を伝播させたい解すなわち光の伝播モードを選択し、その光の伝播モードが満たさなければならない励起光入力用導波路２１と励起光入力用導波路２１を覆うクラッドとを含む領域におけるマックスウェルの方程式の解の境界条件から決定すれば良い。出力用導波路２２の断面寸法は、シングルモード条件を満たす寸法であればよい。第三コア３３から出力用導波路２２に出射する光の波長が１．５μｍ程度である場合、第三コア３３の断面積は概ね０．１μｍ²以下である。

以上のような微小共振器型光源２３において、励起光入力用導波路２１から第一コア３１を通って第二コア３２に励起光を導入すると、第二コア３２の発光源が励起される。ここで、発光した光は、第二コア３２と第二コア３２を覆う第二コア３２よりも屈折率が小さい材料からなるクラッドとの界面に全反射することでウィスパーリングギャラリーモードを形成する。したがって、第二コア３２での発光は、共振するウィスパーリングギャラリーモード条件を満たすモードの光だけが残る。この第二コア３２で発振した光は、第三コア３３を通って出力用導波路２２より出射する。なお、励起光の波長は、コア、クラッドの屈折率における大小関係が満たされる波長領域であれば、任意に決定して良い。

以下、所望の波長の出射光に対して第二コア３２の光共振器部分でウィスパーリングギャラリーモード条件を満たすための第二コア３２のサイズについて説明する。
第二コア３２のサイズは、マクスウェル（Maxwell）の方程式を楕円柱座標系で展開したマチュー（Mathieu）および変形マチューの微分方程式である以下の波動方程式を周期的境界条件で解くことで求められる。つまり、マクスウェルの方程式の解がウィスパーリングギャラリーモードである。

楕円柱状共振器を座標系を円柱座標系（η、φ、ｚ）にとってマックスウェルの方程式を考える。この楕円柱状共振器における電磁場のｚ成分をＥ_Z（η、φ）＝Ｈ（η）Ψ（φ）ととり、変数分離してマックスウェルの方程式をＨ（η）とΨ（φ）の一変数の方程式に書き換えた方程式がそれぞれ式（２）、式（１）である。これらの連立微分方程式の解がウィスパーリングギャラリーモードである。ε１、ε２は、それぞれ円柱状共振器内部の比誘電率、円柱状共振器を覆うクラッドの比誘電率であり、ｑ１、ｑ２は、それぞれ円柱状共振器内部、円柱状共振器を覆うクラッドで与えられる定数である。ｐは、光の伝播解（伝播モード）のモードを表す指数に相当し、Ψ（φ）が２πの周期を持つという境界条件で決定される。ωは光の周波数、μ₀は真空中の透磁率、ε₀は真空中の誘電率、ｃは光速である。式（１）、式（２）において、出射光の波長を決め、特定のモードを選択すれば、第二コア３２の半径を決定することができる。

以上のような構成により、屈折率差１．９で直径１０μｍの第二コア３２（球状微小共振器）においてウィスパーギャラリーモード条件を満たすことで、波長１．５μｍの光を微小共振器内に閉じ込めることができ、そのＱ値は１０¹⁰になる。

本実施の形態では、高屈折率差導波路の特徴を利用して円筒状微小共振器構造を実現したので、直径１０μｍの微小球よりさらに小さな円板での通信波長帯でのレーザー発振が可能であり、コアとクラッドとの高屈折率差を利用して光をより長く、より強く閉じ込めておくことが可能なので、高効率で小型化が可能な微小共振器型光源を実現することができる。

また、本実施の形態では、シリコンをコアに用いることで、安価に大量生産を実現することができ、また有機ポリマー系の微小球を作製する場合に比べて形成の制御性を向上させることができる。さらに、本実施の形態では、シリコンをコアに用いることで、同一基板上に微小共振器型光源と半導体素子とを形成することが可能になるので、従来のシリコンや化合物半導体を中心とした光通信用デバイスや今後の量子情報処理デバイスと融合させることが容易になる。

［第２の実施の形態］
図４は本発明の第２の実施の形態に係る微小共振器型光源の平面図である。本実施の形態の微小共振器型光源２４は、励起光入力用導波路２１と、第一コア３１と、第二コア３２と、第三コア３３ａと、出力用導波路２２とから構成されている。励起光入力用導波路２１と第一コア３１と第二コア３２と第三コア３３ａと出力用導波路２２とがシリコン等の材料からなることと、アンダークラッドおよびオーバークラッドが存在することは第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態との違いは、第二コア３２と第三コア３３ａとが接続されていないことである。すなわち、第二コア３２と第三コア３３ａとの間には、０．１μｍ程度の間隙３４が存在する。この間隙３４は、図示しないオーバークラッド（ここでは空気）で満たされることになる。第二コア３２と第三コア３３ａとの距離（間隙３４の幅Ｇ１）は、第二コア３２で発光しウィスパーリングギャラリーモードを形成する光の波長によって決定すれば良い。

以上のような微小共振器型光源２４において、励起光入力用導波路２１から第一コア３１を通って第二コア３２に励起光を導入すると、第二コア３２の発光源が励起される。ここで、発光した光は、共振するウィスパーリングギャラリーモード条件を満たすモードの光だけが残る。この第二コア３２で発振した光は、間隙３４を通って隣接する第三コア３３ａに漏れ出し、第三コア３３ａを通って出力用導波路２２より出射する。

［第３の実施の形態］
図５は本発明の第３の実施の形態に係る微小共振器型光源の平面図である。本実施の形態の微小共振器型光源２５は、励起光入力用導波路２１と、第一コア３１と、第二コア３２，４２と、第三コア３３ａ，３３ｂと、出力用導波路２２，２６とから構成されている。励起光入力用導波路２１と第一コア３１と第二コア３２，４２と第三コア３３ａ，３３ｂと出力用導波路２２，２６とがシリコン等の材料からなることと、アンダークラッドおよびオーバークラッドが存在することは第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態との違いは、第二コア３２に接するようにもう１つの第二コア４２が形成されることと、第二コア３２，４２と第三コア３３ａ，３３ｂとが接続されていないことである。
第二コア３２と４２とは、所望の出射光の波長程度から波長の数十倍程度の幅で接していればよい。

第２の実施の形態と同様に、第二コア３２と第三コア３３ａとの間には、０．１μｍ程度の間隙３４が存在し、第二コア４２と第三コア３３ｂとの間には、０．１μｍ程度の間隙３５が存在する。間隙３４，３５は、図示しないオーバークラッド（ここでは空気）で満たされることになる。第二コア４２と第三コア３３ｂとの距離（間隙３５の幅Ｇ２）は、第二コア４２で発光しウィスパーリングギャラリーモードを形成する光の波長によって決定すれば良い。

以上のような微小共振器型光源２５において、励起光入力用導波路２１から第一コア３１を通って第二コア３２，４２に励起光を導入すると、第二コア３２，４２の発光源が励起される。ここで、発光した光は、共振するウィスパーリングギャラリーモード条件を満たすモードの光だけが残る。第二コア３２と４２は、円の半径が異なり、共振するウィスパーリングギャラリーモード条件が異なるので、二波長同時に出力できる光源となる。また、第二コア３２，４２に添加する材料を変えることでも、二波長同時に出力できる光源となる。

第二コア３２で発振した光は、間隙３４を通って隣接する第三コア３３ａに漏れ出し、第三コア３３ａを通って出力用導波路２２より出射する。同様に、第二コア４２で発振した光は、間隙３５を通って隣接する第三コア３３ｂに漏れ出し、第三コア３３ｂを通って出力用導波路２６より出射する。
以上のように、本実施の形態では、複数の波長の光を同時に得ることができる。なお、間隙３４，３５の幅Ｇ１とＧ２は、異なる値でよい。

第１〜第３の実施の形態において、アンダークラッドおよびオーバークラッドの材料は、空気、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂のいずれかであればよい。
また、第１〜第３の実施の形態において、第二コア３２，４２に添加する発光源となる物質は、ゲルマニウム、アルミニウム、インジウム、ガリウム、砒素、リン、ホウ素、窒素、カドミウム、硫黄、セレン、テルル、エルビウム、ユーロピウム、サマリウム、イッテリビウムのいずれかであればよい。

本発明は、光通信用デバイス、量子情報処理用デバイスに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る微小共振器型光源の平面図である。 図１の微小共振器型光源の第一コアの断面図である。 図１の微小共振器型光源の第二コアの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る微小共振器型光源の平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る微小共振器型光源の平面図である。

符号の説明

２１…励起光入力用導波路、２２，２６…出力用導波路、２３，２４，２５…微小共振器型光源、３１…第一コア、３２，４２…第二コア、３３，３３ａ，３３ｂ…第三コア、３４，３５…間隙。

Claims (6)

1. 光伝播方向と垂直な断面が矩形である、励起光導入用の第一コアと、
   この第一コアと接続され、前記光伝播方向と垂直な断面が矩形でかつ平面視円形の光共振器を構成する第二コアと、
   前記第一コアおよび第二コアを覆う、前記第一コアおよび第二コアよりも屈折率が小さい材料からなるクラッドとを備え、
   前記第二コアは、発光源となる物質が添加され、この第二コアにおける発光波長に対してウィスパーリングギャラリーモード条件を満たすことを特徴とする微小共振器型光源。
2. 請求項１記載の微小共振器型光源において、
   さらに、前記クラッドで覆われるコアとして、前記光伝播方向と垂直な断面が矩形であり前記第一コアおよび第二コアと同じ材料からなる、前記第二コアからの光導出用の第三コアを備え、
   この第三コアは、光伝播のシングルモード条件を満たすことを特徴とする微小共振器型光源。
3. 請求項２記載の微小共振器型光源において、
   前記第三コアは、前記第二コアと接するか、あるいは前記第二コアと間隙を隔てて配置されることを特徴とする微小共振器型光源。
4. 請求項２または３記載の微小共振器型光源において、
   前記第二コアは、互いに接するように複数配置され、
   前記第三コアは、前記第二コアの各々に対して少なくとも１つずつ配置されることを特徴とする微小共振器型光源。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の微小共振器型光源において、
   前記第一コア、第二コアおよび第三コアの材料はシリコンであり、前記クラッドの材料は、空気、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とする微小共振器型光源。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小共振器型光源において、
   前記第二コアに添加される発光源となる物質は、ゲルマニウム、アルミニウム、インジウム、ガリウム、砒素、リン、ホウ素、窒素、カドミウム、硫黄、セレン、テルル、エルビウム、ユーロピウム、サマリウム、イッテリビウムのいずれかであることを特徴とする微小共振器型光源。

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