JP5401635B1 - ラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法、ならびに、ラマン散乱光増強デバイスを用いたラマンレーザ光源 - Google Patents

Abstract

半導体基板に空孔（２０ａ）が形成されたフォトニック結晶（２０）において、入射光に対して複数の周波数で共鳴モードを有する導波路を備えるラマン散乱光増強デバイスであって、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とともに、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。

Description

本発明は、ラマン散乱光増強デバイスであって、特に、半導体基板に空孔が形成された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ラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法に関する。また、当該ラマン散乱光増強デバイスを用いたラマンレーザ光源に関する。

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、誘導ラマン散乱を起こすことが可能なよう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。特許文献１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、この構造パラメータの違いにより、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のラマン散乱光増強デバイスでは、フォトニック結晶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ており、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。

特開２００８−２４１７９６号公報

特許文献１に開示されたラマン散乱光増強デバイスによれば、誘導ラマン散乱によって生じたラマン光を光共振器によって所定領域内に強く閉じ込めることができるので、高効率にラマン散乱光を得ることができる。このようなラマン散乱光増強技術は、将来的には、フォトニック結晶を用いたラマンレーザの実現に繋がるものとして注目を浴びている。フォトニック結晶を用いたラマンレーザは、従来の半導体レーザが対応できない波長域のレーザ光を得ることのできる技術として、またシリコンのような間接遷移型半導体でもレーザ光を創出できる技術として実用化を期待されているが、一般にラマン散乱光の強度は非常に低いことが知られており、特許文献１のラマン散乱光増強デバイスを利用したとしても、低閾値のレーザ発振を実現することは容易ではない。従って、より強いラマン散乱光を得るための増強デバイスが求められている。

ところで、特許文献１のようなラマン散乱光増強デバイスを、シリコン基板において作製する場合、へき開の容易な[１１０]方向やそれと等価な方向を用いることが一般的である。これに対して、本願発明者らは、鋭意研究の結果、ラマン散乱光の強度（ラマン遷移確率）が材料基板の結晶方位面に依存することに注目し、従来技術と全く異なる新たな視点から、より強いラマン散乱光を得るための技術を提案するものである。

本発明の目的とするところは、導波路の形成方向を最適化することによって、より強いラマン散乱光を得ることのできるラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法を提供することにある。

実施の態様において、ラマン散乱光増強デバイスは、半導体基板に空孔が形成されたフォトニック結晶において、入射光に対して複数の周波数で共鳴モードを有する導波路を備える。そして、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とともに、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。

実施の態様において、前記二つの共鳴モードは、基底導波モードと第一励起導波モードとである。

実施の態様において、前記半導体基板はシリコンであり、かつ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は、前記シリコンの結晶方位［１００］方向あるいはこれと等価な面方位である。

実施の態様において、前記フォトニック結晶に形成された線状の欠陥からなる導波路にて、当該導波路の途中で光伝搬波長の帯域をずらすように、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させた一対の光反射面を有する光共振器を備える。

実施の態様において、前記一対の光反射面は、基底導波モードの光と第一励起導波モードの光との両方を反射する。

実施の態様においては、ラマンレーザ光源は、半導体基板に空孔が形成されたフォトニック結晶において、入射光に対して複数の周波数で共鳴モードを有する導波路を備えるラマン散乱光増強デバイスであって、一の共鳴モードと他の共鳴モードとの周波数差が半導体基板のラマンシフト周波数に等しくなっているとともに、二つの共鳴モードの電磁界分布と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、半導体基板の結晶方位面における導波路の形成方向が設定され、フォトニック結晶に形成された線状の欠陥からなる導波路において、当該導波路の途中で光伝搬波長の帯域をずらすように、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させた一対の光反射面を有する光共振器を備え、一対の光反射面は、基底導波モードの光と第一励起導波モードの光との両方を反射するラマン散乱光増強デバイスと、第一励起導波モードの光を出力する励起光光源とを有し、励起光光源が出力する第一励起導波モードの光は、ラマン散乱光増強デバイスの光共振器へ入力される。

実施の態様において、励起光光源は、レーザ光源でよい。

実施の態様において、励起光光源は、発光ダイオードでよい。

実施の態様において、励起光光源は、フォトニック結晶が形成された半導体基板に形成されてよい。

実施の態様において、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法は、半導体基板に空孔が形成されたフォトニック結晶において、入射光に対して複数の周波数で共鳴モードを有する導波路を備えるラマン散乱光増強デバイスの製造方法である。そして、当該ラマン散乱光増強デバイスの製造方法は、一の共鳴モードと他の共鳴モードとの周波数差を前記半導体基板のラマンシフト周波数に等しくするように、前記フォトニック結晶の空孔の大きさや配置を設定する段階と、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を設定する段階とを備える。

本発明によれば、導波路の形成方向を最適化することによって、より強いラマン散乱光を得ることができ、ラマンレーザの連続発振、サイズ最小化、省電力化、大量生産可能による低コスト化を実現することが可能となる。

本実施形態の光共振器の概略構成を示す図である。 ２次元フォトニック結晶の概略構成を示す図である。 ２次元フォトニック結晶の中央部分を拡大し、その導波モードの様子を示す図である。 ２次元フォトニック結晶に形成される２つの導波モード（準位）による共振モードの電磁界の様子を示す図であり、図４（ａ）〜図４（ｃ）は、励起光を閉じ込める第一励起導波モードの電磁界の様子、図４（ｄ）〜図４（ｆ）は、ラマン散乱光を閉じ込める基底導波モードの電磁界の様子を示している。 ２次元フォトニック結晶の製造方法を示すプロセス図である。 シリコン（ＳＯＩ）基板における面方位を説明する図である。 導波路の形成方向が［１００］の場合のラマンテンソルを示す図である。 導波路の形成方向が［１１０］の場合のラマンテンソルを示す図である。 ラマン遷移確率の逆数と導波路の形成角度との関係を示すグラフである。 第一励起導波モード用の導波路と基底導波モード用の導波路をラマン散乱光を増幅する素子である微小共振器を形成する導波路に並列して作製したサンプルを示す図である。 励起モードを外部光源を用いて励起した時にラマンモードから放出されたラマン散乱光スペクトルを示すグラフである。 他の実施形態のラマン光散乱光増強デバイスの概略構成を示す図である。 更なる実施形態のラマン散乱光増強デバイスの概略構成を示す図である。 ラマンレーザ光源に入力されるポンプ光のパワーと、ラマンレーザ光源から出力される誘導ラマン散乱光のパワーとの関係を示すグラフ

［実施の形態１］
以下、添付の図面を参照して、ラマン散乱光増強デバイスの一例として光共振器１００を説明する。

［１．光共振器の構成］
図１は、２次元フォトニック結晶２０を用いた光共振器１００の概略構成を示す図である。２次元フォトニック結晶２０は、シリコンに多数の空孔２０ａが配列された構造となっている。光共振器１００は、レーザダイオード（ＬＤ）１０からレンズファイバ１１を経て出射されたレーザ光（波長は１４３５ｎｍ）が入光器１２から入力導波路１３に入射されると、出力導波路１５を経て新たな波長のレーザ光（波長は約１５５０ｎｍ）が出光器３０によって集光されてレンズファイバ３１に導かれる構成となっている。

図２に拡大して示すように、２次元フォトニック結晶２０は、スラブ型のシリコン基板において、空孔２０ａが周期的に設けられた構造である。Ａ方向から入力導波路１３に励起用のレーザ光が入射されると、図中央の微小共振器１４において誘導ラマン散乱によって波長変換がなされ、出力導波路１５を経て新たな波長のレーザ光がＢ方向から出射される。２次元フォトニック結晶２０における空孔２０ａの間隔は微小共振器１４の近傍領域を除いて約４００ｎｍとなっている一方、微小共振器１４の近傍領域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ように、空孔の位置が微調整されている。

すなわち、２次元フォトニック結晶２０において、光共振は、フォトニック結晶に形成された線状の欠陥からなる導波路によって実現され、この導波路の途中で伝搬波長の帯域をずらすように、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させて、一対の光反射面を設けることにより実現されている。具体的には、光反射面の領域のフォトニック結晶の空孔の大きさを変化させたり、空孔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できる。

図３は、２次元フォトニック結晶２０の微小共振器１４近傍におけるフォトニック結晶構造を拡大して、その共鳴モードの様子を示すものである。共鳴モードの周波数は、有効屈折率に依存するので、図３に示すように、２次元フォトニック結晶２０では、微小共振器１４近傍の空孔位置にモジュレーションがかけられており、空孔の間隔は、４１０ｎｍ，４２０ｎｍ，４１０ｎｍと領域毎に変化させたヘテロ構造となっている。

図３に示すように、このようなモジュレーションをかけた領域には、より高いエネルギー準位の「励起モード」（第一励起導波モード）とその準位から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の「ラマンモード」（基底導波モード）とが存在しており、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るが、上述のエネルギー準位は、図３の左側領域（波数空間でのバンド図）に示されるように、周波数を縦軸に、波数ベクトルを横軸にとったとき、「励起モード」（第一励起導波モード）は垂直方向の磁場成分のパリティが導波路中心軸に対して奇、「ラマンモード」（基底導波モード）は垂直方向の磁場成分のパリティが偶となっている。

２次元フォトニック結晶２０では、導波路周辺の各空孔２０ａの位置や径を微調整することによって、基底導波モードと第一励起導波モードとの各周波数をそれぞれ調整し、励起光とラマン散乱光との共振に用いることができるように設計されている。例えば、導波路周辺の各空孔２０ａの位置を僅かに導波路に近づけたり、遠ざけたりしたり、空孔２０ａ同士の間隔を変化させたり、空孔２０ａの径の大きさを変化させたりする。なお、このような微調整を実際に行うにあたっては、空孔の径を少しずつ変化させたサンプルを多数作製して、基底導波モードと第一励起導波モードとの周波数差がラマンシフト周波数に一致するサンプルを選び出す方法が比較的簡便である。

本実施形態の２次元フォトニック結晶２０では、生成されたラマン散乱光を外部に逃がさず、効率的に閉じ込め利用できるように、特許文献１のように反射部を二組設けることはせず、一組の反射部によって励起光とラマン散乱光との両方を反射する構成を採用している。これにより、励起光とラマン散乱光との空間的重なりが大きくなり、励起光とラマン散乱光との導波モードのＱ値をそれぞれ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、周波数差１５．６ＴＨｚを上記利点を損なわずに、光通信波長帯（１．３〜１．６マイクロメートル）全てにおいて容易に実現できるという利点、すなわち波長設計自由度の高さを備えている。

図４は、２次元フォトニック結晶２０に形成される２つの導波モード（準位）における電磁界の様子を図示したものであり、色の濃い部分は電磁界が強いことを示している。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、励起光を閉じ込める第一励起導波モードの電磁界の様子を示す図であり、それぞれ電場成分Ｅｘ［図４（ａ）］，電場成分Ｅｙ［図４（ｂ）］，磁場成分Ｈｚ［図４（ｃ）］を表している。そして、図４（ｄ）〜図４（ｆ）は、励起光よりエネルギーの低いラマン散乱光を閉じ込める基底導波モードの電磁界の様子を示す図であり、それぞれ電場成分Ｅｘ［図４（ｄ）］，電場成分Ｅｙ［図４（ｅ）］，磁場成分Ｈｚ［図４（ｆ）］を表している。前述のように、第一励起導波モードと基底導波モードとでは、空間対象性が異なり、第一励起導波モードは垂直方向の磁場成分のパリティが導波路中心軸に対して奇、基底導波モードは垂直方向の磁場成分のパリティが偶となっている。

［２．２次元フォトニック結晶の製造方法］
次に、図５を用いて、２次元フォトニック結晶２０の製造方法について説明しておく。後述するように、本実施形態では、第一励起導波モードと基底導波モードとを利用し、導波路の形成方向がシリコンの結晶方位面[１００]方向となるように、２次元フォトニック結晶２０を作製する。

まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ層５１，ＳｉＯ_２層５２，Ｓｉ層５３からなる積層基板（ＳＯＩ基板）を洗浄する。次に、図５（ｂ）に示すように、その積層基板の上にレジスト層５４を塗布し、図５（ｃ）に示すように電子線描画を行う。次に、図５（ｄ）に示すように、現像してレジスト層５４に空孔を設けた状態で、図５（ｅ）に示すように、ＩＣＰエッチングを行い、レジスト層５４の空孔パターンをＳｉ層５３に転写する。次に、図５（ｆ）に示すように、表面洗浄を行った後、図５（ｇ）に示すように、必要に応じてＳｉ層５１の基板研磨を行う。最後に、図５（ｈ）に示すように、フッ酸でＳｉＯ_２層５２をエッチングし、２次元フォトニック結晶２０が完成する。

［３．ラマン散乱光の強度向上］
図６は、シリコン（ＳＯＩ）基板における面方位を説明する図である。［１１０］方位と［０１０］方位との間には４５度の角度の相違がある。［１１０］方位にはオリフラが設けられている。従来、導波路構造ないし光共振構造を作製する場合には、劈開により導波路端面を作製することが容易な［１１０］方位に設けられることが一般的であった。

これに対して、本願発明者らは、鋭意研究の結果、ラマン散乱光の強さを決定するラマンテンソルは、結晶の面方位により値が変化することに注目し、従来技術と全く異なる新たな視点から、より強いラマン散乱光を得るための技術を提案するものである。

本実施形態におけるラマン散乱光の増強は、励起モードの共鳴周波数とラマンモードの共鳴周波数との周波数差を、シリコンのラマンシフト周波数（１５．６ＴＨｚ）に一致させることを前提としながら、これら２つの共鳴モードの空間対称性とシリコンのラマンテンソルとを考慮して、励起モードとシリコンのフォノンが相互作用して発生するラマン散乱の電磁界分布を共鳴モードの電磁界分布と良く一致させることにより実現される。

換言すれば、本実施形態は、一の共鳴モードと他の共鳴モードとの周波数差がシリコンのラマンシフト周波数に等しくなっている。そして、本実施形態は、二つの共鳴モードの電磁界分布とシリコンのラマンテンソルとによって表されるラマン遷移確率ｇが最大となるように、シリコンの結晶方位面における導波路の形成方向を設定するものである。
このラマン遷移確率ｇは、次の式（１）の積分式に比例する。

式（１）において、Ｅ_{ｒａｍａｎ}は、ラマンモードの電磁界分布を表し、Ｅ_ｐｕｍｐは励起モードの電磁界分布を表す。Ｒ_ｉｊはラマンテンソルを示している。Ｅ_{ｒａｍａｎ}，Ｅ_ｐｕｍｐは導波路を作製する結晶の方位に対して不変であるが、ラマンテンソルは変化する。

強いラマン散乱光を得るためには、式（１）の値を大きくする必要があるが、そのためには、少なくとも、ラマン散乱光の電磁界分布とラマンモードの電磁界分布の空間対称性（偶か奇か）が一致している必要がある。それゆえ、選択する共鳴モードの組み合わせには、ラマンテンソルにあわせてアルゴリズム的な選択則が考えられる。本実施形態は、かかる選択則に従って、ラマン散乱光の強度が強くなる共鳴モードの組み合わせを抽出するものである。

まず、一般的に考察すると、共鳴モードは、ｘ方向の対称性が偶でｙ方向の対称性が偶のタイプ（タイプＡ），ｘ方向の対称性が奇でｙ方向の対称性が奇のタイプ（タイプＢ）、ｘ方向の対称性が偶でｙ方向の対称性が奇のタイプ（タイプＣ）、ｘ方向の対称性が奇でｙ方向の対称性が偶のタイプ（タイプＤ）の４タイプに分類される。

そして、励起モードとシリコンのフォノンの相互作用により発生するラマン散乱の電界分布の空間対称性を考える。シリコンのフォノンは［００１］方向、［０１０］方向、［１００］方向に振動する３種類が存在している。

シリコンにおいて、[１００]方向と[１１０]方向とは４５°の回転角の相違がある。そして、[１００]方向と[１１０]方向との中間の角度の方向においては、式（１）の積分式の大きさは、[１００]方向と[１１０]方向との重ね合わせとなるので、必ず[１００]方向か[１１０]方向のいずれかで式（１）は極大値をとる。

したがって、式（１）の値、すなわちラマン散乱光の強度を最大化するためには、導波路の形成方向を[１００]方向とした場合のラマン遷移確率ｇと、導波路の形成方向を[１１０]方向とした場合のラマン遷移確率ｇとを比較して、ラマン遷移確率ｇのより高い方向を採用すればよい。

導波路の形成方向が[１００]方向の場合のシリコンのラマンテンソルは、図７のように表現される。本実施形態では、励起モードとラマンモードの偏光は、２次元フォトニック結晶の面内に平行なものだけを考えているので、図７のうち、Ｒ_ｉｊ ^（１）のラマンテンソルによる影響だけが結果的に重要となる。そうすると、式（１）の積分式は、次のように変換される。

すなわち、導波路の形成方向がシリコンの結晶方位［１００］方向（またはこれと等価な［０１０］方向、［−１００］方向など）を向いている場合は、ラマンモードの電磁界分布の空間対称性は、励起モードのｘ方向の対称性とｙ方向の対称性との偶奇が入れ替わったものとなる。

従って、導波路の形成方向がシリコンの結晶方位［１００］方向を向いている場合、ラマン散乱光が増強できる励起モードとラマンモードとの組み合わせは、前記タイプＡ−前記タイプＢ，前記タイプＢ−前記タイプＡ，前記タイプＣ−前記タイプＤ，前記タイプＤ−前記タイプＣの４通りだけとなる。それ以外の組み合わせでは、式（２）の積分値は０となるからである。

これに対して、導波路の形成方向が[１１０]方向の場合のシリコンのラマンテンソルは、図８のように表現される。本実施形態では、励起モードとラマンモードの偏光は、２次元フォトニック結晶の面内に平行なものだけを考えているので、図８のうち、Ｒ_ｉｊ ^（１）のラマンテンソルによる影響だけが結果的に重要となる。そうすると、式（１）の積分式は、次のように変換される。

式（３）からは、導波路の形成方向がシリコンの結晶方位［１１０］方向を向いている場合、ラマン散乱光が増強できる励起モードとラマンモードとの組み合わせは、前記タイプＡ−前記タイプＡ，前記タイプＢ−前記タイプＢ，前記タイプＣ−前記タイプＣ，前記タイプＤ−前記タイプＤの４通りだけとなる。それ以外の組み合わせでは、式（３）の積分値は０となるからである。

これらのことから、物質固有のラマンテンソルを考慮して、ラマン散乱増強に用いる共鳴モードを的確に選択し、結晶方位面における導波路の形成方向を設定することが重要であることがわかる。このような考察は、誘導ラマン散乱増幅光ファイバの知見から容易に得られるようなものではない。なぜなら、アモルファス構造を有する光ファイバと単結晶からなるシリコン等では、ラマンテンソルの形式が全く異なっているからである。

纏めると、２次元フォトニック結晶２０を用いたラマン散乱の増幅に用いる２つの共鳴モードは、第一にフォノン周波数（ラマンシフト周波数）に一致する適切な周波数差（シリコンであれば１５．６ＴＨｚ）を持たなければならない。さらに、電磁界分布が適切な空間対称性を持ち、適切な結晶方位に作製されなければならない。そのうえで、式（１）の積分値が大きくなる組み合わせを選ぶ必要がある。また、共振器構造で強いラマン散乱光を得たり、低い閾値でレーザ発振を実現したりするためには、Ｑ値が高いモードを実現可能であることも望まれる。

これらの要請をすべて満たすような最適な共鳴モード対の一例が、励起モードとして第一励起導波モード、ラマンモードとして基底導波モードを選択し、導波路の形成方向をシリコンの結晶方位［１００］とする組み合わせである。第一励起導波モードの電場成分Ｅｘは、ｘ方向とｙ方向に対して偶の対称性を持ち（前記タイプＡ）、基底導波モードの電場成分Ｅｘは、ｘ方向とｙ方向に対して奇の対称性を持っているので（前記タイプＢ）、上記の組み合わせは、導波路をシリコンの結晶方位［１００］方向に形成すると、式（１）の積分式（ラマン遷移確率ｇ）が大きくなる組み合わせに相当する。

これに対して、導波路をシリコンの結晶方位［１１０］方向に形成する共鳴モードの組み合わせは不利である。なぜなら、この場合、前述のように、共鳴モードの組み合わせは、前記タイプＡ−前記タイプＡ，前記タイプＢ−前記タイプＢ，前記タイプＣ−前記タイプＣ，前記タイプＤ−前記タイプＤの４通りのいずれかでなければ、ラマン散乱光の強度は大きくならない。しかし、タイプＡの奇モードは分散曲線が平らなために、１５．６ＴＨｚの周波数差を奇モード同士で実現することは難しい一方、偶モードは広い周波数範囲に存在しているが、線欠陥領域から垂直方向に光が逃げにくい波数の大きい領域を用いると、シリコンの吸収が無視できる１２００ｎｍより長波で実現することが難しく、さらに波数が大きくずれている２点を用いると、式（１）の積分値が小さくなってしまう。

したがって、シリコンのラマン周波数（周波数差）が１５．６ＴＨｚであること、そして波数の重なりを考えると、上述のように、励起モードとして第一励起導波モード［図４（ａ）参照］、ラマンモードとして基底導波モード［図４（ｂ）参照］を用いるのが最適となる。この組み合わせによれば、図３のような構造で高いＱ値を得ることができる。

この組み合わせにおいて、ラマン遷移確率ｇの逆数（Ｖ_ＳＲＳ）と導波路の形成角度との関係を示すグラフが図９である。図９を参照すると、導波路の形成角度がシリコンの結晶方位［１１０］方向やそれと等価な方向である場合には、ラマン遷移確率ｇの逆数（Ｖ_ＳＲＳ）が小さく（すなわちラマン遷移確率ｇが大きく）なる一方、導波路の形成角度がシリコンの結晶方位［１１０］方向やそれと等価な方向である場合には、ラマン遷移確率ｇの逆数（Ｖ_ＳＲＳ）が大きく（すなわちラマン遷移確率ｇが小さく）なることが読み取れる。

［４．実際のサンプル作製］
図１０に、シリコンの結晶方位［１００］に第一励起導波モード用と基底導波モード用とのそれぞれの導波路を設けて作製した２次元フォトニック結晶３０の概略図を示す。２次元フォトニック結晶３０では、１５．６Ｈｚ差を得られるような例示的設計として、格子定数ａを４１０ｎｍ、空孔の径ｒを１３０ｎｍ、シリコン基板の厚さｄを２２０ｎｍとした。

この２次元フォトニック結晶３０の第一励起導波モードと基底導波モードとの計算による理想Ｑ値は、第一励起導波モードが１５０万、基底導波モードが１５００万程度であり、シリコンのラマンシフト１５．６ＴＨｚ差を実現できる選択モードとしては、最もＱ値が高くなる組み合わせであると考えられる。我々は、２次元フォトニック結晶３０を実際に試作したＱ値の実験値として、第一励起導波モードで２０万、基底導波モードで３００万の値を得た。これを上回る値は、報告されていない。

２次元フォトニック結晶３０に関する式（１）の積分値（ラマン遷移確率ｇ）は、空孔を考慮した上で６０％程度となり、このラマン遷移確率ｇは、考えられる共鳴モードの組み合わせの中で最も高いと思われる。実際に、シリコンの結晶方位［１００］方向に導波路を設けた２次元フォトニック結晶の方が、シリコンの結晶方位［１１０］方向に導波路を設けた２次元フォトニック結晶よりも、ラマン散乱光の強度が高いことを確認した。

２次元フォトニック結晶３０に励起光を入射して、そのスペクトル（露光時間１２０秒）を調べた結果が図１１である。図１１に示すとおり、従前と比較して、非常に強いラマン散乱光のピークが得られた。入射光（励起モード）の波長が１４１５ｎｍであるのに対して、ラマンシフト１５．６ＴＨｚを経たラマン散乱光（ラマンモード）の波長は１５２５ｎｍである。

［５．効果］
本実施形態のラマン散乱光増強デバイスの効果を纏めると、次のとおりである。本実施形態のラマン散乱光増強デバイスによれば、励起光から発生したラマン光を効果的に増強できるので、従来より強いラマン散乱光が得られる。そして、強いラマン散乱光が得られるので、省電力のラマンレーザの実現に繋がる。また、従来技術と異なり、ラマンレーザの連続発振を実現できる可能性が高まる。さらに、集積性に優れ、作製が容易であり、低コストで実現できる。加えて、励起光で発生した自由キャリアのキャリア寿命が短くなることが期待できる。

［他の実施の形態］
実施の形態の一例として、実施の形態１を説明した。しかし、実施の形態は、これらには限定されない。以下は、その他の実施の形態に関するものである。

図１には、２次元フォトニック結晶２０を用いた光共振器１００の概略構成を示したが、図１２に示すように光共振器２００は、フォトニック結晶と同一基板に半導体レーザを設けた一体型構成としてもよい。光共振器２００において、２次元フォトニック結晶４０は、同一基板上に作製されたレーザダイオード（ＬＤ）１１０から出射されたレーザ光が直接、入力導波路１１１に入射されると、出力導波路１１２を経て新たな波長のレーザ光が出光器１２０によって集光されてレンズファイバ１２１に導かれる構成となっている。また、レーザダイオード１１０では、Ｐ接合１１３とＮ接合１１４とが電源１１５を介して接続された構成となっている。または、シリコン上に化合物半導体レーザを貼り付けて、レーザダイオードとフォトニック結晶とを一体化することもできる。

また、図１３に、ラマン散乱光増強デバイスの他の実施形態として光増幅器３００を示す。光増幅器３００は、シリコンの結晶方位［１００］方向に図３の左領域で示したようなバンド構造を持つ共振器を備えない導波路構造を有しており、この導波路に励起光を導入するための励起用導波路を設けた２次元フォトニック結晶５０を用いることにより、前述の式（１）の積分値（ラマン遷移確率ｇ）を高くし、強い誘導ラマン散乱による光増幅を得ることができる。

なお、上述の実施形態としては、フォトニック結晶を作製する半導体の例としてシリコンを挙げたが、半導体の例はこれに限られるものではなく、シリコンと同じ結晶構造を持つゲルマニウムやダイアモンドなどを用いることもできる。また、シリコンやゲルマニウムに適宜のドーピングを施してもよい。

［ラマンレーザ光源］
発明者は、図１に示した構成において、誘導ラマン散乱光の連続発振に成功した。図１４は、図１におけるＬＤ１０から光共振器１００へ入力される励起光（ポンプ光）のパワー（横軸）と、共振器１００から出力される誘導ラマン散乱光（以下、「ラマンレーザ光」と称す。）のパワーとの関係を示すグラフである。なおこのとき用いた励起光は、スペクトルのピークを波長１４２５ｎｍに有するレーザ光（ｃｗ）である。

図１４よりあきらかなように、光共振器１００へ入力される励起光のパワーが約１μＷを超えたあたりから、ラマンレーザ光（波長１５４０ｎｍ）のパワーが急激に増大している。つまり、図１に示した構成においては、ラマンレーザ光の連続発振は約１μＷという極めて低い閾値で実現される。

連続発振を実現するのに必要な励起光の閾値（図１４における約１μＷ）は光共振器１００の励起光およびラマン散乱光についてのＱ値の高低により変化するが、光共振器１００における、励起光（第一励起導波モード）についてのＱ値がおよそ１０万（以上）、ラマン散乱光（基底導波モード）についてのＱ値がおよそ１００万（以上）の場合、光共振器１００のラマンレーザ光の連続発振の閾値は、励起光パワーにしておよそ１μＷである。

このように、光共振器１００では、入力される励起光（ｃｗ、中心波長１４２５ｎｍ）のパワーがおよそ１μＷを超えると、誘導ラマン散乱光のレーザ発振が生じる。そして光共振器１００からは、中心波長１５４０ｎｍを有するラマンレーザ光が出力される。このように光共振器１００においてはレーザ発振の閾値が１μＷという極めて低い値で実現されることは、光共振器１００を共振器として用いてラマンレーザ光源を構成しようとする場合に励起光光源の選択に従来以上の自由度を与える点で極めて有利である。

例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、レーザ光源と比較してブロードなスペクトル特性を有するが、光共振器１００を共振器として用いるラマンレーザ光源においては、ＬＥＤをポンプ光光源（励起光光源）として使用することも可能である。この場合、励起光光源としてのＬＥＤと、光共振器１００とで、ラマンレーザ光源を実現することができる。上述した例のように、光共振器１００の励起光（第一励起導波モード）についてのＱ値がおよそ１０万（以上）、ラマン散乱光（基底導波モード）についてのＱ値がおよそ１００万（以上）であれば、ＬＥＤから光共振器１００へ入力される比較的広い帯域を有する励起光のうち、波長（１４２５ｎｍ）を中心に線幅プラスマイナス約５ｐｍの範囲（約１４２４．９９５ｎｍ〜１４２５．００５ｎｍの範囲）に含まれる励起光のパワーが１μＷを超えると、光共振器１００に誘導ラマン散乱光によるレーザ発振が生じ、ラマンレーザ光が出力される。

すなわち、光共振器１００は、ラマンレーザ光源の共振器として利用できる。このとき、励起光光源は、光共振器１００の励起モード（第一励起導波モード）に相当する波長を有する光を励起光として光共振器１００へ入力する光源であればよい。そして、光共振器１００は、レーザ発振の閾値が約１μＷと極めて低いため、励起光光源には、例えば、レーザ光源のほか、発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することができ、また、これに限定されない。

また、ラマンレーザ光源は、光共振器１００に代えて、光共振器２００（図１２）を備えてもよい。このとき、ラマンレーザ光源の励起光光源は、光共振器２００が形成されるフォトニック結晶と同一の基板に一体的に構成されてよい。この、一体的に構成される励起光光源は、上述のレーザダイオード（ＬＤ）１１０、化合物半導体レーザのほか、発光ダイオードでもよい。発光ダイオードは、シリコンＬＥＤ、化合物半導体ＬＥＤ等でよい。このように、光共振器２００を有するラマンレーザ光源は、励起光光源をフォトニック結晶と同一の基板に備えた、電流注入型シリコンラマンレーザ光源である。

本発明のラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法は、半導体基板に空孔が形成されたフォトニック結晶を用いたことで、最小化、省電力化、連続発振が可能であり、かつ作成が容易で低コストであるため、高機能ＬＳＩとして電気電子分野のＩＴ機器を中心に多分野で好適に適用できる。

１０ レーザダイオード
１１ レンズファイバ
１２ 入光器
１３ 入力導波路
１４ 微小共振器
１５ 出力導波路
２０ ２次元フォトニック結晶
２０ａ 空孔
３０ 出光器
３１ レンズファイバ
１００ 光共振器

Claims (10)

1. 半導体基板に空孔が形成されたフォトニック結晶において、入射光に対して複数の周波数で共鳴モードを有する導波路を備えるラマン散乱光増強デバイスであって、
   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とともに、
   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とを特徴とするラマン散乱光増強デバイス。
2. 前記二つの共鳴モードは、基底導波モードと第一励起導波モードとであることを特徴とする請求項１に記載のラマン散乱光増強デバイス。
3. 前記半導体基板はシリコンであり、かつ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は、前記シリコンの結晶方位［１００］方向あるいはこれと等価な面方位であることを特徴とする請求項２に記載のラマン散乱光増強デバイス。
4. 前記フォトニック結晶に形成された線状の欠陥からなる前記導波路において、当該導波路の途中で光伝搬波長の帯域をずらすように、周囲のフォトニック結晶の構造を変化させた一対の光反射面を有する光共振器を備えることを特徴とする請求項１に記載のラマン散乱光増強デバイス。
5. 前記一対の光反射面は、基底導波モードの光と第一励起導波モードの光との両方を反射することを特徴とする請求項４に記載のラマン散乱光増強デバイス。
6. ラマンレーザ光源であって、
   請求項５に記載のラマン散乱光増強デバイスと、
   前記第一励起導波モードの光を出力する励起光光源とを有し、
   前記励起光光源が出力する第一励起導波モードの光は、前記ラマン散乱光増強デバイスの前記光共振器へ入力される、ことを特徴とするラマンレーザ光源。
7. 前記励起光光源は、レーザ光源である、請求項６に記載のラマンレーザ光源。
8. 前記励起光光源は、発光ダイオードである、請求項６に記載のラマンレーザ光源。
9. 前記励起光光源は、前記フォトニック結晶が形成された前記半導体基板に形成されている、請求項７または８に記載のラマンレーザ光源。
10. 半導体基板に空孔が形成されたフォトニック結晶において、入射光に対して複数の周波数で共鳴モードを有する導波路を備えるラマン散乱光増強デバイスの製造方法であって、
    一の共鳴モードと他の共鳴モードとの周波数差を前記半導体基板のラマンシフト周波数に等しくするように、前記フォトニック結晶の空孔の大きさや配置を設定する段階と、
    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を設定する段階とを備えることを特徴とするラマン散乱光増強デバイスの製造方法。

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