JP6162665B2 - フォトニック結晶共振器 - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶を用いたフォトニック結晶共振器に関する。

近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加に対応するため、ノード間を結ぶ伝送には光が用いられ、低損失性を生かして大容量化が実現されている。また、ボード間、ラック間と言った近距離の伝送においても、光の高速性を生かして電気の配線の置き換えが進んでいる。さらには、ＬＳＩ（Large Scale Integration）のチップ間、チップ内においても、電気配線のボトルネックが指摘され、光による配線の可能性の検討が進められている。このような光配線の光源として、マイクロキャビティレーザが用いられている。マイクロキャビティレーザは、大規模な光集積回路あるいはＬＳＩとの集積化を目指したミクロンオーダのサイズのレーザである。

このような中で、フォトニック結晶共振器を持つマイクロキャビティレーザが、注目を集めている（非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３参照）。特に、非特許文献２では、非特許文献１などに示されたデバイスにおいて現れる、デバイスの温度上昇とキャリアの拡散という特性低下の２つの主要因を、埋め込みヘテロ（buried heterostructure；ＢＨ）構造により解消する手段が提案されている。

ここで、上述したマイクロキャビティレーザについて、図７を用いて説明する。図７は、マイクロキャビティレーザの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。断面図は、光が導波する方向に垂直な面を示している。このマイクロキャビティレーザは、まず、ＩｎＰ基板からなる基部３０１と、基部３０１に設けられた柱状の複数の中空構造（格子要素）３０２とからなるフォトニック結晶３０３に、線欠陥からなるコア３０４を設けている。中空構造３０２は、例えば平面視で三角格子状に配列している。また、コア３０４は、周期的な間隔で設けられた中空構造３０２の中に、線状に連続した部分の中空構造３０２をなくした構造であり、この領域に光が導波する。このように中空構造３０２を設けていない領域は、一般に線欠陥と呼ばれている。

上述した構成のフォトニック結晶３０３のコア３０４は、共振部３２１と、共振部３２１を挾む２つのミラー領域３２２とから構成され、共振部３２１のコア３０４に、活性媒質３０５が設けられて（埋め込まれて）いる。活性媒質３０５は、ＩｎＧａＡｓ層からなるコア層（量子井戸層）の上下を、ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層（障壁層）で覆った構成とされている。このように、ミラー領域３２２に挾まれた共振部３２１により、フォトニック結晶共振器が構成される。ＩｎＧａＡｓは、バンドギャップエネルギーが波長１．５５μｍ付近に対応し、ＩｎＧａＡｓＰは、バンドギャップエネルギーが波長１．２μｍ付近に対応している。

このマイクロキャビティレーザは、活性媒質３０５が、基部３０１に埋め込まれたＢＨ構造となっているため、活性媒質３０５の励起に伴い生じる熱を効率的に放出でき、かつ共振部３２１への高いキャリア閉じ込めを実現できる。

図８は、ミラー領域３２２、共振部３２１を、それぞれを無限長の導波路とみなしたときの光導波モードの分散曲線を示す図である。線欠陥（コア３０４）の無い場合、このフォトニック結晶デバイスは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれるストップバンドを有する。この帯域では、光はフォトニック結晶デバイス内を伝搬することができないが、線欠陥（コア３０４）を導入することにより、図８に示される導波モードの帯域において、光は線欠陥（コア３０４）内を伝搬することができる。

ここで、ＰＢＧの低周波数端をω_PBGとし、ミラー領域３２２の導波モードの低周波数端をω_Mirrorとし、共振部３２１の導波モードの低周波数端（導波モードエッジ）をω_cavityとする。また、ω_PBGとω_Mirrorとの間のギャップを、ミラー帯域と呼ぶこととする。

図７を用いて説明した構成では、フォトニック結晶デバイスを構成する基部３０１よりも屈折率の大きな活性媒質３０５が、共振部３２１に埋め込まれているため、共振部３２１の導波モードは、ミラー領域３２１の導波モードより低周波数側にシフトした導波モードを有することになる。つまり、ミラー帯域において、ミラー領域３２２には導波モードが存在せず、共振部３２１にのみ導波モードが存在する条件が成立する。言い換えると、共振部３２１を伝搬する光を、光を通さないミラー領域３２２で挟み込む状態となっており、これにより、共振部３２１に光を閉じ込める共振器を構成することが可能となる。

なお、これらの導波モードは、無限長の導波路で定義される。一方で、実際の共振器は有限長であり、無限長である導波路よりも実効屈折率が下がる。このため、共振器の基底モードの共鳴周波数は、導波モード端の周波数よりも必ず小さくなる。

さらに、ＢＨ構造を用いたレーザをフォトニック結晶線欠陥光導波路と結合させることにより、面内光出力も可能とする構造が提案されている（非特許文献３参照）。フォトニック結晶を用いたマイクロキャビティレーザは、将来の平面光集積回路用の光源として有望視されている。また、同類の構造が光メモリなど光情報処理用のデバイスとしても注目を集めている（非特許文献４参照）。

K. Nozaki et al. , "Room temperature continuous wave operation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser", Optics Express, vol.15, no.12, pp.7506-7514, 2007. S. Matsuo et al. , "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted", Nature Photonics, vol.4, pp.648-654, 2010. S. Matsuo et al. , "20-Gbit/s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption", Opt. Express, vol.19, no.3, pp.2242-2250, 2011. K. Nozaki et al. ,"Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities", Nature Photonics, vol.6, pp.248-252, 2012.

しかしながら、非特許文献２〜４で提案されるＢＨ構造では、レーザの出力パワーを上げるためには、体積の大きなＢＨ構造を用いることになるが、この場合、次に示す問題が発生する。体積の大きなＢＨ構造では、共振器が複数の共鳴モードを有する状態となる。この結果、マルチモード発振となってしまうか、あるいは、単一モードで発振してもどのモードが発振するか不確定となるなどの問題が生じてしまう。

図７を用いて説明した構成では、共鳴モードの基底モードは、ω_cavity近くの共鳴周波数をもち、高次モードはこの周波数とω_Mirrorの間に現れる。共鳴モード間隔は、共振器の長さで決定されるため、共振器長が長くなると、この帯域に現れるモード数が増えることになる。共振部に埋め込まれているフォトニック結晶本体と異なる屈折率の媒質部の体積は、断面積と共振長の掛け算で与えられるが、断面積が大きいと横モードが、共振長が長いと縦モードが増えることになる。

以上に説明したように、フォトニック結晶を用いた従来のフォトニック結晶共振器では、共振部を構成している媒質部の体積を大きくすると、複数の共鳴モードが存在する状態となるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶共振器における共鳴モードが削減できるようにすることを目的とする。

本発明に係るフォトニック結晶共振器は、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶と、フォトニック結晶の中央部を通過して所定の方向に直線状に延在して格子要素が形成されていないコアと、コアに設けられた共振部と、コアの共振部を挾む領域に設けられたミラー領域と、基部とは屈折率の異なる材料から構成されてコアの共振部に埋め込まれた媒質部とを備え、共振部の媒質部が形成されている領域は、他の領域より薄くされ、媒質部と基部との屈折率の大小関係は、格子要素と基部との屈折率の大小関係とは逆にされている。

上記フォトニック結晶共振器において、フォトニック結晶の表面側の媒質部の上に形成された溝部を備え、溝部を形成することで、共振部の媒質部が形成されている領域は、他の領域より薄くされていればよい。

上記フォトニック結晶共振器において、基部の平面上でコアが延在している第１方向に対して垂直な第２方向にコアを挾んで隣り合う２つの格子要素による第１格子要素対と、第１方向において第１格子要素対に隣り合い、第２方向にコアを挾んで隣り合う２つの格子要素による第２格子要素対との間に媒質部の両端部は配置されているとよい。

以上説明したように、本発明によれば、共振部の媒質部が形成されている領域は、他の領域より薄くしたので、フォトニック結晶共振器における共鳴モードが削減できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶共振器の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 図２は、フォトニック結晶共振器における共鳴モード形状を、波長１５３０−１５６０ｎｍの範囲において、１ｎｍの波長間隔でプロットした分布図である。 図３は、溝の深さと、それぞれの共鳴モードの共鳴波長・Ｑ値・モード体積の関係を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶共振器の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 図５は、実施の形態２における媒質部２０５の配置とＱ値の関係を示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態２における他のフォトニック結晶共振器の一部構成を示す断面図である。 図７は、マイクロキャビティレーザの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 図８は、図７のマイクロキャビティレーザにおけるミラー領域３２２、共振部３２１を、それぞれを無限長の導波路とみなしたときの光導波モードの分散曲線を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態］
はじめに、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶共振器について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶共振器の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

このフォトニック結晶共振器は、基部１０１および基部１０１に形成された柱状の複数の格子要素１０２を備える板状のフォトニック結晶１０３から構成されている。格子要素１０２は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に基部１０１に設けられている。また、格子要素１０２は、屈折率が基部１０１とは異なる。複数の格子要素１０２は、例えば平面視で三角格子状に配列している。

ここで、以下では、図１の（ａ）に示されている基部１０１（フォトニック結晶１０３）の面を表面とする。また、図１の（ｂ）においては、紙面上側を表面とし、紙面下側を裏面とする。なお、図１の（ｂ）は、コア１０４の延在方向におけるコア１０４の中心線を通る断面を示している。

また、フォトニック結晶共振器は、フォトニック結晶１０３の中央部を通過して所定の方向に直線状に延在して格子要素１０２が形成されていないコア１０４を備える。コア１０４は、いわゆる線欠陥である。また、コア１０４は、共振部１２１と、共振部１２１を挾む領域に設けられたミラー領域１２２とを備える。

また、共振部１２１においては、基部１０１とは屈折率の異なる材料から構成された媒質部１０５が埋め込まれている。なお、媒質部１０５と基部１０１との屈折率の大小関係は、格子要素１０２と基部１０１との屈折率の大小関係とは逆にされている。屈折率の大小関係が、基部１０１＞格子要素１０２であるなら、基部１０１＜媒質部１０５となっていればよい。また、基部１０１＜格子要素１０２であるなら、基部１０１＞媒質部１０５となっていればよい。

例えば、基部１０１は、ＩｎＰから構成され、格子要素１０２は、例えば、基部１０１を表面側から裏面側に貫通する円筒形状の貫通孔であり、空気から構成されている。また、媒質部１０５を、ＩｎＧａＡｓ層からなるコア層（量子井戸層）の上下を、ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層（障壁層）で覆った構成の活性媒質とすれば、本フォトニック結晶共振器によりレーザが構成できる。

加えて、共振部１２１の媒質部１０５が形成されている領域は、他の領域より薄くされている。実施の形態１では、図１の（ｂ）に示すように、基部１０１（フォトニック結晶１０３の表面）側の媒質部１０５上に、溝（溝部）１０６を設けることで、共振部１２１の媒質部１０５が形成されている領域を、他の領域より薄くしている。溝１０６の内部は空気（空間）となる。

また、実施の形態１において、媒質部１０５の両端部は、基部１０１の平面上でコア１０４の延在方向（ｘ軸方向）に対して垂直な方向（ｙ軸方向）にコア１０４を挾んで隣り合う格子要素１０２による格子要素対１０７，１０８の間に配置されている。なお、図１において示している寸法は、１例である。

上述した実施の形態１では、共振部１２１を薄くすることで、共振器長を変えることなく、共振部１２１の導波モードの低周波数端（導波モードエッジ）ω_cavityを、ミラー領域１２２の導波モードの低周波数端ω_Mirrorに近づけている。以下、共振部１２１の媒質部１０５が形成されている領域を、他の領域より薄くすることによる効果について、図２，図３を用いて説明する。

図２において、（ａ）は、図７を用いて説明した構成のフォトニック結晶共振器における共鳴モード形状を、波長１５３０−１５６０ｎｍの範囲において、１ｎｍの波長間隔でプロットしたものである。ここでは、図７に示すフォトニック結晶共振器の右半分の領域の磁界強度分布を示している。上記帯域において、３つの共鳴モード（0th, 1st ,2nd ）が現れている。

また、図２の（ｂ）は、実施の形態１におけるフォトニック結晶共振器の共鳴モード形状を、波長１５３０−１５６０ｎｍの範囲において、１ｎｍの波長間隔でプロットしたものである。ここでも、図１における右半分の領域の磁界強度分布を示している。上記帯域において、３つの共鳴モード（0th, 1st ,2nd）が現れている。

また、図２の（ｂ）では、媒質部１０５の上に形成している溝１０６の深さを１０ｎｍ，２０ｎｍ，３０ｎｍと変化させた場合について示している。また、図３は、上記溝の深さと、それぞれの共鳴モードの共鳴波長・Ｑ値・モード体積の関係を示す特性図である。

溝１０６の深さが増えるにつれ、それぞれのモードが短波長側にシフトし、ω_Mirrorの近辺でモード体積が急増、あるいはモードが消滅している。これは、ω_Mirrorより短波長側では、ミラー領域１２２が導波路となるため、ω_Mirror近辺で光閉じ込め効果が弱まり、ω_Mirrorより短波長側で共鳴モードがこの導波路を通して共振器外に漏れ出るためである。この効果により、実施の形態１の場合、溝１０６の深さを３０ｎｍとすることで、単一モード化が実現される。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶共振器について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶共振器の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

このフォトニック結晶共振器は、基部２０１および基部２０１に形成された柱状の複数の格子要素２０２を備える板状のフォトニック結晶２０３から構成されている。格子要素２０２は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に基部２０１に設けられている。また、格子要素２０２は、屈折率が基部２０１とは異なる。複数の格子要素２０２は、例えば平面視で三角格子状に配列している。

以下では、図４の（ａ）に示されている基部２０１（フォトニック結晶２０３）の面を表面とする。また、図４の（ｂ）においては、紙面上側を表面とし、紙面下側を裏面とする。なお、図４の（ｂ）は、コア２０４の延在方向におけるコア２０４の中心線を通る断面を示している。

また、フォトニック結晶共振器は、フォトニック結晶２０３の中央部を通過して所定の方向に直線状に延在して格子要素２０２が形成されていないコア２０４を備える。コア２０４は、いわゆる線欠陥である。また、コア２０４は、共振部２２１と、共振部２２１を挾む領域に設けられたミラー領域２２２とを備える。

また、共振部２２１においては、基部２０１とは屈折率の異なる材料から構成された媒質部２０５が埋め込まれている。なお、媒質部２０５と基部２０１との屈折率の大小関係は、格子要素２０２と基部２０１との屈折率の大小関係とは逆にされている。屈折率の大小関係が、基部２０１＞格子要素２０２であるなら、基部２０１＜媒質部２０５となっていればよい。また、基部２０１＜格子要素２０２であるなら、基部２０１＞媒質部２０５となっていればよい。

例えば、基部２０１は、ＩｎＰから構成され、格子要素２０２は、例えば、基部２０１を表面側から裏面側に貫通する円筒形状の貫通孔であり、空気から構成されている。また、媒質部２０５を、ＩｎＧａＡｓ層からなるコア層（量子井戸層）の上下を、ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層（障壁層）で覆った構成の活性媒質とすれば、本フォトニック結晶共振器によりレーザが構成できる。

また、共振部２２１の媒質部２０５が形成されている領域は、他の領域より薄くされている。実施の形態２でも、図４の（ｂ）に示すように、基部２０１（フォトニック結晶２０３の表面）側の媒質部２０５上に、溝２０６を設けることで、共振部２２１の媒質部２０５が形成されている領域を、他の領域より薄くしている。溝２０６の内部は空気（空間）となる。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、媒質部２０５の一端が、第１格子要素対２０７ａと第２格子要素対２０７ｂとの間に配置され、媒質部２０５の他端が、第１格子要素対２０８ａと第２格子要素対２０８ｂとの間に配置されている。例えば、媒質部２０５の両端が、第１格子要素対２０７ａ，２０８ａと第２格子要素対２０７ｂ，２０８ｂとの中間に配置されている。

第１格子要素対２０７ａ，２０８ａは、基部２０１の平面上でコア１０４が延在している第１方向に対して垂直な第２方向にコア１０４を挾んで隣り合う２つの格子要素の対である。また、第２格子要素対２０７ｂ，２０８ｂは、第１方向において第１格子要素対２０７ａ，２０８ａに隣り合い、第２方向にコア１０４を挾んで隣り合う２つの格子要素の対である。実施の形態２の状態は、前述した実施の形態１と比較すると、媒質部２０５の第１方向の両端位置が、フォトニック結晶１０３の格子定数の半分ずれていることになる。なお、図４において示している寸法は、１例である。

上述した構成の実施の形態２によれば、共鳴モードの散乱が軽減できるようになる。以下、図５を用いてより詳細に説明する。図５は、媒質部２０５の配置とＱ値の関係を示す特性図である。図５の（ａ）は、実施の形態１における溝１０６の深さとＱ値との関係を示し、（ｂ）は、実施の形態２における溝２０６の深さとＱ値との関係を示している。

いずれの場合も、溝が深くなるにつれＱ値が低減され、深さが３０ｎｍのとき単一モードが満足されている。特に、図５の（ｂ）に示す実施の形態２では、単一モードが満足される溝２０６の深さにおいても、１０⁵のＱ値が確保されており、溝２０６の影響による共鳴モードの散逸が小さい構造となっていることがわかる。

このように、媒質部１０５の両端の位置が、ｙ軸方向にコア１０４を挾んで隣り合う格子要素１０２の間に配置されている実施の形態１と、媒質部２０５の両端の位置が、ｙ軸方向にコア２０４を挾んで隣り合う格子要素２０２の間より、格子定数の半分ずれている実施の形態２とを比較した場合、実施の形態２の方が、Ｑ値が高くなる。なお、実施の形態２では、実施の形態１に対して格子定数の半分だけずらしたが、必要なのは高いＱ値を得られることであって、高いＱ値が得られるのであれば、格子定数の半分に限定されるものではない。

以上に説明したように、本発明によれば、媒質部の上に溝部を形成して空間とすることにより、高次の共鳴モードをミラー領域から漏らし、共鳴モード数を削減できる。また、共振部の導波モードの低周波数端ω_cavityを、ミラー領域の導波モードの低周波数端ω_Mirrorに近づける本発明の技術は、閉じ込めの強さを調整できることから、モードの形状のコントロールも可能である。さらに、溝の形成は、共振器を作製した後に実施でき、共振器を作製した後の加工により、当該共振器の共鳴モードの波長・モード数・形状の調整が可能である。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、図６の断面図に示すように、媒質部２０５の上面に到達する溝２０９を形成してもよい。この場合、媒質部２０５の上面が露出することになる。

また、上述では、フォトニック結晶の一方の面側において、媒質部の上に溝を形成したが、これに限るものではない。フォトニック結晶の両面より、媒質部を挟む状態に溝を形成し、媒質部が形成されている領域を、他の領域より薄くしてもよい。

１０１…基部、１０２…格子要素、１０３…フォトニック結晶、１０４…コア、１０５…媒質部、１０６…溝、１０７，１０８…格子要素対、１２１…共振部、１２２…ミラー領域。

Claims (3)

1. 基部および前記基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて前記基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶と、
   フォトニック結晶の中央部を通過して所定の方向に直線状に延在して前記格子要素が形成されていないコアと、
   前記コアに設けられた共振部と、
   前記コアの前記共振部を挾む領域に設けられたミラー領域と、
   前記基部とは屈折率の異なる材料から構成されて前記コアの前記共振部に埋め込まれた媒質部と
   を備え、
   前記共振部の前記媒質部が形成されている領域は、他の領域より薄くされ、
   前記媒質部と前記基部との屈折率の大小関係は、前記格子要素と前記基部との屈折率の大小関係とは逆にされている
   ことを特徴とするフォトニック結晶共振器。
2. 請求項１記載のフォトニック結晶共振器において、
   前記フォトニック結晶の表面側の前記媒質部の上に形成された溝部を備え、
   前記溝部を形成することで、前記共振部の前記媒質部が形成されている領域は、他の領域より薄くされている
   ことを特徴とするフォトニック結晶共振器。
3. 請求項１または２記載のフォトニック結晶共振器において、
   前記基部の平面上で前記コアが延在している第１方向に対して垂直な第２方向に前記コアを挾んで隣り合う２つの前記格子要素による第１格子要素対と、
   前記第１方向において前記第１格子要素対に隣り合い、第２方向に前記コアを挾んで隣り合う２つの前記格子要素による第２格子要素対と
   の間に前記媒質部の両端部は配置されている
   ことを特徴とするフォトニック結晶共振器。