JP6319723B2 - 光微小共振器 - Google Patents

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Description

本発明は、光微小共振器に関するものである。
今までの情報処理は、電圧や電荷等の観測できる物理量の値に数値を対応させることにより実現されている。一方、量子情報処理においては、量子力学に基づく重ね合わせ状態に情報を載せ、盗聴不可能な情報通信（量子暗号）や大規模な並列計算を可能にする計算機（量子コンピュータ）が実現可能になると考えられており、研究開発が進められている。
このような量子情報処理を行うための基本素子として、光子を１つずつ発生する単一光子源が有力な候補となっている。この単一光子源を量子暗号通信の光源として用いることにより、盗聴があった際に識別可能となるセキュアな通信が可能となる。更に単一光子発生器から発せられる光子の性質を揃えお互いに区別出来ない（識別不可能）状態が実現されると、量子演算と呼ばれる量子力学的重ね合わせ状態に対する演算が可能となり、量子中継による長距離量子暗号通信、量子コンピュータなどより高度な量子情報処理につながる技術となる。
単一光子源の性能である光子の取り出し効率と識別不可能性は、どちらも光子の自然放射寿命に大きく依存する。非発光再結合過程の寿命より自然放射寿命が長いと発光効率自体が低下する。また、発光素子内の電子・正孔対（励起子）の散乱寿命（コヒーレンス時間）より自然放射寿命が長いと、発光中に量子力学的位相が変化してしまうため光子の均一性が失われてしまい、識別不可能性が低下してしまう。
従って、量子情報通信システムに使用される単一光子発生器をより高度な量子演算などに応用する場合には、発生した光子が特定の電磁界モードに効果的に結合し発光寿命が短くなる（弱結合）ような素子構造を用いる。これにより、発生する光子の取り出し効率及び識別不可能性を向上させることができる。また、コヒーレントな単一光子源や、電子と光子の相互もつれ（エンタングル）などを実現するためには、発光体が電磁界モードに非常に強く結合すること（強結合）が必要となる。このような構造としては、発光体である量子ドットをＤＢＲ（distributed Bragg reflector）ミラーを用いてミクロンサイズのピラー構造に埋め込んだマイクロピラー共振器が有望とされている。一般的なマイクロピラー共振器は、単層の中心層と、中心層の上下に設けられたＤＢＲミラーを有するピラーにより形成されている。
しかしながら、現状においては、半導体量子ドットによる通信波長〜１．５５μｍ帯の発光に適用するマイクロピラー共振器の報告例は少数にとどまっている。これは、１．５５μｍ帯での単一光子源に適した量子ドットは、現在のところＩｎＰ基板上でしか実現されておらず、ＩｎＰ基板に格子整合する半導体材料の組み合わせでは、光学的な共振器構造を実現するために要する高い屈折率差を作り出すことが困難であるからである。
発明者達は、屈折率差を高くすることのできるＳｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲミラーと量子ドットを含む半導体中心層をハイブリッド接合して、高品質の通信波長帯マイクロピラー共振器を形成する方法を提案した（例えば、非特許文献１、２）。しかしながら、この構造で十分な共振器特性を実現するためには、共振器ピラーの横サイズが大きい（例えば円形ピラーの場合直径Ｄ＞１．６μｍ）ので、共振器中に存在する量子ドットの数を抑えることは難しい。よって、この共振器で強結合状態を実現することは難しい。
小さい横サイズ、即ち、横幅のマイクロピラーで高い品質を実現する技術として、一般的なマイクロピラー共振器では単層の中心層だけであった部分を、多層のテーパＤＢＲ構造にする方法が開示されている（例えば、非特許文献３、４）。テーパＤＢＲとは、通常のＤＢＲと同様に二種材料を交互に繰り返して積層した構造であるが、その膜厚が共振器中心に近づくに従って徐々に減少するように形成されている。しかしながら、開示されている共振器に用いられているＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の材料の組み合わせは、ＩｎＰ系材料からなる通信波長帯となる１．５５μｍの光源には適しておらず、かつ、低い屈折率差により増大するピラー高さによって、加工プロセスが困難であるという問題も有している。
このため、通信波長帯の単一光子源として用いるためには、小さいピラーサイズで十分高い品質を得られるマイクロピラー共振器が必要となる。
宋他、第６０回応用物理学会春季学術講演会,29a-PB6-1. Song et al., Opt.Lett. 38, 3241(2013). M. Lermer et al.,Phys.Rev.Lett.108,057402(2012). Y. Zhang and M.Loncar, Opt. Lett. 34, 902 (2009). Optical Electronics, edited by A. Yariv(Saunders College, San Francisco, 1991). Handbook ofoptical constants of solids, edited by E. D. Palik(Academic Press, An Imprint of Elsevier, 1998). K. Takemoto et al., Appl. Phys. Exp. 3, 092802 (2010). T. Kuroda et al., Phys. Stat. Sol.(c) 6, 944 (2009).
上記のように、単一光子源の性能を高める方法として、発光体である量子ドットをＤＢＲを用いた微小共振器の中に埋め込むことは非常に有効である。特に、中心層に近くなるほど薄くなるように、膜厚を徐々に変化させた２層膜の繰り返しによる構造（テーパＤＢＲ）においては、高い品質因子Ｑを得ることができる。
しかしながら、光ファイバーで長距離伝送が可能な１．５５μｍ領域の光を効率的に発光することが可能な量子ドットは、現在のところＩｎＰ基板上のＩｎＡｓ量子ドットのみである。従って、ＩｎＰ基板上でエピタキシャル成長することが可能な半導体材料であって、高い屈折率差を有する材料の組み合わせは得られていない。このため、上述した材料によりＤＢＲを形成した場合、光閉じ込めが弱いため、電磁界の実行的な広がりを表すモード体積が大きくなってしまうとともに、十分な反射率を得るためのＤＢＲの層数が多くなる。よって、ピラー高さが２０μｍ以上となり、極めて大きくなってしまうという問題がある。
また、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合に、良質な量子ドットが得られる条件における量子ドットの面密度は、１０１０ｃｍ−２程度である。よって、量子ドットのバラツキ等を考慮しても、ピラー内に存在する量子ドットの数は１００個程度以下にしなければ良好な単一光子特性を得ることは困難である。
従って、ＩｎＰ基板上のＩｎＡｓ量子ドットを用いたマイクロピラー型単一光子源のように大きな屈折率差を得ることが困難な材料系を発光層（中心層）に用いた共振器構造において、小型で、高い品質因子Ｑを得ることのできる光微小共振器が求められている。例えば、１０μｍ程度以下の高さ、１μｍ程度以下の直径で、数１００程度以上の高い品質因子Ｑを得ることを可能とする光微小共振器が求められている。
本実施の形態の一観点によれば、微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、を有し、前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は、前記中心層に近づくに従って徐々に薄くなっており、前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って徐々に厚くなっていることを特徴とする。
開示の光微小共振器によれば、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット等により形成される発光層（中心層）を有する共振器構造において、小型で、高い品質因子Ｑを得ることができる。
ＴＭ波に対する平面ＤＢＲミラーでの電磁界減衰の割合の膜厚依存性の説明図 第１の実施の形態及び第２の実施の形態における光微小共振器の構造図 第１の実施の形態における光微小共振器の遷移ＤＢＲ層のテーパ段数Ｎと品質因子Ｑとの相関図 第１の実施の形態における光微小共振器のピラー直径Ｄと品質因子Ｑとの相関図 第１の実施の形態における光微小共振器の特性図（１） 第１の実施の形態における光微小共振器の特性図（２） 第１の実施の形態における光微小共振器の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における光微小共振器の製造方法の工程図（２） 第１の実施の形態における光微小共振器の製造方法の工程図（３） 第２の実施の形態における光微小共振器の特性図 第３の実施の形態における光微小共振器の構造図 第３の実施の形態における光微小共振器のピラー直径ＤとPurcell因子ＦＰとの相関図 第３の実施の形態における光微小共振器の特性図 第４の実施の形態における光微小共振器の構造図 第４の実施の形態における光微小共振器の特性図 第５の実施の形態における光微小共振器の構造図 第５の実施の形態における光微小共振器の特性図
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。ピラーの形状は円形に限定されるものではないが、本願においては、直径Ｄを持つ円形ピラーを例として説明する。
（実施の形態の概要）
開示する実施の形態は、周期が一定のＳｉ／ＳｉＯ２通常ＤＢＲとＩｎＰ中心層との間に、膜厚を徐々に変化させた２層膜の繰り返しにより形成される遷移ＤＢＲ層が設けられているＳｉ／ＳｉＯ２−ＩｎＰマイクロピラー共振器である。
例えば、この構造の光微小共振器の１つは、遷移ＤＢＲ層がテーパ型構造、即ち、遷移ＤＢＲ層内における各単層の膜厚が中心層に近くなるほど薄くなるものであり、この構造のものをテーパ型ハイブリッドマイクロ共振器と呼ぶことにする。このような共振器構造においては、１μｍ以下のピラー直径で、比較的高い品質因子Ｑを得ることができる。
さらに他の構造として、マイクロピラー共振器における通常ＤＢＲと中心層との間に挿入されている遷移ＤＢＲ層において、高屈折率層と低屈折率層の膜厚の比を一定に保つことなく膜厚を変化させる構造が挙げられる。特に、中心層に近くなるに従って、低屈折率層よりも高屈折率層における膜厚の比率が大きくなるように変化させた遷移ＤＢＲ層を有する構造が好ましい。
テーパ型ハイブリドマイクロ共振器構造においては、通常の設計を行った場合、中心層の膜厚がλ／４以下となってしまう。しかしながら、上記のように低屈折率層よりも高屈折率層における膜厚の比率が大きくなるように変化させることにより、中心層の膜厚を厚くしても高いＱ値の得られる共振器を得ることができる。従って、構造パラメータを適切に選ぶことにより、ピラーの直径が波長の数倍程度以下であっても、高いＱ値を得ることが可能になる。
（実施の形態における効果）
ＤＢＲを用いたマイクロピラー型微小共振器では、近似的に言えば、ピラーの縦方向となる軸方向においてはＤＢＲによるブラッグ反射により光閉じ込めを行い、横方向となる半径方向においては屈折率差による全反射による光閉じ込めを行うことにより共振器構造を実現している。しかしながら、全反射がおこるのは平面波の場合であり、微小共振器のように反射面が有限領域である場合は厳密には、全反射はおこらず有限のリークが発生する。これが微小共振器におけるＱ値が有限の値になる理由の１つである。即ち、全反射が起こらない理由は、光が有限領域に閉じ込められていることにより、波数成分に広がりが生じ、全反射条件を満たさない成分が発生するからである。
テーパ型構造においては、ＤＢＲ層の膜厚を中心層に近づくに従って薄くすることにより、ＤＢＲのバンドギャップを高波数側に徐々にシフトさせている。これによりＤＢＲの減衰率は中心層に近づくに従って小さくなり、ゆるやかな光閉じ込めが実現される。光閉じ込めがゆるやかになることにより、光の電磁界の包絡線の変化も緩やかになり、フーリエ変換により得られる電磁界の波数成分の広がりも小さくなり、全反射条件を満たさない光の成分を小さくすることができる。
しかしながら、ＤＢＲの減衰率を中心層に近づくに従って小さくする方法は、ＤＢＲ層の膜厚を中心に近づくに従って薄くすることによりバンドギャップを高波数側にシフトさせる方法が唯一のものではない。高屈折率層及び低屈折率層の膜厚の変化のさせ方には様々な方法があり、バンドギャップの中心波長をシフトさせるだけではなく、バンドギャップの幅自体を変化させることによっても可能である。
この様子を定性的に調べるには、平面ＤＢＲで解析を行えばよい。例えば、積層方向をＺ方向とした場合のＴＭモードに対して考えると、次のようになる。まず、数１に示される式のように、Ｅｚを進行波成分Ｅｆと後退波成分Ｅｂとに分ける。すると各接合面での境界条件は数２に示される式となり、数３に示される式が得られる。
Figure 0006319723
Figure 0006319723
Figure 0006319723
これに基づき、材料１及び材料２の２層膜からなる領域の両側のＥｚを結びつける縦続行列Ｆは、数４に示される。
Figure 0006319723
尚、数５に示されるものは材料ｉでできた層における誘電率であり、数６に示されるものはｚ方向の波数である。
Figure 0006319723
Figure 0006319723
平面ＤＢＲの１層（高屈折率層１層＋低屈折率層１層）あたりの電磁界の振幅の減衰割合を表す定数は、数４に示される行列の固有値であり、数７に示される固有方程式の解ｘとして与えられる。
Figure 0006319723
数７に示される方程式の解が、２つの異なる実数となる場合、一方の解の絶対値は１より大きく、他方は１より小さくなるため、考えている光の波長はＤＢＲの阻止域にあり、絶対値の小さい解が１層あたりの電磁界の減衰の割合となる。
ＴＥモードに対しても、上記固有方程式の誘電率の代わり透磁率を用いることにより、同様の結果を得ることができる。
図１は、以上のように計算したＴＭ波に対する平面ＤＢＲミラーでの電磁界の減衰の割合を表す定数ｘのＤＢＲ膜厚依存性を示している。上記のように、ｘは１層進む毎に電磁界がどれだけ小さくなるかを表しているので、ｘの値が小さいほど減衰の割合は大きい。従って、ＤＢＲの減衰率を最も大きくするためには、高屈折率層及び低屈折率層をともに、λ／４の奇数倍にする必要があることがわかるが、これよりも小さい減衰率を得るためには、様々な膜厚の組み合わせがあることがわかる。よって、中心層の膜厚にあまり制約を与えることなく、中心に近づくに従って減衰率が小さくなるような緩やかな光閉じ込めを実現することは可能である。
以下に開示する実施の形態は、このような様々な構造変化に基づき遷移ＤＢＲを形成することにより、中心層の膜厚にあまり制約を与えることなく、高いＱ値をもつマイクロピラー型微小共振器を得るものである。尚、開示される実施の形態おいて得られるＱ値については、開示される実施の形態とともに記載する。
〔第１の実施の形態〕
（構造）
第１の実施の形態における光微小共振器は、中心層に近づくに従って遷移ＤＢＲ層における各材料の膜厚が連続的に薄くなるマイクロピラー型微小共振器である。本実施の形態における光微小共振器について、図２に基づき説明する。図２は、本実施の形態における光微小共振器の構造の断面図である。
本実施の形態における光微小共振器は、中心層１１と、中心層１１の両側となる上下に第１の通常ＤＢＲ層２１と第２の通常ＤＢＲ層２２とを有している。また、中心層１１と第１の通常ＤＢＲ層２１との間には第１の遷移ＤＢＲ層３１が設けられており、中心層１１と第２の通常ＤＢＲ層２２との間には第２の遷移ＤＢＲ層３２が設けられている。
中心層１１は、微小な発光体を含む第１の材料１１１により形成されている。第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２は、第２の材料１１２である低屈折率材料と第３の材料１１３である高屈折率材料とを同じ周期で交互に積層することにより形成されている。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、第２の材料１１２である低屈折率材料と第３の材料１１３である高屈折率材料とを各々の膜厚等を徐々に変化させながら交互に積層することにより形成されている。また、本実施の形態における光微小共振器は、全体として積層方向に軸を持つ波長の数倍程度の半径を持つ円柱またはそれに近い立体構造を有している。
より詳細に説明すると、本実施の形態における光微小共振器は、基板１０の上に、ピラー１００が立つように形成されている。ピラー１００の上面における形状は円形に限定されるものではないが、本実施の形態においては、直径Ｄを持つ円形ピラーを例として説明する。本実施の形態における光微小共振器は、ピラー１００の中央付近に第１の材料１１１により形成された中心層１１がある。中心層１１には発光体が形成されている。中心層１１の上下側には、各々二種類の多層膜ＤＢＲミラーが形成されている。具体的には、本実施の形態における光微小共振器は、基板１０の上に、第１の通常ＤＢＲ層２１、第１の遷移ＤＢＲ層３１、中心層１１、第２の遷移ＤＢＲ層３２、第２の通常ＤＢＲ層２２の順に積層して形成されているピラー１００を有している。
基板１０の上に形成された第１の通常ＤＢＲ層２１は、通常ＤＢＲミラーであって、第２の材料１１２である低屈折率材料と第３の材料１１３である高屈折率材料とを所定の膜厚で交互に積層することにより形成されたｎ周期の構造ものである。第２の材料１１２である低屈折率材料により形成される低屈折率層及び第３の材料１１３である高屈折率材料により形成される高屈折率層の光学厚さ（光に対して真空中に相当する値）は、ブラッグ波長λＢの１／４であればいい。即ち、第２の材料１１２により形成される低屈折率層の膜厚ｔ２＝λＢ／４ｎｅ２となり、第３の材料１１３により形成される高屈折率層の膜厚ｔ３＝λＢ／４ｎｅ３となるように形成されている。ここでは、ｎｅ２、ｎｅ３は第２の材料１１２、第３の材料１１３における有効屈折率であり、ピラー直径Ｄにより変わる。尚、有効屈折率は非特許文献５に開示されている方法により計算することができる。また、上述した材料の光学常数は非特許文献６等に開示されている。ブラッグ波長λＢは目標波長付近、例えば、通信波長の１．５５μｍとなるように設定する。
ピラー１００の一番上に形成された第２の通常ＤＢＲ層２２は、第１の通常ＤＢＲ層２１と同様な構造のものであって、低屈折率層と高屈折率層とをｍ周期となるように形成したものである。マイクロピラー共振器においては、このような構造はｍ／ｎ−ＤＢＲ対と記載される場合がある。第１の通常ＤＢＲ層２１と中心層１１との間には、テーパＤＢＲである第１の遷移ＤＢＲ層３１が形成されており、第２の通常ＤＢＲ層２２と中心層１１の間には、テーパＤＢＲである第２の遷移ＤＢＲ層３２が形成されている。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２と同様に、第２の材料１１２である低屈折率材料と第３の材料１１３である高屈折率材料とを交互に積層することにより形成されている。本願明細書においては、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２については、単に遷移ＤＢＲ層と記載して説明する場合がある。
尚、本実施の形態においては、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、周期構造ではなく、低屈折率層及び高屈折率層の膜厚が、中心層１１に近づくに従って、徐々に薄くなるＮ段からなる構造である。テーパＤＢＲにおける膜厚設定は、一例として、第２の材料１１２により形成される低屈折率膜の膜厚はｔ２ｉ＝ｔ２（１−２ρｉ）であり、第３の材料１１３により形成される高屈折率膜の膜厚はｔ３ｉ＝ｔ３（１−ρ（２ｉ−１））である。ここでは、段番号ｉは、第１の通常ＤＢＲ層２１または第２の通常ＤＢＲ層２２より離れるにともない大きくなる整数であり、ρは層厚変化のスロープ（傾き）である。また、中心層１１の膜厚はテーパＤＢＲの構造と関係があり、例えば、ｔ１＝σλＢ（１−２ρＮ）／４ｎｅ１とするのがよい。尚、ｎｅ１は第１の材料１１１の有効屈折率であり、σは約１と等しい調整係数である。以上の設定は１例であって、これに限定されるものではなく、上記の方式よりもずれている場合の方が、より効果がある場合がある。例えば、この例のように膜厚を直線的に（即ち、１次関数で表されるように）変化させるのではなく、放物線的に（即ち、２次関数で表されるように）変化させる方法も効果的である。これ以降の実施の形態も同様である。
本実施の形態におけるテーパ型マイクロピラー共振器構造の光学性能は、ＦＴＤＴ（finite-difference-time-domain）法を用いて解析することができる。解析においては、第１の材料１１１としてＩｎＡｓ量子ドットを含むＩｎＰを用い、第２の材料１１２としてＳｉＯ２を用い、第３の材料１１３としてＳｉを用いるものとした。また、基板１０としてＳｉを用い、ピラー１００の直径Ｄ＝０．８μｍ、４／６．５−ＤＢＲ対、λＢ＝１．５５μｍ、ρ＝０．０４５、σ〜１となるように設定して、遷移ＤＢＲ層のテーパ段数Ｎによる最適化した品質因子Ｑの変化を計算した。この結果を図３に示す。Ｎ＝０の場合では、非特許文献１、２に開示されている構造のものと同様であり、ＩｎＰにより形成された中心層１１の厚さは、ほぼ１波長であり、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２が形成されていないため、Ｑ値は１００以下と非常に小さい。テーパＤＢＲとなる第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２が形成されると、Ｑ値はテーパ段数一段あたり約一桁の割合で上昇する。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２を３段テーパＤＢＲにした場合では、Ｑ値は略１０５に達する。４段テーパとするとやや飽和傾向となるものの、Ｑ値が１０５以上になる。よって、本実施の形態における光微小共振器においては、光微小共振器におけるピラー１００のピラー直径が、サブミクロン(sub-micrometer)の領域においても、高いＱ値が得られることがわかる。
尚、光微小共振器における各種パラメータを適切に調整することにより、特定の波長に対応するように構造を最適化することができる。図４には、モード波長をλ＝１．５５μｍに合わせた場合において、ピラー１００におけるピラー直径Ｄと対応する最適な品質因子Ｑとの関係を示す。尚、本願においては、品質因子Ｑを単にＱ値と記載する場合がある。また、ピラー直径Ｄの範囲はサブミクロンの領域である。最適な光微小共振器における縦構造は、横サイズであるピラー直径Ｄに依存して変わる。この結果よりピラー直径Ｄが０．６μｍ〜１．０μｍの範囲で、１．５５μｍのＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドット発光に対して、１０４以上のＱ値が得られることがわかる。最も良い場合の一つは、Ｄ＝０．８μｍの構造のものであり、Ｑ〜８´１０４が得られた。この構造の光微小共振器の縦構造は、４／６．５−ＤＢＲ対、遷移ＤＢＲ層は３段テーパ、λＢ＝１．５８μｍ、ρ＝０．０５、σ＝１．１８、ピラー高さ７．６μｍ、中心層１１の厚さｔ１〜１１５ｎｍである。
図５（ａ）は、本実施の形態における光微小共振器におけるピラー１００のピラー直径Ｄとモード波長λとの関係を示すものであり、図５（ｂ）は、ピラー１００のピラー直径Ｄと品質因子Ｑとの関係を示すものである。
「●」は、上述した縦構造において、ピラー直径Ｄを変えた場合の光学性能の変化を示し、「×」は、従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＩｎＰ共振器の場合を示す。「●」により示される上述した縦構造において、ピラー直径Ｄを変えた場合の光学性能の変化は、「×」により示される従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＩｎＰ共振器と同様に、モード波長λが変化している。本実施の形態において、通信波長１．５５μｍ帯の付近（例えば、１．３μｍ〜１．７μｍ）のモード波長λを得るためのピラー直径Ｄの範囲は、サブミクロン領域（例えば、Ｄ＝０．５μｍ〜１．０μｍ）である。また、Ｑ値は、ピラー直径Ｄの範囲がサブミクロンの範囲では１０４以上である。
また、図５においては、「▲」は、他の縦構造における直径依存性を示す。この縦構造では、６／９．５−ＤＢＲ対、遷移ＤＢＲ層は４段テーパ、共振器はＤ＝０．６５μｍ、モード波長１．５５μｍに対して、縦構造λＢ＝１．７６μｍ、ρ＝０．０３、σ＝１．１９、ｔ1＝１４０ｎｍ、ピラー高さ１２μｍの場合に最適となる。この際得られるＱ値は、Ｑ＝３×１０６であった。この場合は、ピラー直径Ｄ＝０．５μｍ〜０．８μｍの範囲で、モード波長λは通信波長１．５５μｍ帯付近の１．３μｍ〜１．７μｍに収まり、Ｑ値は１０５以上の高い値となる。また、モード体積Ｖが〜０．８（λ／ｎ１）３で小さいこともわかる。
これらのテーパ型Ｓｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲ＿ＩｎＰハイブリド共振器は、従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲ＿ＩｎＰ共振器である大きい直径（Ｄ＞２μｍ）でＱ＜４０００、Ｖ＞＞１（λ／ｎ１）３のものと比べて、性能の優位性が著しい。以上より、本実施の形態における光微小共振器においては、上述した構造とすることにより、通信波長帯に対応する波長において、小さい直径、高いＱ値を実現することができる。
ところで、上述した高いＱ値は、テーパＤＢＲである第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２を用いたことにより得られる効果ではあるが、実際には中心層１１も関係している。即ち、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ−ＤＢＲマイクロピラー共振器（非特許文献３）、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２−ＤＢＲマイクロピラー共振器（非特許文献４）では、中心層の材料として、ＤＢＲにおける低屈折率層または高屈折率層を形成している材料が用いられている。このため、中心層もテーパＤＢＲの一部となり、連続的な一体の構造となっているため、原理的に高いＱ値を得ることは容易である。
しかしながら、本実施の形態においては、中心層１１は、ＤＢＲを形成している第２の材料１１２及び第３の材料１１３とは異なる第１の材料１１１により形成されているため、光微小共振器の性能が変化する。図６（ａ）は、第３の材料１１３における屈折率ｎ３に対する第１の材料１１１における屈折率ｎ１の比率（ｎ１／ｎ３）とモード波長λとの関係を示す。また、図６（ｂ）は、第３の材料１１３における屈折率ｎ３に対する第１の材料１１１における屈折率ｎ１の比率（ｎ１／ｎ３）と品質因子Ｑとの関係を示す。尚、図６は、ピラー直径Ｄ＝０．８μｍ、４／６．５対ＤＢＲ（光学層厚λＢ／４）、遷移ＤＢＲ層は３段テーパＤＢＲ（ρ＝０．０４５）であり、中心層１１の厚さを調整して最大Ｑ値を求めた結果である。中心層１１がＳｉの場合、モード波長λ＝１．５５μｍ、Ｑ＝１×１０５である。中心層１１を形成している材料の屈折率が、Ｓｉの屈折率の値からずれると、モード波長λも変化し、Ｑ値も低下する。しかしながら、中心層１１における材料の屈折率（ｎ１）がＳｉの屈折率（ｎ３）より±３０％以内の範囲で増減しても、モード波長λは大体±０．０５μｍの範囲内に保たれ、Ｑ値は１×１０４以上に保たれる。中心層１１を形成している材料がＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰの場合、高いＱ値が得られる理由は、これらの屈折率がＳｉの屈折率の値に近いからである。
以上で述べたマイクロピラー共振器の最も重要な効果は、強結合を実現できることである。具体的に説明すると、強結合ができる条件は数８に示される式で表される（非特許文献３）。尚、γ＊が量子ドットの純dephasing率、κ＝２πｃ／Ｑλが共振器モードの半値幅、ｇは量子ドットと共振器の光モードが結合する強度であり、数９に示す式で表される。
Figure 0006319723
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一般的に、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットの自然放射寿命Ｔ１は〜１．２ｎｓ（非特許文献７）であり、コヒーレンス時間Ｔ２は〜１３０ｐｓ（非特許文献８）であることを用いて、λ＝１．５５μｍの場合について計算する。この場合、ｆ＝ε０ｍ０ｃλ２／（２πｎｓｅ２Ｔ１）〜２８、γ＊＝１／Ｔ２−１／２Ｔ１〜４．６×１０１０ｓ−１となる。控えめに見積もってＱ＝１０４、Ｖ＝１（λ／ｎ）３としても、κ＝１．２×１０１１ｓ−１とｇ＝１．４×１０１１ｓ−１、そして、ｇ／（κ＋γ＊）＝０．８４＞１／４が得られる。従って、本実施の形態における光微小共振器の構造にすることにより、通信波長１．５５μｍ帯において、強結合状態を実現することが可能であることがわかる。このように強結合状態が実現できるのであれば、弱結合状態を得ることはより簡単である。
Ｑ値が向上するとともに、共振器の横サイズが小さくなることにより、単一ドット発光が実現しやすくなる。例えば、量子ドットの面密度を５×１０１０ｃｍ−２、発光スペクトル半値幅を５０ｍｅＶにした場合においては、Ｄ＝０．８μｍ、Ｑ＝１０４を有するマイクロピラー共振器にモードと共鳴する量子ドットは、０．８個になる。
この共振器のピラー高さは７μｍ〜１２μｍであり、従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲ＿ＩｎＰ共振器の４．５μｍ（非特許文献２）と比べてよいとはいえないが、従来のＧａＡｓ／ＡｌＡｓやＳｉＯ２／ＴｉＯ２テーパ型マイクロピラー共振器よりはよい。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓテーパ共振器はモードλ〜０．９μｍではピラー高さが〜９．６μｍであるため、λ〜１．５５μｍの場合においては、ピラー高さが〜１６μｍになる。ＴｉＯ２／ＳｉＯ２テーパ共振器はモードλ〜０．６４μｍではピラー高さが〜６．２μｍであるため、λ〜１．５５μｍの場合においては、ピラー高さが〜１５μｍとなる。
（光微小共振器の製造方法）
次に、本実施の形態における光微小共振器の製造方法について説明する。説明の便宜上、基板１０がＳｉ、中心層１１を形成している第１の材料１１１がＩｎＰ、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第１の遷移ＤＢＲ層３１等を形成している第２の材料１１２がＳｉＯ２、第３の材料１１３がＳｉにより形成した場合について説明する。図７から図９は、本実施の形態における光微小共振器の製造方法を説明する工程断面図である。
最初に、図７（ａ）に示すように、本実施の形態における光微小共振器の中心層１１を形成する。中心層１１は、例えば、分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）法又は有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法により形成する。具体的には、ＩｎＰウェハ５０の上に、厚さが１μｍ〜数μｍのＩｎＰからなる不図示のバッファ層を形成し、更に、基板１０と格子整合するエッチストップ層５１として、例えば、膜厚が〜１００ｎｍ程度となるＩｎＧａＡｓからなる層を形成する。更に、エッチストップ層５１の上に、不図示の量子ドット下地ＩｎＰ層を〜６０ｎｍ程度形成した後、基板温度や成長環境を調整してＩｎＡｓを〜２原子層程度の堆積させることによりＩｎＡｓ量子ドットを形成する。更にこの後、〜６０ｎｍ程度の不図示のキャップＩｎＰ層を成長する。これにより、量子ドット下地ＩｎＰ層、ＩｎＡｓ量子ドット及びキャップＩｎＰ層により中心層１１が形成される。
次に、図７（ｂ）に示すように、テーパＤＢＲである第１の遷移ＤＢＲ層３１と第１の通常ＤＢＲ層２１を順に成膜する。具体的には、ＭＯＣＶＤ装置等より量子ドットが形成されたＩｎＰ基板を取り出して蒸着装置内に設置する。Ｓｉ／ＳｉＯ２の成膜は、ＰＥＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）や電子ビーム蒸着等により行なう。具体的には、中心層１１の上に、ＳｉＯ２−Ｓｉの順に交互にＮ回繰り返して蒸着を行なうことによりテーパＤＢＲとなる第１の遷移ＤＢＲ層３１を形成する。第１の遷移ＤＢＲ層３１においては、蒸着により成膜される膜厚は各々違っている。３段テーパの場合では、例えば、ＳｉＯ２／Ｓｉの厚さが、順に、２４７．０ｎｍ／９３．６ｎｍ、２８２．５ｎｍ／１０６．０ｎｍ、３１７．８ｎｍ／１１８．５ｎｍとなるように蒸着する。これにより、第１の遷移ＤＢＲ層３１を形成する。この後、第１の遷移ＤＢＲ層３１の上に、一定の厚さ（例えば、３５３．０ｎｍ／１２４．８ｎｍ）でＳｉＯ２／Ｓｉを交互にｎ回繰り返して蒸着することにより、第１の通常ＤＢＲ層２１を形成する。
次に、図７（ｃ）に示すように、第１の通常ＤＢＲ層２１まで成膜されているＩｎＰウェハ５０の上下反転し、基板１０となるＳｉウェハの上に、第１の通常ＤＢＲ層２１が位置するように貼り合せる。このＳｉウェハは、これまでの構造図において基板１０として示されているものである。基板１０となるＳｉウェハの上の貼り合せはウェハボンディングなどの方法で行う。これにより、Ｓｉウェハである基板１０の上に、第１の通常ＤＢＲ層２１、第１の遷移ＤＢＲ層３１、中心層１１、エッチストップ層５１、ＩｎＰウェハ５０の順に積層されたものが形成される。従って、第１の通常ＤＢＲ層２１は基板１０と接しており、中心層１１等を含むＩｎＰウェハ５０は上側になる。
次に、図８（ａ）に示すように、研磨により、ＩｎＰウェハ５０の大部分を削り落とした後、例えば、Ｈ３ＰＯ４／ＨＣｌ溶液を用いたウェットエッチング等により、不図示のＩｎＰからなるバッファ層を除去することにより、エッチストップ層５１を露出させる。
次に、図８（ｂ）に示すように、例えば、Ｈ３ＰＯ４／Ｈ２Ｏ２溶液を用いたウェットエッチングにより、ＩｎＧａＡｓ等により形成されているエッチストップ層５１を除去することにより、表面に中心層１１を露出させる。
次に、図８（ｃ）に示すように、基板１０を再び蒸着装置に設置し、中心層１１の上に、第２の遷移ＤＢＲ層３２を形成し、第２の遷移ＤＢＲ層３２の上に第２の通常ＤＢＲ層２２を形成する。尚、第２の遷移ＤＢＲ層３２は、Ｎ段ＳｉＯ２／ＳｉのテーパＤＢＲであり、第１の遷移ＤＢＲ層３１と同様に蒸着による成膜により形成する。第２の通常ＤＢＲ層２２は、ｍ周期の通常ＳｉＯ２／Ｓｉ−ＤＢＲであり第１の通常ＤＢＲ層２１と同様に、蒸着による成膜により形成する。これにより、光微小共振器を形成するための共振器の縦構造が形成される。
次に、図９に示すように、リソグラフィによるパターニングにより、ピラー１００が形成される領域に不図示のレジストパターンを形成した後、レジストパターンの形成されていない領域において基板１０の表面が露出するまでエッチングにより除去する。これにより、一定の横サイズとなるピラー直径Ｄを有するマイクロピラーを形成することができ、本実施の形態における光微小共振器を作製することができる。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。尚、上記エッチングは、ドライエッチングを含む方法であってもよい。
上記においては、エッチストップ層５１等のように作製プロセス上必要であるが、本実施の形態における最終的な構造において不要なものはすべて取り除くものとして説明している。しかしながら、これらのものが十分に薄いまたは屈折率が隣接する層に近い等の理由により、最終的な光学特性に与える影響が十分小さいのであれば残っても構わない。また、中心層１１の上に第２の遷移ＤＢＲ層３２を成膜する際に、中心層１１が大気にさらされる影響や成膜時のダメージを回避するため、光学特性へ影響を与えない範囲でパッシベーション層等を挿入することも可能である。
ところで、本実施の形態における光微小共振器においては、中心層１１の表面を露出させる際の技術が困難である。即ち、極めて薄い中心層１１を膜厚を変えることなく表面を露出させるためには、極めて高いエッチング技術が必要であり、中心層１１の厚さが変化してしまった場合には、光微小共振器における性能が著しく劣化してしまう。また、量子ドットから接合界面までの距離が近いため、エッチング、張り合わせ、第２の遷移ＤＢＲ層３２、第２の通常ＤＢＲ層２２の成膜等のプロセスにおける物理的及び熱的ダメージにより、量子ドットの発光特性が劣化してしまう場合がある。これらの問題を低減するため、更に、以下の実施の形態について開示する。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態における光微小共振器は、第１の材料１１１からなる中心層１１の厚さｔ１が〜１１５ｎｍと極めて薄く、このようにＩｎＰ層が極めて薄いことが、製造プロセスを困難なものとしている。従って、加工精度の確保や量子ドットへのダメージ低減のためには、なるべく中心層１１が厚くなるような構造であることが好ましい。
本実施の形態における光微小共振器は、ＤＢＲにおいて、第３の材料１１３により形成されている層を厚く形成し、第２の材料１１２により形成されている層を薄く形成した光微小共振器である。
本実施の形態における光微小共振器は、第１の実施の形態と同様に、第１の通常ＤＢＲ層２１、第１の遷移ＤＢＲ層３１、中心層１１、第２の遷移ＤＢＲ層３２、第２の通常ＤＢＲ層２２により形成されている。第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２は通常ＤＢＲミラーであり、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は遷移ＤＢＲミラーである。
次に、本実施の形態における光微小共振器の膜厚等を第１の実施の形態における形式に基づき記載する。本実施の形態における光微小共振器の１つは、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２は４／６．５対ＤＢＲミラーであり、Ｓｉの膜厚はｔ３＝λＢ／３ｎｅ３、ＳｉＯ２の膜厚はｔ２＝λＢ／６ｎｅ２（λ／３−λ／６ＤＢＲ構造）である。尚、Ｓｉが第３の材料１１３となり、ＳｉＯ２が第２の材料１１２となる。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、Ｎ＝３、ρ＝０．０５である。ＩｎＰにより形成される中心層１１は、σ＝１．１６、全体にλＢ＝１．５８μｍとする光微小共振器である。
本実施の形態における光微小共振器の他の１つは、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２は４／６．５対ＤＢＲミラーであり、Ｓｉの膜厚はｔ３＝３λＢ／８ｎｅ３、ＳｉＯ２の膜厚はｔ２＝λＢ／８ｎｅ２（３λ／８−λ／８ＤＢＲ構造）である。尚、Ｓｉが第３の材料１１３となり、ＳｉＯ２が第２の材料１１２となる。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、Ｎ＝３とρ＝０．０５であり、ＩｎＰにより形成される中心層１１は、σ＝１．３０、全体にλＢ＝１．５８μｍとする光微小共振器である。
これらの光微小共振器における特性を図１０に示す。尚、図１０（ａ）は、ピラー１００におけるピラー直径Ｄとモード波長λとの相関図であり、図１０（ｂ）は、ピラー１００におけるピラー直径Ｄと品質因子Ｑとの相関図である。図１０に示されるように、ピラー１００におけるピラー直径Ｄが１μｍ以下の領域において、共振波長〜１．５５μｍ及び１００００以上のＱ値を得ることができる。特に、本実施の形態においては、ＩｎＰにより形成される中心層１１の厚さｔ１を１５０ｎｍ、１８５ｎｍ程度にすることができるため、第１の実施の形態における光微小共振器と比べて、中心層１１における量子ドットへのダメージ等が低減される。尚、本実施の形態におけるマイクロピラー共振器の製造方法は、第１の実施の形態と略同様であるため省略する。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、遷移ＤＢＲ層において、中心層１１に近づくに従って第２の材料１１２により形成される層の膜厚が徐々に薄くなり、第３の材料１１３により形成される層の膜厚が徐々に厚くなるように形成されている。即ち、本実施の形態は、遷移ＤＢＲ層において、第２の材料１１２により形成される低屈折率層の膜厚に対する第３の材料１１３により形成される高屈折率層の膜厚の比が、中心層１１に近づくに従って徐々に増加する構造の一例である。
図１からわかるように、このような膜厚の変化のさせ方は、遷移ＤＢＲ層における第３の材料である高屈折率材料により形成される高屈折率層を中心層１１の付近で膜厚を厚くするのに最も有利な方法である。
図１１に示されるように、本実施の形態における光微小共振器は、中心層１１と、中心層１１の両側となる上下に第１の通常ＤＢＲ層２１と第２の通常ＤＢＲ層２２とを有している。また、中心層１１と第１の通常ＤＢＲ層２１との間には第１の遷移ＤＢＲ層３１が設けられており、中心層１１と第２の通常ＤＢＲ層２２との間には第２の遷移ＤＢＲ層３２が設けられている。
より詳細に説明すると、本実施の形態における光微小共振器は、基板１０の上に、ピラー１００が立つように形成されている。本実施の形態における光微小共振器においては、ピラー１００の中央付近に第１の材料１１１により形成された中心層１１がある。中心層１１には発光体が形成されており、中心層１１の上下側には、各々二種類の多層膜ＤＢＲミラーが形成されている。具体的には、基板１０の上に、第１の通常ＤＢＲ層２１、第１の遷移ＤＢＲ層３１、中心層１１、第２の遷移ＤＢＲ層３２、第２の通常ＤＢＲ層２２の順に積層して形成されているピラー１００を有している。
このＤＢＲにおける低屈折率層及び高屈折率層の光学厚さは、ブラッグ波長λＢの１／４−３／４となっている。一例として、第２の材料１１２により形成される膜の膜厚をｔ２＝α２λＢ／４ｎｅ２とし、第３の材料１１３により形成される層の膜厚ｔ３＝３α３λＢ／４ｎｅ３とする。ここでα２、α３は、１に近い調整パラメータである。ブラッグ波長λＢは目標波長の近く、例えば、通信波長の１．５５μｍに設定する。
基板１０の上に形成されている第１の通常ＤＢＲ層２１はｎ周期のＤＢＲミラーである。また、ピラー１００の一番上には第１の通常ＤＢＲ層２１と同様のｍ周期の第２の通常ＤＢＲ層２２が形成されている。第１の通常ＤＢＲ層２１と中心層１１との間には、第１の遷移ＤＢＲ層３１が設けられており、第２の通常ＤＢＲ層２２と中心層１１との間には、第２の遷移ＤＢＲ層３２が設けられている。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２と同じ材料を交互に積層することにより形成されており、膜厚が徐々に変化するＮ段からなる構造である。但し、第１の実施の形態におけるテーパＤＢＲと違って、中心層１１に近づくに従って第２の材料１１２により形成される層は徐々に薄くなり、第３の材料１１３により形成される層は徐々に厚くなる。第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２における膜厚変化は、一例として、第２の材料１１２により形成される層の膜厚がｔ２ｉ＝ｔ２（１−ρ２ｉ）、第３の材料１１３により形成される層の膜厚がｔ３ｉ＝ｔ３（３＋ρ３ｉ）／３となっている。ここでは、ρ２、ρ３を膜厚変化のスロープ（傾き）という。尚、中心層１１の膜厚は例えばｔ１＝α３λＢ（３＋ρ３（Ｎ＋１））／４ｎｅ１である。
第３の実施の形態における効果を説明する前に、共振器を評価するパラメータを説明する。発光体の自然放射率が増強される程度を表すのはPurcell因子ＦＰがある。簡単にいえば、ＦＰは発光体の元自然放射寿命と共振器に入れた後の自然放射寿命の比に等しい。ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットの自然放射寿命Ｔ１は、例えば、１．２ｎｓとなる（非特許文献７）。識別不可な光子を作るためには、自然放射寿命がコヒーレンス寿命Ｔ２（例えば、０．１３ｎｓ（非特許文献８））の半分程度以下にする必要がある。従って、通信波長帯のＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットに対して有効な共振器はＦＰが２０以上となるようにする必要がある。本実施の形態における光微小共振器は、この要求を満たすことができることを以下で表す。
基板１０をＳｉ、第１の材料１１１をＩｎＰ、第２の材料１１２をＳｉＯ２、第３の材料１１３をＳｉにより形成し、４／６．５対ＤＢＲと３段遷移層ＤＢＲを有する共振器の構造について考える。低屈折率層及び高屈折率層における膜厚は、上記の式より、α２、α３＝１、ρ２＝ρ３＝１／４に設定する。このような共振器構造においては、モード波長λがピラー直径Ｄによらずモード波長λ〜１．５μｍとなる。ピラー１００におけるピラー直径ＤによるPurcell因子ＦＰの変化を図１２に示す。ＦＰが２０以上になるのは、小さいピラー直径Ｄの範囲内にもあるため、本実施の形態における光微小共振器は、小さいピラー直径Ｄにおいても、弱結合条件を満足することができる。尚、光微小共振器の縦構造はピラー直径Ｄによっても変化する。
次に、本実施の形態における微小光共振器における直径依存性を検討する。先の構造に基づいて、α３＝１．０３、α２＝０．８８にすると、共振器はピラー直径Ｄ＝０．８５μｍでモード波長λ＝１．５５μｍ、品質因子Ｑ〜１０００、Purcell因子ＦＰ＝５５となる。このような縦構造を固定して、共振器特性のピラー直径依存性を図１３に示す。図１３（ａ）は、ピラー直径Ｄとモード波長λとの関係を示し、図１３（ｂ）は、ピラー直径Ｄと品質因子Ｑとの関係を示し、図１３（ｃ）は、ピラー直径ＤとPurcell因子ＦＰとの関係を示す。
従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲ＿ＩｎＰ共振器と比べて、モード波長の変化は同様で、Ｑ値はより高くなっているため、性能の向上が確認される。また、ＦＰは直径２μｍ以下の場合に従来より高くなる。特に、Ｄ〜０．８５μｍ周辺では、λ〜１．５５μｍとＦＰ＞２０となり、本実施の形態における光微小共振器は、サブミクロンの直径で弱結合条件をよく満足することがわかり、第１の実施の形態における光微小共振器と同様に、単一ドットと共鳴することができる。また、ピラー高さは〜１１μｍであり、合理的な範囲に収まっている。
本実施の形態における光微小共振器においては、ＩｎＰにより形成される中心層１１の厚さは〜５００ｎｍであり、第１の実施の形態における光微小共振器よりも数倍厚くすることができる。これにより、容易に加工精度を確保することができ、量子ドットへのダメージも低減することができる。尚、本実施の形態におけるマイクロピラー共振器の製造方法は、第１の実施の形態と略同様であるため省略する。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、中心層１１に近づくに従って遷移ＤＢＲ層における第２の材料１１２により形成される層の膜厚が徐々に薄くなって、第３の材料１１３により形成される層の膜厚が一定となるように形成されているマイクロピラー共振器である。尚、本実施の形態は、遷移ＤＢＲ層において、第２の材料１１２により形成される低屈折率層の膜厚に対する第３の材料１１３により形成される高屈折率層の膜厚の比が、中心層１１に近づくに従って徐々に増加する構造の一例である。
本実施の形態における光微小共振器の構造の縦断面図を図１４に示す。ピラー１００の上段／下段には、第３の実施の形態と同様に、ｍ／ｎ周期の第１の通常ＤＢＲ層２１／第２の通常ＤＢＲ層２２が形成されている。第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２における低屈折率層及び高屈折率層の光学厚さは、ブラッグ波長λＢの１／４−３／４となる。例えば、第２の材料１１２により形成される層の膜厚はｔ２＝α２λＢ／４ｎｅ２、第３の材料１１３により形成される層の膜厚はｔ３＝３α３λＢ／４ｎｅ３とする。ブラッグ波長λＢは目標波長の近く、例えば通信波長の１．５５μｍに設定する。第１の通常ＤＢＲ層２１と中心層１１との間には、第１の遷移ＤＢＲ層３１が設けられており、第２の通常ＤＢＲ層２２と中心層１１との間には、第２の遷移ＤＢＲ層３２が設けられている。
第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２と同じ材料をＮ回交互に積層することにより形成されている。本実施の形態は、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２において、中心層１１に近づくに従って、第３の材料１１３により形成されている高屈折率層の膜厚が一定であって、第２の材料１１２により形成されている低屈折率層の膜厚を徐々に薄くする。従って、高屈折率層については、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２と同様である。
例えば、第３の材料１１３である高屈折率材料により形成されている層の膜厚をｔ３ｉ＝ｔ３とし、第２の材料１１２である低屈折率材料により形成されている層の膜厚をｔ２ｉ＝ｔ２（１−ρ２ｉ）となるように形成する。このように第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２を形成した場合、中心層１１の膜厚はｔ１＝３α３λＢ／４ｎｅ１とする。
本実施の形態において、基板１０をＳｉ、第１の材料１１１をＩｎＰ、第２の材料１１２をＳｉＯ２、第３の材料１１３をＳｉとした場合において、４／６．５対ＤＢＲと３段の遷移ＤＢＲ層を有するマイクロピラー共振器の特性を図１５に示す。尚、α２＝０．９１、α３＝１．０７、ρ２＝１／４として各膜厚は設定されている。図１５（ａ）は、ピラー直径Ｄとモード波長λとの関係を示し、図１５（ｂ）は、ピラー直径Ｄと品質因子Ｑとの関係を示し、図１５（ｃ）は、ピラー直径ＤとPurcell因子ＦＰとの関係を示す。
従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲ＿ＩｎＰ共振器と比べて、モード波長の変化は同様で、Ｑ値は基本的により高くなっているため、性能の向上が確認される。これからＦＰは直径２μｍ以下の場合に従来より大幅に高まる傾向があることがわかる。特に、直径Ｄ〜０．８８μｍ周辺では、λ〜１．５５μｍとＦＰ＞２０となり、本実施の形態における光微小共振器は、サブミクロンの直径で弱結合条件をよく満足することがわかる。
本実施の形態においては、ＩｎＰにより形成される中心層１１の厚さは〜４４０ｎｍであり、第１の実施の形態における光微小共振器より数倍厚くすることができる。これにより、容易に加工精度を確保することができ、量子ドットへのダメージも低減されることが期待される。尚、本実施の形態におけるマイクロピラー共振器の製造方法は第１の実施の形態と略同様であるため省略する。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、中心層１１に近づくに従って遷移ＤＢＲ層における第２の材料１１２により形成される層の膜厚を一定に保ちながら、第３の材料１１３により形成される層の膜厚が徐々に厚くなるように形成されたマイクロピラー共振器である。尚、本実施の形態は、遷移ＤＢＲ層において、第２の材料１１２により形成される低屈折率層の膜厚に対する第３の材料１１３により形成される高屈折率層の膜厚の比が、中心層１１に近づくに従って徐々に増加する構造の一例である。
図１６は、第５の実施の形態における光微小共振器の構造の縦断面図である。ピラー１００の上段／下段には、第２の実施の形態と同様に、ｍ／ｎ周期の第１の通常ＤＢＲ層２１／第２の通常ＤＢＲ層２２が形成されている。第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２における低屈折率層及び高屈折率層の光学厚さは、ブラッグ波長λＢの１／４−３／４となる。例えば、第２の材料１１２である低屈折率材料により形成される層の膜厚はｔ２＝α２λＢ／４ｎｅ２であり、第３の材料１１３である高屈折率材料により形成される層の膜厚はｔ３＝３α３λＢ／４ｎｅ３とする。ブラッグ波長λＢは目標波長の近く、例えば通信波長の１．５５μｍに設定する。第１の通常ＤＢＲ層２１と中心層１１との間には、第１の遷移ＤＢＲ層３１が設けられており、第２の通常ＤＢＲ層２２と中心層１１との間には、第２の遷移ＤＢＲ層３２が設けられている。
第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２は、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２と同じ材料をＮ回交互に積層することにより形成されている。本実施の形態は、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２において、中心層１１に近づくに従って、第２の材料１１２により形成された低屈折率層の膜厚が一定であって、第３の材料１１３により形成された高屈折率層の膜厚を徐々に厚くする。従って、低屈折率層については、第１の通常ＤＢＲ層２１及び第２の通常ＤＢＲ層２２と同様である。
例えば、第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２における第２の材料１１２の膜厚はｔ２ｉ＝ｔ２、第３の材料１１３における膜厚はｔ３ｉ＝ｔ３（３＋ρ３ｉ）／３となるように形成する。このように第１の遷移ＤＢＲ層３１及び第２の遷移ＤＢＲ層３２を形成した場合、中心層１１の膜厚は、例えば、ｔ１＝３α３λＢ／４ｎｅ１とする。
本実施の形態において、基板１０をＳｉ、第１の材料１１１をＩｎＰ、第２の材料１１２をＳｉＯ２、第３の材料１１３をＳｉとした場合において、４／６．５対ＤＢＲと３段の遷移ＤＢＲ層を有するマイクロピラー共振器の特性を図１７に示す。尚、α２＝１．０５、α３＝１．２３、ρ３＝１／４として各膜厚は設定されている。図１７（ａ）は、ピラー直径Ｄとモード波長λとの関係を示し、図１７（ｂ）は、ピラー直径Ｄと品質因子Ｑとの関係を示し、図１７（ｃ）は、ピラー直径ＤとPurcell因子ＦＰとの関係を示す。
従来のＳｉ／ＳｉＯ２−ＤＢＲ＿ＩｎＰ共振器と比べて、モード波長λの変化は同様で、Ｑ値は高くすることが可能であるため、性能の向上が確認される。また、直径Ｄ〜１．１５μｍ周辺では、モード波長λ〜１．５５μｍとＦＰ＞２０となり、本実施の形態における光微小共振器は、小さい直径で弱結合条件を満足することがわかる。
本実施の形態においては、ＩｎＰにより形成されている中心層１１の厚さｔ１は〜６００ｎｍであり、第１の実施の形態における光微小共振器より数倍厚くなる。これにより、容易に加工精度を確保することができ、量子ドットへのダメージも低減されることが期待される。尚、本実施の形態におけるマイクロピラー共振器の製造方法は第１の実施の形態と同様であるため省略する。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。即ち、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
を有し、
前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっていることを特徴とする光微小共振器。
（付記２）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って、徐々に薄くなっていることを特徴とする付記１に記載の光微小共振器。
（付記３）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は、前記中心層に近づくに従って徐々に薄くなっており、
前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って徐々に厚くなっていることを特徴とする付記１に記載の光微小共振器。
（付記４）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は、前記中心層に近づくに従って徐々に薄くなっており、
前記第３の材料により形成される層の膜厚は一定であることを特徴とする付記１に記載の光微小共振器。
（付記５）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は一定であって、
前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って徐々に厚くなっていることを特徴とする付記１に記載の光微小共振器。
（付記６）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って、徐々に厚くなっていることを特徴とする付記１に記載の光微小共振器。
（付記７）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚に対する前記第３の材料により形成される層の膜厚の比率が、前記中心層に近づくに従って、徐々に大きくなることを特徴とする付記１に記載の光微小共振器。
（付記８）
前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚、及び、前記第３の材料により形成される層の膜厚は、ともに前記中心層に近づくに従って、徐々に厚くなっていることを特徴とする付記７に記載の光微小共振器。
（付記９）
前記第１の通常ＤＢＲ層、前記第１の遷移ＤＢＲ層、前記中心層、前記第２の遷移ＤＢＲ層、前記第２の通常ＤＢＲ層は、基板の上に形成されているピラーに形成されており、
前記ピラーの上面は円形であることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の光微小共振器。
（付記１０）
前記第１の材料はＩｎＰを含む材料により形成されており、前記第２の材料はＳｉＯ２を含む材料により形成されており、前記第３の材料はＳｉを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の光微小共振器。
１０ 基板
１１ 中心層
２１ 第１の通常ＤＢＲ層
２２ 第２の通常ＤＢＲ層
３１ 第１の遷移ＤＢＲ層
３２ 第２の遷移ＤＢＲ層
５０ ＩｎＰウェハ
５１ エッチストップ層
１００ ピラー
１１１ 第１の材料
１１２ 第２の材料
１１３ 第３の材料

Claims (8)

  1. 微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
    前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
    を有し、
    前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
    前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は、前記中心層に近づくに従って徐々に薄くなっており、
    前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って徐々に厚くなっていることを特徴とする光微小共振器。
  2. 微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
    前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
    を有し、
    前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
    前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は、前記中心層に近づくに従って徐々に薄くなっており、
    前記第３の材料により形成される層の膜厚は一定であることを特徴とする光微小共振器。
  3. 微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
    前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
    を有し、
    前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
    前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って、徐々に厚くなっていることを特徴とする光微小共振器。
  4. 微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
    前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
    を有し、
    前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
    前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚は一定であって、
    前記第３の材料により形成される層の膜厚が、前記中心層に近づくに従って徐々に厚くなっていることを特徴とする光微小共振器。
  5. 微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
    前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
    を有し、
    前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
    前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚、及び、前記第３の材料により形成される層の膜厚は、ともに前記中心層に近づくに従って、徐々に厚くなっていることを特徴とする光微小共振器。
  6. 微小な発光体を含み、第１の材料を含む材料により形成された中心層と、
    前記中心層の一方の側に設けられた第１の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層の他方の側に設けられた第２の通常ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第１の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第１の遷移ＤＢＲ層と、
    前記中心層と前記第２の通常ＤＢＲ層との間に設けられた第２の遷移ＤＢＲ層と、
    を有し、
    前記第１の通常ＤＢＲ層及び前記第２の通常ＤＢＲ層は、第２の材料と第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、
    前記第３の材料は、前記第２の材料よりも屈折率の高い材料であって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記第２の材料と前記第３の材料とを交互に積層することにより形成されており、前記第２の材料により形成される層及び／または前記第３の材料により形成される層の膜厚を徐々に変化させながら形成されるものであって、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層は、前記中心層に近づくに従って光の減衰率が徐々に小さくなっており、
    前記第１の遷移ＤＢＲ層及び前記第２の遷移ＤＢＲ層において、前記第２の材料により形成される層の膜厚に対する前記第３の材料により形成される層の膜厚の比率が、前記中心層に近づくに従って、徐々に大きくなることを特徴とする光微小共振器。
  7. 前記第１の通常ＤＢＲ層、前記第１の遷移ＤＢＲ層、前記中心層、前記第２の遷移ＤＢＲ層、前記第２の通常ＤＢＲ層は、基板の上に形成されているピラーに形成されており、
    前記ピラーの上面は円形であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光微小共振器。
  8. 前記第１の材料はＩｎＰを含む材料により形成されており、前記第２の材料はＳｉＯ ２ を含む材料により形成されており、前記第３の材料はＳｉを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光微小共振器。
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