JPH05175592A - 光増幅装置 - Google Patents
光増幅装置Info
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- JPH05175592A JPH05175592A JP14364492A JP14364492A JPH05175592A JP H05175592 A JPH05175592 A JP H05175592A JP 14364492 A JP14364492 A JP 14364492A JP 14364492 A JP14364492 A JP 14364492A JP H05175592 A JPH05175592 A JP H05175592A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 希土類元素（ＲＥ）ドープＳｉからのフォト
・ルミネセンスを更に増大することができる光デバイス
を提供する。 【構成】 エルビューム（Ｅｒ）がドーピングされたシ
リコン（Ｓｉ）基体に炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）または弗
素（Ｆ）のような低質量元素を添加注入することによっ
て実質的に増大したＥｒルミネセンスが得られることが
発見されており、本発明の装置は、少なくとも９０％の
原子百分率のＳｉ或いはＳｉＧｅ合金の外に、エルビュ
ーム（Ｅｒ）、プラセオジューム（Ｐｒ）及びネオジュ
ーム（Ｎｄ）のうちの何れか一つまたは幾つかを含み、
且つ、更にＣ、Ｎ及びＦのうちの何れか一つまたは幾つ
かを含み、且つ好ましくは更に酸素を含む。
・ルミネセンスを更に増大することができる光デバイス
を提供する。 【構成】 エルビューム（Ｅｒ）がドーピングされたシ
リコン（Ｓｉ）基体に炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）または弗
素（Ｆ）のような低質量元素を添加注入することによっ
て実質的に増大したＥｒルミネセンスが得られることが
発見されており、本発明の装置は、少なくとも９０％の
原子百分率のＳｉ或いはＳｉＧｅ合金の外に、エルビュ
ーム（Ｅｒ）、プラセオジューム（Ｐｒ）及びネオジュ
ーム（Ｎｄ）のうちの何れか一つまたは幾つかを含み、
且つ、更にＣ、Ｎ及びＦのうちの何れか一つまたは幾つ
かを含み、且つ好ましくは更に酸素を含む。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、放射線の自然放出或
いは誘導放出を利用する光・電子デバイスを包含する、
光デバイスの分野に関する。
いは誘導放出を利用する光・電子デバイスを包含する、
光デバイスの分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来困難であった単一のチップ上への光
学的機能及び電子的機能の統合が、高い利用性を持つシ
リコン（Ｓｉ）を基体とするレーザー、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、或いは光増幅器によって極めて容易になる
と考えられるので、これまで長い間、これら高い利用性
を持つデバイスを手にいれることが切望されてきた。更
に、Ｓｉは熱伝導性が高いことによって動作上の利点が
得られる。しかし、これまで、Ｓｉを基体とするＬＥ
Ｄ、レーザー或いは光増幅器、特に商業的見地から重要
な波長（例えば、約１．３μｍまたは１．５μｍ）で動
作するデバイスを得るための努力は、成功していなかっ
た。
学的機能及び電子的機能の統合が、高い利用性を持つシ
リコン（Ｓｉ）を基体とするレーザー、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、或いは光増幅器によって極めて容易になる
と考えられるので、これまで長い間、これら高い利用性
を持つデバイスを手にいれることが切望されてきた。更
に、Ｓｉは熱伝導性が高いことによって動作上の利点が
得られる。しかし、これまで、Ｓｉを基体とするＬＥ
Ｄ、レーザー或いは光増幅器、特に商業的見地から重要
な波長（例えば、約１．３μｍまたは１．５μｍ）で動
作するデバイスを得るための努力は、成功していなかっ
た。
【０００３】「アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」
誌の１９８３年、第４３巻、第９４３頁に記載されてい
る、エイチ・エンネン（Ｈ．Ｅｎｎｅｎ）氏らの論文に
は、ＬＥＤ及びレーザーを造るための半導体基質中にお
ける希土類元素（ＲＥ）イオンの電位について言及され
ている。エルビューム（Ｅｒ）は、それが、中でも、光
ファイバー通信において特に重要な約１．５４μｍの波
長で、Ｓｉ内にルミネセンスを示すので、将来有望な候
補とされている材料である。例えば、「アプライド・フ
ィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」誌の１９８５年、第４６巻、第
３８１頁に記載されている、エイチ・エンネン氏らの論
文を参照することができる。最近、Ｅｒをドーピングし
たＳｉ中に酸素が含有されることによって、Ｅｒのフォ
ト・ルミネセンスが増加することが観察された（「ジャ
パニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉcs」誌の１９９０年、第２９巻、第
Ｌ５２４頁に記載されている、ピー・エム・ファベネッ
ク（Ｐ．Ｍ．Ｆａｖｅｎｎｅｃ）氏らの論文参照）。こ
れらの研究では、分子線結晶成長（ＭＢＥ）法による成
長途中の基盤または既に成長済みの基盤への注入によっ
て、ＥｒがＳｉ中に加えられていた。更に、背景材料は
米国特許第５，０３９，１９０号の中に見い出すことが
できる。
（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」
誌の１９８３年、第４３巻、第９４３頁に記載されてい
る、エイチ・エンネン（Ｈ．Ｅｎｎｅｎ）氏らの論文に
は、ＬＥＤ及びレーザーを造るための半導体基質中にお
ける希土類元素（ＲＥ）イオンの電位について言及され
ている。エルビューム（Ｅｒ）は、それが、中でも、光
ファイバー通信において特に重要な約１．５４μｍの波
長で、Ｓｉ内にルミネセンスを示すので、将来有望な候
補とされている材料である。例えば、「アプライド・フ
ィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」誌の１９８５年、第４６巻、第
３８１頁に記載されている、エイチ・エンネン氏らの論
文を参照することができる。最近、Ｅｒをドーピングし
たＳｉ中に酸素が含有されることによって、Ｅｒのフォ
ト・ルミネセンスが増加することが観察された（「ジャ
パニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉcs」誌の１９９０年、第２９巻、第
Ｌ５２４頁に記載されている、ピー・エム・ファベネッ
ク（Ｐ．Ｍ．Ｆａｖｅｎｎｅｃ）氏らの論文参照）。こ
れらの研究では、分子線結晶成長（ＭＢＥ）法による成
長途中の基盤または既に成長済みの基盤への注入によっ
て、ＥｒがＳｉ中に加えられていた。更に、背景材料は
米国特許第５，０３９，１９０号の中に見い出すことが
できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、熱心な努力が
払われてその結果幾らかの進歩が得られているにも拘ら
ず、少なくとも部分的には、観察されるフォト・ルミネ
センスがそのようなデバイスで維持されるには余りに弱
いという事実が有るので、この技術はＳｉ基体にＲＥが
注入されたＬＥＤやレーザー或いは光増幅器の研究では
未だ成功していない。従って、Ｓｉ中に酸素を混入する
ことによって得られるフォト・ルミネセンス以上に、Ｒ
ＥドープＳｉからのフォト・ルミネセンスを増大するた
めの手段を見つけだすことが実質的に重要であろうと思
われる。本発明はそのような手段を開示するものであ
る。
払われてその結果幾らかの進歩が得られているにも拘ら
ず、少なくとも部分的には、観察されるフォト・ルミネ
センスがそのようなデバイスで維持されるには余りに弱
いという事実が有るので、この技術はＳｉ基体にＲＥが
注入されたＬＥＤやレーザー或いは光増幅器の研究では
未だ成功していない。従って、Ｓｉ中に酸素を混入する
ことによって得られるフォト・ルミネセンス以上に、Ｒ
ＥドープＳｉからのフォト・ルミネセンスを増大するた
めの手段を見つけだすことが実質的に重要であろうと思
われる。本発明はそのような手段を開示するものであ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は請求項に定義さ
れているとおりのものであり、例えば本発明の装置は、
光デバイス、代表的には誘導放出を利用するデバイス
（即ち、レーザーまたは光増幅器）を有するが、しかし
発光ダイオード（ＬＥＤ）を除外するものではない。
れているとおりのものであり、例えば本発明の装置は、
光デバイス、代表的には誘導放出を利用するデバイス
（即ち、レーザーまたは光増幅器）を有するが、しかし
発光ダイオード（ＬＥＤ）を除外するものではない。
【０００６】本発明によるデバイスは、所定の波長の電
磁放射線を導くか或いはまた閉じ込めるように適用され
た、希土類元素（望ましくは、エルビューム(Ｅｒ)、プ
ラセオジューム(Ｐｒ)及びネオジューム(Ｎｄ)のうちの
何れか一つまたは幾つか）が注入されたＳｉ基体プレー
ナ形手段を具備する。このようなプレーナ形手段を、こ
こでは集合的にプレーナ形導波路手段と呼ぶ。この導波
路手段は、従来技術における希土類元素を注入したツォ
クラスキー法成長（ＣＺ）法Ｓｉを含む、類似する従来
の希土類元素を注入したＳｉと比較してルミネセンスが
増大する。
磁放射線を導くか或いはまた閉じ込めるように適用され
た、希土類元素（望ましくは、エルビューム(Ｅｒ)、プ
ラセオジューム(Ｐｒ)及びネオジューム(Ｎｄ)のうちの
何れか一つまたは幾つか）が注入されたＳｉ基体プレー
ナ形手段を具備する。このようなプレーナ形手段を、こ
こでは集合的にプレーナ形導波路手段と呼ぶ。この導波
路手段は、従来技術における希土類元素を注入したツォ
クラスキー法成長（ＣＺ）法Ｓｉを含む、類似する従来
の希土類元素を注入したＳｉと比較してルミネセンスが
増大する。
【０００７】より特定的には、この導波路手段はまた、
波長λsの信号放射線を導くように適用されている。ゲ
イン・デバイスはまた、導波路手段中の少なくとも幾つ
かの希土類元素がルミネセンスと関連する励起電子状態
への電子的遷移を受けるようにするための手段を有す
る。例えば、この電子的遷移を引き起こす前記手段は、
導波路手段中に前記波長λsより短い波長λp（λp ＜
λs）を持つポンピング放射線を印加するための手段を
有する。しかし、好ましい実施例では、上記の電子的遷
移を引き起こす前記手段は、順方向にバイアスされたｐ
ｎ接合または他の適当な接合機構の手段、例えばホット
・キャリヤーを用いて衝突励起或いはなだれ降伏を生じ
る手段によって非平衡電荷担体を注入するための手段を
有する。
波長λsの信号放射線を導くように適用されている。ゲ
イン・デバイスはまた、導波路手段中の少なくとも幾つ
かの希土類元素がルミネセンスと関連する励起電子状態
への電子的遷移を受けるようにするための手段を有す
る。例えば、この電子的遷移を引き起こす前記手段は、
導波路手段中に前記波長λsより短い波長λp（λp ＜
λs）を持つポンピング放射線を印加するための手段を
有する。しかし、好ましい実施例では、上記の電子的遷
移を引き起こす前記手段は、順方向にバイアスされたｐ
ｎ接合または他の適当な接合機構の手段、例えばホット
・キャリヤーを用いて衝突励起或いはなだれ降伏を生じ
る手段によって非平衡電荷担体を注入するための手段を
有する。
【０００８】上記Ｓｉ基体導波路材料は、代表的には９
０％を超える原子百分率のＳｉ、或いはＳｉとＧｅを有
する、代表的には（ドーピング或いは非ドーピングの）
単結晶Ｓｉ基体と一体であることができる単結晶材料で
ある。特に、この導波路 材料にはまた、一個またはそ
れ以上の低質量元素（酸素を除く原子数が９以下の元
素）、好ましくはここでは「コー・ドーパント」と呼ば
れるＣ、ＮまたはＦが含有されるが、なおベリリューム
（Ｂｅ）を除外するものではない。このコー・ドーパン
トが存在することによって、類似な従来の材料と比較し
て実質的に高いルミネセンスを得ることができる。現在
の好ましい実施例では、導波路材料は更にルミネセンス
を更に増大するのに有効な量の酸素を含有する。
０％を超える原子百分率のＳｉ、或いはＳｉとＧｅを有
する、代表的には（ドーピング或いは非ドーピングの）
単結晶Ｓｉ基体と一体であることができる単結晶材料で
ある。特に、この導波路 材料にはまた、一個またはそ
れ以上の低質量元素（酸素を除く原子数が９以下の元
素）、好ましくはここでは「コー・ドーパント」と呼ば
れるＣ、ＮまたはＦが含有されるが、なおベリリューム
（Ｂｅ）を除外するものではない。このコー・ドーパン
トが存在することによって、類似な従来の材料と比較し
て実質的に高いルミネセンスを得ることができる。現在
の好ましい実施例では、導波路材料は更にルミネセンス
を更に増大するのに有効な量の酸素を含有する。
【０００９】ここで、ルミネセンスは、通常は、本発明
による材料と関連する構成成分、例えば上記コー・ドー
パントまたは酸素を欠いている点以外は本発明の材料と
同等な（比較用）材料があるときは、このような例の材
料との間で比較される。本発明者らは、１０％の改善で
も実質的に価値があると考えるが、しかし代表的にはこ
こでは５０％を超え、或いは更に１００％を超えるフォ
ト・ルミネセンスの相当に高い改善を考えている。
による材料と関連する構成成分、例えば上記コー・ドー
パントまたは酸素を欠いている点以外は本発明の材料と
同等な（比較用）材料があるときは、このような例の材
料との間で比較される。本発明者らは、１０％の改善で
も実質的に価値があると考えるが、しかし代表的にはこ
こでは５０％を超え、或いは更に１００％を超えるフォ
ト・ルミネセンスの相当に高い改善を考えている。
【００１０】
【作用】本発明の現在の好ましい実施例では、ルミネセ
ンスを生じる元素（例えば、Ｅｒ+3）の励起は電荷注入
によって行なわれる。この結果得られるルミネセンス
は、従って電子ルミネセンスであり、周知な現象であ
る。導波路手段を電気的に「ポンピング」するための手
段は周知であり、代表的には、この手段には導波路手段
中にｐｎ接合を形成するドーピング手段が包含され、更
には導波路手段のｐ領域及びｎ領域にそれぞれ電気的な
接続を行ない、それらの間で電流が流れることができる
ようにする手段が包含される。
ンスを生じる元素（例えば、Ｅｒ+3）の励起は電荷注入
によって行なわれる。この結果得られるルミネセンス
は、従って電子ルミネセンスであり、周知な現象であ
る。導波路手段を電気的に「ポンピング」するための手
段は周知であり、代表的には、この手段には導波路手段
中にｐｎ接合を形成するドーピング手段が包含され、更
には導波路手段のｐ領域及びｎ領域にそれぞれ電気的な
接続を行ない、それらの間で電流が流れることができる
ようにする手段が包含される。
【００１１】
【実施例】顕著な態様を持つ本発明は、適切なコー・ド
ーパントによって、Ｓｉを基体とする導波路手段中の希
土類元素（代表的には、Ｅｒ、Ｐｒ及びＮｄのうちの何
れか一つまたは幾つかの元素）に基づくルミネセンスを
増強する。これらの希土類元素は、それらのルミネセン
ス・スペクトルには光ファイバー通信に特に重要なそれ
ぞれ約１．５４μｍ及び１．３μｍの波長が含まれてい
るので、特に有益である。周知の如く、これら種々の希
土類元素は極めて類似する特性を有する。従って、概し
て、或る希土類元素、例えばＥｒで観察されるルミネセ
ンス効果が同様に他の希土類元素でも観察されるものと
考えることができる。
ーパントによって、Ｓｉを基体とする導波路手段中の希
土類元素（代表的には、Ｅｒ、Ｐｒ及びＮｄのうちの何
れか一つまたは幾つかの元素）に基づくルミネセンスを
増強する。これらの希土類元素は、それらのルミネセン
ス・スペクトルには光ファイバー通信に特に重要なそれ
ぞれ約１．５４μｍ及び１．３μｍの波長が含まれてい
るので、特に有益である。周知の如く、これら種々の希
土類元素は極めて類似する特性を有する。従って、概し
て、或る希土類元素、例えばＥｒで観察されるルミネセ
ンス効果が同様に他の希土類元素でも観察されるものと
考えることができる。
【００１２】コー・ドーピングは、適当に整形されてい
るＳｉ基体またはＳｉ含有基体中へイオン注入を行なう
ことによって達成することができる。しかし、適当にド
ーピングされたＳｉ或いはＳｉＧｅ合金を得る成長法
（例えば、ＭＢＥ法）を含めて、他の手段によるコー・
ドーピングを利用することもできる。
るＳｉ基体またはＳｉ含有基体中へイオン注入を行なう
ことによって達成することができる。しかし、適当にド
ーピングされたＳｉ或いはＳｉＧｅ合金を得る成長法
（例えば、ＭＢＥ法）を含めて、他の手段によるコー・
ドーピングを利用することもできる。
【００１３】本発明者らが行なった例では、Ｅｒを最高
５．２５ＭｅＶのエネルギーで通例のＳｉウェーハ中へ
注入した。標準的な計算によれば、この最高エネルギー
によってウェーハの表面から約１．５μｍの深さ位置で
最大のＥｒ濃度が得られる。この実施例では、更に他に
種々の元素が、約１．５μｍの深さ位置で最大のイオン
濃度となるように選択されたイオン・エネルギーで注入
された。注入が完了した後、それらのウェーハが真空炉
内で焼きなましされた。それらＳｉウェーハのうちの幾
つかは、相当な（約１０18ｃｍ-3に達する）濃度の酸素
を含有することが知られているツォクラスキー（ＣＺ）
法成長による材料が使用された。残りのＳｉウェーハ
は、酸素を殆ど含有しないことが知られているフローテ
ィング・ゾーン（ＦＺ）法成長による材料が使用され
た。
５．２５ＭｅＶのエネルギーで通例のＳｉウェーハ中へ
注入した。標準的な計算によれば、この最高エネルギー
によってウェーハの表面から約１．５μｍの深さ位置で
最大のＥｒ濃度が得られる。この実施例では、更に他に
種々の元素が、約１．５μｍの深さ位置で最大のイオン
濃度となるように選択されたイオン・エネルギーで注入
された。注入が完了した後、それらのウェーハが真空炉
内で焼きなましされた。それらＳｉウェーハのうちの幾
つかは、相当な（約１０18ｃｍ-3に達する）濃度の酸素
を含有することが知られているツォクラスキー（ＣＺ）
法成長による材料が使用された。残りのＳｉウェーハ
は、酸素を殆ど含有しないことが知られているフローテ
ィング・ゾーン（ＦＺ）法成長による材料が使用され
た。
【００１４】図１は、Ｅｒと共に表示された元素を注入
されたＳｉサンプルに関するフォト・ルミネセンス（Ｐ
Ｌ）のデータ（１．５３７μｍ）を示す。注入された全
元素の最高濃度は１０18ｃｍ-3であり、全サンプルが９
００℃で３０分間アニールされた。点線１０は、コー・
ドーパントを含有していないＥｒドープ（ＣＺ法成長）
ＳｉからのＰＬに相当する。図１は、ＥｒドープＳｉ中
に存在することによってルミネセンスを大幅に増大させ
る結果を生じる低質量元素（Ｃ、Ｎ及びＦが含まれる。
Ｂｅであってもよい）が幾つか存在する有るという、驚
くべき且つ思いがけない事実を明らかにしている。ＦＺ
法成長による材料でも相当に増加することが観察されて
いる（棒グラフ１１１、１２１及び１３１を参照）が、
ＣＺ法（即ち、酸素を含有する）成長による材料での増
加量が実質的に大きい（棒グラフ１１０、１２０及び１
３０を参照）。従って、本発明による好ましいデバイス
には、有効な量の希土類元素及び酸素以外の低質量元素
に加えて、ＰＬ放出を更に増大させるのに有効な酸素を
含有させることができる。ホウ素（Ｂ）及び硫黄（Ｓ）
のような元素によってもまた、ＥｒドープＣＺ法成長Ｓ
ｉからのＰＬ強度より高いＰＬ強度が得られるが、この
ＰＬ強度は酸素含有材料中では十分に高くはない。この
理由は、ホウ素Ｂ及び硫黄Ｓがここでの好ましいコー・
ドーパントの中には含まれていないためである。
されたＳｉサンプルに関するフォト・ルミネセンス（Ｐ
Ｌ）のデータ（１．５３７μｍ）を示す。注入された全
元素の最高濃度は１０18ｃｍ-3であり、全サンプルが９
００℃で３０分間アニールされた。点線１０は、コー・
ドーパントを含有していないＥｒドープ（ＣＺ法成長）
ＳｉからのＰＬに相当する。図１は、ＥｒドープＳｉ中
に存在することによってルミネセンスを大幅に増大させ
る結果を生じる低質量元素（Ｃ、Ｎ及びＦが含まれる。
Ｂｅであってもよい）が幾つか存在する有るという、驚
くべき且つ思いがけない事実を明らかにしている。ＦＺ
法成長による材料でも相当に増加することが観察されて
いる（棒グラフ１１１、１２１及び１３１を参照）が、
ＣＺ法（即ち、酸素を含有する）成長による材料での増
加量が実質的に大きい（棒グラフ１１０、１２０及び１
３０を参照）。従って、本発明による好ましいデバイス
には、有効な量の希土類元素及び酸素以外の低質量元素
に加えて、ＰＬ放出を更に増大させるのに有効な酸素を
含有させることができる。ホウ素（Ｂ）及び硫黄（Ｓ）
のような元素によってもまた、ＥｒドープＣＺ法成長Ｓ
ｉからのＰＬ強度より高いＰＬ強度が得られるが、この
ＰＬ強度は酸素含有材料中では十分に高くはない。この
理由は、ホウ素Ｂ及び硫黄Ｓがここでの好ましいコー・
ドーパントの中には含まれていないためである。
【００１５】図１のデータは、ＰＬをアルゴン・イオン
・レーザーからの１５０ｍＷ（このサンプルでは１００
ｍＷ／ｃｍ2に相当する）の４８８ｎｍ放射線で励起
し、そのルミネセンスを市販の０．７５ｍモノクロメー
タ及び冷却式ゲルマニューム・ディテクターを用いて測
定することによって得られたデータである。なお、これ
らのデータは、４．２Ｋで得られたデータである。しか
し、室温でも、相応する強度が実質的に同等な程度で得
られるものと思われる。
・レーザーからの１５０ｍＷ（このサンプルでは１００
ｍＷ／ｃｍ2に相当する）の４８８ｎｍ放射線で励起
し、そのルミネセンスを市販の０．７５ｍモノクロメー
タ及び冷却式ゲルマニューム・ディテクターを用いて測
定することによって得られたデータである。なお、これ
らのデータは、４．２Ｋで得られたデータである。しか
し、室温でも、相応する強度が実質的に同等な程度で得
られるものと思われる。
【００１６】周知の如く、光導波路は第一の有効屈折率
を持つ「コア」領域を有し、このコア領域が上記第一有
効屈折率より低い第二有効屈折率を持つ「クラッド」領
域によって包囲されている。プレーナ形Ｅｒドープガラ
ス導波路手段を含むプレーナ形光導波路が知られてい
る。例えば、米国特許出願第０７／５７９，１１８号を
参照することができ、本技術を実施するための参照に供
される。
を持つ「コア」領域を有し、このコア領域が上記第一有
効屈折率より低い第二有効屈折率を持つ「クラッド」領
域によって包囲されている。プレーナ形Ｅｒドープガラ
ス導波路手段を含むプレーナ形光導波路が知られてい
る。例えば、米国特許出願第０７／５７９，１１８号を
参照することができ、本技術を実施するための参照に供
される。
【００１７】本発明による装置で使用するのに適する導
波路手段の一例は、図２に模式的に図示されているよう
なリッジ導波路であり、この図２中、数字２１はＳｉ基
盤であり、２２はコア層（例えば、Ｓｉの有効屈折率よ
り大きい有効屈折率を有する少なくとも９０％の原子百
分率を持つＳｉＧｅ合金層）であり、２３はクラッド
層、例えばＳｉＯ2層或いはＳｉ層である。数字２４は
放射線の縦方向導波作用を行なうリッジである。本発明
によるデバイスでは、少なくともコア層２２の一部（代
表的には、リッジ２４の最下層にある部分）が、適当な
希土類元素イオン及び一つまたは幾つかのコー・ドーパ
ントを注入されていることが十分に認められるであろ
う。このような光導波路は公知な製法によって作製する
ことができる。
波路手段の一例は、図２に模式的に図示されているよう
なリッジ導波路であり、この図２中、数字２１はＳｉ基
盤であり、２２はコア層（例えば、Ｓｉの有効屈折率よ
り大きい有効屈折率を有する少なくとも９０％の原子百
分率を持つＳｉＧｅ合金層）であり、２３はクラッド
層、例えばＳｉＯ2層或いはＳｉ層である。数字２４は
放射線の縦方向導波作用を行なうリッジである。本発明
によるデバイスでは、少なくともコア層２２の一部（代
表的には、リッジ２４の最下層にある部分）が、適当な
希土類元素イオン及び一つまたは幾つかのコー・ドーパ
ントを注入されていることが十分に認められるであろ
う。このような光導波路は公知な製法によって作製する
ことができる。
【００１８】種々の材料系が、プレーナ形光導波路に使
用されている。それらの中には、ヒ化ガリウム（ＧａＡ
ｓ）及びその関連体であるＡｌＧａＡｓのようなＩＩＩ
族-Ｖ族化合物半導体が有る。ＩＩＩ族-Ｖ族化合物半導
体を光利得デバイスを作製するために使用することがで
きるという事実から見れば、代表的にはそれらの熱伝導
度は比較的に低く、放散することができるポンピング・
エネルギー（放射線または電流）を制限している。他
方、Ｓｉは比較的に高い熱伝導度を持ち、本発明による
比較的に長い（例えば、１ｃｍ台の）デバイスを構築す
ることを可能にしている。これによって、中でも、ここ
での関心事となっている一つまたは幾つかの波長を持つ
信号放射線に対して顕著な利得を与えることができるデ
バイスの設計及び作製を容易にすることが期待されてい
る。
用されている。それらの中には、ヒ化ガリウム（ＧａＡ
ｓ）及びその関連体であるＡｌＧａＡｓのようなＩＩＩ
族-Ｖ族化合物半導体が有る。ＩＩＩ族-Ｖ族化合物半導
体を光利得デバイスを作製するために使用することがで
きるという事実から見れば、代表的にはそれらの熱伝導
度は比較的に低く、放散することができるポンピング・
エネルギー（放射線または電流）を制限している。他
方、Ｓｉは比較的に高い熱伝導度を持ち、本発明による
比較的に長い（例えば、１ｃｍ台の）デバイスを構築す
ることを可能にしている。これによって、中でも、ここ
での関心事となっている一つまたは幾つかの波長を持つ
信号放射線に対して顕著な利得を与えることができるデ
バイスの設計及び作製を容易にすることが期待されてい
る。
【００１９】図３は、本発明による電気的にポンピング
される光・電子デバイス３０を模式的に図示している。
１．５５μｍの放射線を強度変調するのに適し、同様な
構造を持つデバイスが、アール・ディ・ラボー（Ｒ．
Ｄ．Ｌａｖｅａｕ）氏らによって、「エレクトロニクス
・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）」誌の第２６（２０）巻、１６５３頁から１６５５
頁に開示されている。図３中、数字３１は（例えば、ｎ
+にドーピングされた）単結晶Ｓｉ基盤であり、３２は
（例えば、ｎにドーピングされた）エピタキシャルＳｉ
最下層側クラッド層であり、３３は（例えば、ｐにドー
ピングされたＧｅ0.2Ｓｉ0.8の）エピタキシャルＳｉＧ
ｅ合金コア層であり、３４は（例えば、ｎにドーピング
された）エピタキシャルＳｉの最上層側クラッド層であ
る。層３５、３６、３７はこのデバイスの電気的ポンピ
ングを容易にする金属電極層であり、これらによって或
る振幅の放射線がこのデバイスに印加される。コア層３
３は希土類元素及び本発明によるコー・ドーパントを含
有し、且つ任意に酸素を含有することもできることが、
十分に認められるであろう。同様に、電気的ポンピング
が行なわれる本発明の実施例は、必ずしも図３に図示さ
れているような三端子デバイスのみに関わるものではな
く、二端子ｐｎ構造デバイスもまた有用性が有ることが
十分に認められるであろう。そのようなデバイスは、一
つまたは複数のコー・ドーパントの注入を包含するよう
に改変した従来の一般的な製法によって作製することが
できる。
される光・電子デバイス３０を模式的に図示している。
１．５５μｍの放射線を強度変調するのに適し、同様な
構造を持つデバイスが、アール・ディ・ラボー（Ｒ．
Ｄ．Ｌａｖｅａｕ）氏らによって、「エレクトロニクス
・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）」誌の第２６（２０）巻、１６５３頁から１６５５
頁に開示されている。図３中、数字３１は（例えば、ｎ
+にドーピングされた）単結晶Ｓｉ基盤であり、３２は
（例えば、ｎにドーピングされた）エピタキシャルＳｉ
最下層側クラッド層であり、３３は（例えば、ｐにドー
ピングされたＧｅ0.2Ｓｉ0.8の）エピタキシャルＳｉＧ
ｅ合金コア層であり、３４は（例えば、ｎにドーピング
された）エピタキシャルＳｉの最上層側クラッド層であ
る。層３５、３６、３７はこのデバイスの電気的ポンピ
ングを容易にする金属電極層であり、これらによって或
る振幅の放射線がこのデバイスに印加される。コア層３
３は希土類元素及び本発明によるコー・ドーパントを含
有し、且つ任意に酸素を含有することもできることが、
十分に認められるであろう。同様に、電気的ポンピング
が行なわれる本発明の実施例は、必ずしも図３に図示さ
れているような三端子デバイスのみに関わるものではな
く、二端子ｐｎ構造デバイスもまた有用性が有ることが
十分に認められるであろう。そのようなデバイスは、一
つまたは複数のコー・ドーパントの注入を包含するよう
に改変した従来の一般的な製法によって作製することが
できる。
【００２０】図４は、本発明による光ファイバー伝送シ
ステムの例の一部４０を模式的に示す図であり、放射線
は、何らかの発生手段（図示せず）から光ファイバー４
１を介して、本発明のプレーナ形プレーナ形光増幅器４
３の適当にドーピングされたコア中に放射線を印加する
ように作用する、（例えば、球面レンズのような収束手
段を有する）光結合手段４２を有する増幅手段へ伝送さ
れる。プレーナ形光増幅器４３内で、放射線が誘導放出
によって増幅され、ポンピング・エネルギーがポンピン
グ源４７（代表的には電力源）から得られる。光結合手
段４４は、増幅された放射線を、利用手段、例えばｎ個
の光ファイバー４６１乃至４６ｎに印加されるｎ個の出
力に分割するように作用するスター・カプラー４５へ印
加するように動作する。それらの信号は、上記光ファイ
バー４６１ないし４６ｎを介して、何らかの適当な利用
手段、例えば加入者構内の光ディテクターへ伝送され
る。
ステムの例の一部４０を模式的に示す図であり、放射線
は、何らかの発生手段（図示せず）から光ファイバー４
１を介して、本発明のプレーナ形プレーナ形光増幅器４
３の適当にドーピングされたコア中に放射線を印加する
ように作用する、（例えば、球面レンズのような収束手
段を有する）光結合手段４２を有する増幅手段へ伝送さ
れる。プレーナ形光増幅器４３内で、放射線が誘導放出
によって増幅され、ポンピング・エネルギーがポンピン
グ源４７（代表的には電力源）から得られる。光結合手
段４４は、増幅された放射線を、利用手段、例えばｎ個
の光ファイバー４６１乃至４６ｎに印加されるｎ個の出
力に分割するように作用するスター・カプラー４５へ印
加するように動作する。それらの信号は、上記光ファイ
バー４６１ないし４６ｎを介して、何らかの適当な利用
手段、例えば加入者構内の光ディテクターへ伝送され
る。
【００２１】本発明による増幅手段は、光コンピュータ
手段で利用することができる。更にまた、本発明による
デバイスは、放射線発生源、即ちレーザー或いはＬＥＤ
としての作用を奏することができる。
手段で利用することができる。更にまた、本発明による
デバイスは、放射線発生源、即ちレーザー或いはＬＥＤ
としての作用を奏することができる。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によればＳ
ｉ中に酸素を混入することによって得ることができるフ
ォト・ルミネセンス以上に、ＲＥがドーピングされたＳ
ｉからのフォト・ルミネセンスを増大する手段が得られ
る。
ｉ中に酸素を混入することによって得ることができるフ
ォト・ルミネセンス以上に、ＲＥがドーピングされたＳ
ｉからのフォト・ルミネセンスを増大する手段が得られ
る。
【図１】種々の元素をコー・ドーパントとして有する、
Ｅｒ含有Ｓｉからのフォト・ルミネセンスの実験データ
を示すグラフである。
Ｅｒ含有Ｓｉからのフォト・ルミネセンスの実験データ
を示すグラフである。
【図２】プレーナ形導波路の一例を模式的に示す図であ
る。
る。
【図３】本発明による電気的励起デバイスの一例を模式
的に示す図である。を示す図である。
的に示す図である。を示す図である。
【図４】本発明による通信システムに直接関係する部分
を模式的に示す図である。
を模式的に示す図である。
１０ コー・ドーパントが含有されていない、エルビ
ューム（Ｅｒ）ドープ・ＣＺ法成長によるシリコン（Ｓ
ｉ）からのフォト・ルミネセンス（ＰＬ）強度レベル １１０ ＣＺ法成長による炭素（Ｃ）ドープ材料のＰ
Ｌ強度を表わす棒グラフ １１１ ＦＺ法成長による炭素ドープ材料のＰＬ強度
を表わす棒グラフ １２０ ＣＺ法成長による窒素（Ｎ）ドープ材料のＰ
Ｌ強度を表わす棒グラフ １２１ ＦＺ法成長による窒素ドープ材料のＰＬ強度
を表わす棒グラフ １３０ ＣＺ法成長による弗素（Ｆ）ドープ材料のＰ
Ｌ強度を表わす棒グラフ １３１ ＦＺ法成長による弗素ドープ材料のＰＬ強度
を表わす棒グラフ ２１ シリコン基盤 ２２ コア層 ２３ クラッド層 ２４ リッジ ３０ 光・電子デバイス ３１ 単結晶シリコン基盤 ３２ エピタキシャル・シリコン最下層側クラッド層 ３３ エピタキシャル・シリコン・ゲルマニューム
（ＳｉＧｅ）合金コア層 ３４ エピタキシャル・シリコン最上層側クラッド層 ３５ 金属電極層 ３６ 金属電極層 ３７ 金属電極層 ４０ 光ファイバー伝送システム ４１ 光ファイバー ４２ 光結合手段 ４３ プレーナ形光増幅器 ４４ 光結合手段 ４５ スター・カプラー ４６１ 光ファイバー ４６ｎ 光ファイバー ４７ ポンピング源
ューム（Ｅｒ）ドープ・ＣＺ法成長によるシリコン（Ｓ
ｉ）からのフォト・ルミネセンス（ＰＬ）強度レベル １１０ ＣＺ法成長による炭素（Ｃ）ドープ材料のＰ
Ｌ強度を表わす棒グラフ １１１ ＦＺ法成長による炭素ドープ材料のＰＬ強度
を表わす棒グラフ １２０ ＣＺ法成長による窒素（Ｎ）ドープ材料のＰ
Ｌ強度を表わす棒グラフ １２１ ＦＺ法成長による窒素ドープ材料のＰＬ強度
を表わす棒グラフ １３０ ＣＺ法成長による弗素（Ｆ）ドープ材料のＰ
Ｌ強度を表わす棒グラフ １３１ ＦＺ法成長による弗素ドープ材料のＰＬ強度
を表わす棒グラフ ２１ シリコン基盤 ２２ コア層 ２３ クラッド層 ２４ リッジ ３０ 光・電子デバイス ３１ 単結晶シリコン基盤 ３２ エピタキシャル・シリコン最下層側クラッド層 ３３ エピタキシャル・シリコン・ゲルマニューム
（ＳｉＧｅ）合金コア層 ３４ エピタキシャル・シリコン最上層側クラッド層 ３５ 金属電極層 ３６ 金属電極層 ３７ 金属電極層 ４０ 光ファイバー伝送システム ４１ 光ファイバー ４２ 光結合手段 ４３ プレーナ形光増幅器 ４４ 光結合手段 ４５ スター・カプラー ４６１ 光ファイバー ４６ｎ 光ファイバー ４７ ポンピング源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｚ 8934−4Ｍ 3/18 9170−4Ｍ (72)発明者 ジャネット リ− ベントン アメリカ合衆国 07059 ニュ−ジャ−ジ − ウォ−レン スプリング ハウス ロ −ド ７ (72)発明者 デ−ル コンラッド ジャコブソン アメリカ合衆国 07840 ニュ−ジャ−ジ − ハケッツタウン、キャッツワンプ ロ −ド 107 (72)発明者 ライオネル ク−パ− キマ−リング アメリカ合衆国 02142 マサチュ−セッ ツ ケンブリッジ、ケンブリッジ パ−ク ウェイ 75−アパ−トメント イ−702 (72)発明者 ユルゲン ミシェル アメリカ合衆国 02139 マサチュ−セッ ツ ケンブリッジ、ハ−ヴァ−ド ストリ −ト 284−アパ−トメント 31 (72)発明者 ジョン ミロ ポエト アメリカ合衆国 07901 ニュ−ジャ−ジ − サミット、マディソン アヴェニュ− 18
Claims (10)
- 【請求項１】 エルビューム（Ｅｒ）、プラセオジュー
ム（Ｐｒ）及びネオジューム（Ｎｄ）から成るグループ
から選択された希土類元素（ＲＥ）を含有する材料を有
し、波長λsの信号放射線に導波作用を行なう光導波路
手段（３２、３３、３４）を有し、更にこの光導波路手
段（３２、３３、３４）中の少なくとも幾つかの前記Ｒ
Ｅにルミネセンスに関連している励起電子状態への電子
的遷移を受けさせるための手段（３５、３６、３７）を
含むデバイス（３０）を有する光増幅装置において、 ａ）前記光導波路手段が、シリコン（Ｓｉ）及びシリコ
ン・ゲルマニューム（ＳｉＧｅ）合金から成るグループ
から選択された半導体材料を含有しているコア領域（３
３）を有するプレーナ形導波路手段であり、 ｂ）前記コア領域が、更に、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）及
び弗素（Ｆ）から成るグループの元素のうちの少なくと
も一つの、コー・ドーパントと呼ばれる元素を含有し、
前記光導波路手段に関連しているルミネセンスが、前記
コー・ドーパントを含有していない点以外は前記光導波
路手段と同等に構成されている比較用光導波路手段に関
連しているルミネセンスより実質的に高いこと、 を特徴とする光増幅装置。 - 【請求項２】 前記コア領域が、更に酸素を含有し、実
質的に酸素を含有していない点以外は前記光導波路手段
と同一の比較用光導波路手段と比較されたとき、その酸
素の量が増大したルミネセンスが得られるのに有効な量
であることを特徴とする、請求項１記載の装置。 - 【請求項３】 前記少なくとも一つのコー・ドーパント
が、前記比較用光導波路手段に関連しているルミネセン
ス強度の二倍のルミネセンス強度となるのに十分な量で
存在していることを特徴とする、請求項１記載の装置。 - 【請求項４】 前記光導波路手段が、単結晶Ｓｉから成
る基体と一体に構成されていることを特徴とする、請求
項１記載の装置。 - 【請求項５】 前記ＲＥに前記電子的遷移を受けさせる
ための前記手段が、前記コア領域に前記波長λsより短
い波長λp（λp ＜ λs）の電磁放射線を印加する手段
を有することを特徴とする、請求項４記載の装置。 - 【請求項６】 前記ＲＥに電子的遷移を受けさせるため
の前記手段が、ｐｎ接合を形成するように構成されたｎ
形不純物ドーピング部分とｐ形不純物ドーピング部分と
から成る前記光導波路手段を有し、更に、前記ｐｎ接合
を横断して電流が流れることができるように、前記ｎ形
不純物ドーピング部分と前記ｐ形不純物ドーピング部分
とに電気的接続を行なう手段を有することを特徴とす
る、請求項４記載の装置。 - 【請求項７】 前記デバイスが、前記信号放射線のため
の光空洞共振器を形成するように適用された反射手段を
有するレーザーであることを特徴とする、請求項１記載
の装置。 - 【請求項８】 更に、前記光導波路手段のコア領域に前
記信号放射線を印加する手段、及び前記光導波路手段か
ら放射線利用手段へ前記信号放射線を与えるた手段を有
し、且つ、前記デバイスが光増幅器であることを特徴と
する、請求項１記載の装置。 - 【請求項９】 前記ＲＥがＥｒであり、且つ、前記波長
λsがほぼ１．５５μｍに等しいことを特徴とする、請
求項２記載の装置。 - 【請求項１０】 前記デバイスが、発光ダイオード構成
のｐｎホモ接合構造を有するレーザーであることを特徴
とする、請求項６記載の装置。
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