JPH06291404A - 集積光学素子構造体及びその製造方法 - Google Patents
集積光学素子構造体及びその製造方法Info
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- JPH06291404A JPH06291404A JP4310533A JP31053392A JPH06291404A JP H06291404 A JPH06291404 A JP H06291404A JP 4310533 A JP4310533 A JP 4310533A JP 31053392 A JP31053392 A JP 31053392A JP H06291404 A JPH06291404 A JP H06291404A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の一つの目的は希土類イオン蛍光波長
において動作するように設計された集積光学素子構造を
提供するにあり、もう一つの目的は、このタイプの構造
及び様々なアプリケーションを実現するための方法を提
供することにある。 【構成】 少なくとも一つの単結晶半導体材料基板上に
堆積された（１−ｘ）（Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘＴＲＦ
z の構造式を持つ混合希土類フッ化物の薄膜から成る希
土類イオン蛍光波長λ1 にて動作するように設計された
集積光学素子構造体が提供されが、ここで、Ｍ及びＭ’
はアルカリ土類イオンを表わし、ＴＲＦzは希土類フッ
化物を表わし、ｘは］０，１［のレンジ内にあり、そし
てｙは［０，１］のレンジ内にある。この素子構造体は
光学導波路を使用する電話通信に用途を持つ。
において動作するように設計された集積光学素子構造を
提供するにあり、もう一つの目的は、このタイプの構造
及び様々なアプリケーションを実現するための方法を提
供することにある。 【構成】 少なくとも一つの単結晶半導体材料基板上に
堆積された（１−ｘ）（Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘＴＲＦ
z の構造式を持つ混合希土類フッ化物の薄膜から成る希
土類イオン蛍光波長λ1 にて動作するように設計された
集積光学素子構造体が提供されが、ここで、Ｍ及びＭ’
はアルカリ土類イオンを表わし、ＴＲＦzは希土類フッ
化物を表わし、ｘは］０，１［のレンジ内にあり、そし
てｙは［０，１］のレンジ内にある。この素子構造体は
光学導波路を使用する電話通信に用途を持つ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は希土類イオン蛍光波長に
おいて動作するように設計された集積光学素子構造(int
egrated optical component structure)に関する。本発
明はまたこの種の構造及び様々なアプリケーションを実
現するための方法に関する。
おいて動作するように設計された集積光学素子構造(int
egrated optical component structure)に関する。本発
明はまたこの種の構造及び様々なアプリケーションを実
現するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明は光学導波路電気通信の分野に特
に有益な用途を持つ。固体内に薄められた場合、希土類
イオンは蛍光を起こし、それらの５ｓ及び５ｐ層によっ
て保護された４ｆ層の内側での電子遷移に起因して可視
光線及び近赤外線の放射を行なう。エルビウムイオンＥ
ｒ3+は 4Ｉ13/2→ 4Ｉ15/2への放射遷移を持つが、これ
は、このケースにおいては、放射される波長λ2 （１．
５４μｍ）がシリカ光学導波路の吸収及び相対屈折率変
動ｄｎ／ｄλの最小とマッチするために特に有益であ
る。
に有益な用途を持つ。固体内に薄められた場合、希土類
イオンは蛍光を起こし、それらの５ｓ及び５ｐ層によっ
て保護された４ｆ層の内側での電子遷移に起因して可視
光線及び近赤外線の放射を行なう。エルビウムイオンＥ
ｒ3+は 4Ｉ13/2→ 4Ｉ15/2への放射遷移を持つが、これ
は、このケースにおいては、放射される波長λ2 （１．
５４μｍ）がシリカ光学導波路の吸収及び相対屈折率変
動ｄｎ／ｄλの最小とマッチするために特に有益であ
る。
【０００３】上記に明らかにした従来の技術による集積
光学素子構造は、例えばイオン注入あるいは分子線エピ
タキシによってエルビウムがドープされたシリコン或は
III−Ｖ族半導体材料から成る。
光学素子構造は、例えばイオン注入あるいは分子線エピ
タキシによってエルビウムがドープされたシリコン或は
III−Ｖ族半導体材料から成る。
【０００４】このタイプの先行技術による構造の調査は
ホスト材料の性質が希土類イオンによって放出される放
射線のエネルギにあまり影響を与えないことを確認して
いる。
ホスト材料の性質が希土類イオンによって放出される放
射線のエネルギにあまり影響を与えないことを確認して
いる。
【０００５】他方、希土類含有量の関数としての蛍光の
イールド（yield ）は、一定の温度において、半導体材
料の禁制エネルギ帯（forbidden energy band ）に比例
して増加することが明らかになっている。周囲温度にて
７７Ｋにおいて得られるのに匹敵するイールドを得るた
めには、約２．５ｅＶのホストマトリックス（host mat
rix ）禁制エネルギ帯が要求されるように見える。
イールド（yield ）は、一定の温度において、半導体材
料の禁制エネルギ帯（forbidden energy band ）に比例
して増加することが明らかになっている。周囲温度にて
７７Ｋにおいて得られるのに匹敵するイールドを得るた
めには、約２．５ｅＶのホストマトリックス（host mat
rix ）禁制エネルギ帯が要求されるように見える。
【０００６】さらに、少なくともエルビウムのケースに
おいては、発光の強度は最初はドーピング元素の濃度に
比例して増加するが、１０18ｃｍ-3という低い濃度で最
大値に達することが分かった。高発光性中心濃度（high
luminescent center concentrations）に対する蛍光の
減少は集中によるクロス緩和（cross relaxation）及び
自己消滅（self-extinction ）の現象によって説明で
き、これは、ドーピング時における原子順位欠陥（atom
ordering defects ）の生成によって強化される。
おいては、発光の強度は最初はドーピング元素の濃度に
比例して増加するが、１０18ｃｍ-3という低い濃度で最
大値に達することが分かった。高発光性中心濃度（high
luminescent center concentrations）に対する蛍光の
減少は集中によるクロス緩和（cross relaxation）及び
自己消滅（self-extinction ）の現象によって説明で
き、これは、ドーピング時における原子順位欠陥（atom
ordering defects ）の生成によって強化される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明によっ
て解決されるべき技術的問題は、上に述べられたた制
約、特に、特に高濃度における蛍光の減少と関連する制
約を排除することができる希土類イオン蛍光波長λ1 に
て動作するように設計された集積光学素子構造体を提供
することにある。
て解決されるべき技術的問題は、上に述べられたた制
約、特に、特に高濃度における蛍光の減少と関連する制
約を排除することができる希土類イオン蛍光波長λ1 に
て動作するように設計された集積光学素子構造体を提供
することにある。
【０００８】
【発明を解決するための手段】本発明による上に述べた
技術上の問題の解決方法は、この構造が少なくとも一部
単結晶半導体材料基板上に堆積された（１−ｘ）（Ｍ
1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘＴＲＦz の構造式を持つ混合希土
類フッ化物の薄膜によって構成されることから成立する
が、ここで、Ｍ及びＭ’はアルカリ土類イオンを表わ
し、ＴＲＦz は希土類フッ化物を表わし、ｘは］０，１
［のレンジ内にあり、そしてｙは［０，１］のレンジ内
にある。
技術上の問題の解決方法は、この構造が少なくとも一部
単結晶半導体材料基板上に堆積された（１−ｘ）（Ｍ
1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘＴＲＦz の構造式を持つ混合希土
類フッ化物の薄膜によって構成されることから成立する
が、ここで、Ｍ及びＭ’はアルカリ土類イオンを表わ
し、ＴＲＦz は希土類フッ化物を表わし、ｘは］０，１
［のレンジ内にあり、そしてｙは［０，１］のレンジ内
にある。
【０００９】このケースにおいては、アルカリ土類フッ
化物から成るホスト材料は非常に広い禁制帯を持つこと
ができ、例えば、フッ化カルシウムＣａＦ2 の場合、１
０ｅＶを超える。また、少なくとも一部、従来のドーピ
ングにおいて観察された集中現象（concentration phen
omenon）による自己消滅の要因となる原子順位の欠陥
が、例えば、後にエルビウムのケースに対して説明され
るように、希土類を固溶体が形成されるとき初期粉末内
のアルカリ土類陽イオンと置換することにより低減され
る。
化物から成るホスト材料は非常に広い禁制帯を持つこと
ができ、例えば、フッ化カルシウムＣａＦ2 の場合、１
０ｅＶを超える。また、少なくとも一部、従来のドーピ
ングにおいて観察された集中現象（concentration phen
omenon）による自己消滅の要因となる原子順位の欠陥
が、例えば、後にエルビウムのケースに対して説明され
るように、希土類を固溶体が形成されるとき初期粉末内
のアルカリ土類陽イオンと置換することにより低減され
る。
【００１０】また、光子はフッ化物内においては酸化物
或は半導体内よりもエルネギに富まないが、このホスト
マトリックスは蛍光のイールドを強化し、非放射再結合
を阻止することに注意する。
或は半導体内よりもエルネギに富まないが、このホスト
マトリックスは蛍光のイールドを強化し、非放射再結合
を阻止することに注意する。
【００１１】最後に、ＣａＦ2 、ＳｒＦ2 及びＢａＦ2
の結晶系（フッ素タイプの面心立方）は主半導体の結晶
系（ダイヤモンド或は閃亜鉛鉱タイプの面心立方）と非
常に似ており、また、これらの格子パラメータは、それ
ぞれ、シリコン、ＩｎＰ及びＧａＳｂのそれと非常に類
似することに注意する。さらに、その格子パラメータが
ＧａＡｓを含む様々な半導体基板のそれに非常に正確に
マッチしたアルカリ土類フッ化物を薄膜固溶体の形式に
て得ることができることが分かった。
の結晶系（フッ素タイプの面心立方）は主半導体の結晶
系（ダイヤモンド或は閃亜鉛鉱タイプの面心立方）と非
常に似ており、また、これらの格子パラメータは、それ
ぞれ、シリコン、ＩｎＰ及びＧａＳｂのそれと非常に類
似することに注意する。さらに、その格子パラメータが
ＧａＡｓを含む様々な半導体基板のそれに非常に正確に
マッチしたアルカリ土類フッ化物を薄膜固溶体の形式に
て得ることができることが分かった。
【００１２】但し、ｘアルカリ土類陽イオンのｘ希土類
イオンとの置換、及び混合希土類フッ化物固溶体を生成
するためのｘフッ化物イオンの追加は初期アルカリ土類
フッ化物Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 の格子パラメータを変化させ
る傾向を持つ。
イオンとの置換、及び混合希土類フッ化物固溶体を生成
するためのｘフッ化物イオンの追加は初期アルカリ土類
フッ化物Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 の格子パラメータを変化させ
る傾向を持つ。
【００１３】従って、本発明によって解決されるべき第
二の技術上の問題は希土類フッ化物のモル分率ｘが高く
ても使用することができる集積光学素子構造を製造する
ための方法を提供することにある。
二の技術上の問題は希土類フッ化物のモル分率ｘが高く
ても使用することができる集積光学素子構造を製造する
ための方法を提供することにある。
【００１４】本発明によるこの第二の技術上の問題を解
決するための方法は以下のステップ：つまり、アルカリ
土類フッ化物Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 の初期粉末を調製するス
テップ、希土類フッ化物ＴＲＦz の初期粉末を調製する
ステップ、前記の初期粉末を特定のモル分率ｘに混合す
るステップ、混合希土類フッ化物（１−ｘ）（Ｍ
1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘ ＴＲＦz の固溶体を調製するス
テップ、前記の固溶体の薄膜を前記の単結晶の半導体材
料基板の一面上にエピタキシャル成長するステップを含
む。
決するための方法は以下のステップ：つまり、アルカリ
土類フッ化物Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 の初期粉末を調製するス
テップ、希土類フッ化物ＴＲＦz の初期粉末を調製する
ステップ、前記の初期粉末を特定のモル分率ｘに混合す
るステップ、混合希土類フッ化物（１−ｘ）（Ｍ
1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘ ＴＲＦz の固溶体を調製するス
テップ、前記の固溶体の薄膜を前記の単結晶の半導体材
料基板の一面上にエピタキシャル成長するステップを含
む。
【００１５】希土類フッ化物のモル分率ｘが２０％とい
う高い混合希土類固溶体の薄膜をエピタキシャル的に成
長させる可能性とは別に、本発明による方法は、発光材
料（励起中心のソース）の容積内の欠陥の最少化及び光
学導波路、マイクロレーザ及びコンバータデバイスなど
様々な集積光学素子の製造を含む他の長所を持つ。
う高い混合希土類固溶体の薄膜をエピタキシャル的に成
長させる可能性とは別に、本発明による方法は、発光材
料（励起中心のソース）の容積内の欠陥の最少化及び光
学導波路、マイクロレーザ及びコンバータデバイスなど
様々な集積光学素子の製造を含む他の長所を持つ。
【００１６】以下の図面を参照しての説明は、制約を目
的としない実施例によって、本発明が何から構成され、
どのように実施されるかを明確に示す。
的としない実施例によって、本発明が何から構成され、
どのように実施されるかを明確に示す。
【００１７】
【実施例】図１は、希土類イオン蛍光波長λ1 にて動作
するように設計された集積光学素子構造体の断面を示
す。この構造は、以下の構造式を持つ混合希土フッ化物
固溶体の薄膜１０を含む。 （１−ｘ）（Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘ ＴＲＦz ここで、Ｍ及びＭ’はアルカリ土類イオン、例えば、Ｃ
ａ2+或はＳｒ2+を表わし、ＴＲＦz は希土類フッ化物を
表わし、ｘは、］０，１［のレンジ内にあり、ｙは、
［０，１］のレンジ内にある。
するように設計された集積光学素子構造体の断面を示
す。この構造は、以下の構造式を持つ混合希土フッ化物
固溶体の薄膜１０を含む。 （１−ｘ）（Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘ ＴＲＦz ここで、Ｍ及びＭ’はアルカリ土類イオン、例えば、Ｃ
ａ2+或はＳｒ2+を表わし、ＴＲＦz は希土類フッ化物を
表わし、ｘは、］０，１［のレンジ内にあり、ｙは、
［０，１］のレンジ内にある。
【００１８】薄膜１０は、例えばシリコンのような単結
晶半導体材料、或は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、Ｉ
ｎＰなどのIII −Ｖ族化合物の基板２０上に堆積され
る。
晶半導体材料、或は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、Ｉ
ｎＰなどのIII −Ｖ族化合物の基板２０上に堆積され
る。
【００１９】本発明による集積光学素子構造は混合希土
類フッ化物固溶体の複数の薄膜から成る。後に、３つの
連続する薄膜を持つ構造が幾つかのアプリケーション例
との関連で説明される。
類フッ化物固溶体の複数の薄膜から成る。後に、３つの
連続する薄膜を持つ構造が幾つかのアプリケーション例
との関連で説明される。
【００２０】図１の集積光学素子構造を得る方法が次に
説明されるが、これは一例として以下のようなフッ化エ
ルビウムを含む固溶体を使用する。 （１−ｘ） ＣａＦ2 −ｘＥｒＦ3 フッ化カルシュウムＣａＦ2 の初期粉末は市販のフッ化
物から調製されるが、これがフッ化物の雰囲気内におい
て使用の直前にこれが含む酸化物及び水蒸気を除去する
ために再フッ素化される。
説明されるが、これは一例として以下のようなフッ化エ
ルビウムを含む固溶体を使用する。 （１−ｘ） ＣａＦ2 −ｘＥｒＦ3 フッ化カルシュウムＣａＦ2 の初期粉末は市販のフッ化
物から調製されるが、これがフッ化物の雰囲気内におい
て使用の直前にこれが含む酸化物及び水蒸気を除去する
ために再フッ素化される。
【００２１】フッ化エルビウムＥｒＦ3 の初期粉末は市
販の酸化物Ｅｒ2 Ｏ3 から調製される。この実験的手順
は以下のようである。つまり、この酸化物がフッ素雰囲
気内で水蒸気のすべての痕跡を排除するために１００°
Ｃに加熱され、次に、ガス状ＨＦの流れの中で高周波オ
ーブン内で８００°Ｃに加熱される。
販の酸化物Ｅｒ2 Ｏ3 から調製される。この実験的手順
は以下のようである。つまり、この酸化物がフッ素雰囲
気内で水蒸気のすべての痕跡を排除するために１００°
Ｃに加熱され、次に、ガス状ＨＦの流れの中で高周波オ
ーブン内で８００°Ｃに加熱される。
【００２２】こうして得られる粉末がこれら初期粉末を
窒素雰囲気内の乾燥ボックス内で重量を計ることによっ
て決定される特定のモル分率ｘに混合される。均質化の
後に、この混合物が吸着されたガスの全ての痕跡を排除
するためにプラチナチューブ内の一次真空内で２００°
Ｃに加熱される。最後にこのチューブが密封され、１５
時間１１００°Ｃにて加熱された後に冷却(quench)され
る。チューブはこのときＣａ1-x Ｅｒx Ｆ2+x とも書く
ことができる要求される固溶体（１−ｘ）ＣａＦ2 −ｘ
ＥｒＦ3 を含む。
窒素雰囲気内の乾燥ボックス内で重量を計ることによっ
て決定される特定のモル分率ｘに混合される。均質化の
後に、この混合物が吸着されたガスの全ての痕跡を排除
するためにプラチナチューブ内の一次真空内で２００°
Ｃに加熱される。最後にこのチューブが密封され、１５
時間１１００°Ｃにて加熱された後に冷却(quench)され
る。チューブはこのときＣａ1-x Ｅｒx Ｆ2+x とも書く
ことができる要求される固溶体（１−ｘ）ＣａＦ2 −ｘ
ＥｒＦ3 を含む。
【００２３】こうして得られた固溶体を放射線結晶写真
（radiocrystallographic ）にて分析することにより、
これら初期粉末の混合物の全てが合金に変わったこと、
また、回折ピークの変位によって、モル分率ｘが事前に
選択されたものと同一であることをチェックするための
手段が得られるが、これはまた、高エネルギイオン（Ｒ
ＢＳ）の後方散乱によっても検証できる。従って、前に
説明された条件の下で得られたこの固溶体はその格子パ
ラメータがモル分率ｘと実質的に線形的に比例して増加
する単一フッ素タイプ相から成ることを検証することが
可能である。初期フッ化カルシウム格子の膨張は、主に
追加のＦ- イオンのすきまへの導入に起因し、一方、Ｃ
ａ2+イオンのより小さなＥｒ3+イオンによる置換はＣａ
Ｆ2 格子を縮める傾向を持つ。
（radiocrystallographic ）にて分析することにより、
これら初期粉末の混合物の全てが合金に変わったこと、
また、回折ピークの変位によって、モル分率ｘが事前に
選択されたものと同一であることをチェックするための
手段が得られるが、これはまた、高エネルギイオン（Ｒ
ＢＳ）の後方散乱によっても検証できる。従って、前に
説明された条件の下で得られたこの固溶体はその格子パ
ラメータがモル分率ｘと実質的に線形的に比例して増加
する単一フッ素タイプ相から成ることを検証することが
可能である。初期フッ化カルシウム格子の膨張は、主に
追加のＦ- イオンのすきまへの導入に起因し、一方、Ｃ
ａ2+イオンのより小さなＥｒ3+イオンによる置換はＣａ
Ｆ2 格子を縮める傾向を持つ。
【００２４】この方法により、そのフッ化エルビウムの
モル分率ｘが１０％より大きく、最高２０％までのＣａ
1-x Ｅｒx Ｆ2+x の固溶体が得られた。パラメータｘの
高い値に対しても、可視光を使用したカソルミネセンス
（catholuminesence）試験によると、これら固溶体から
の放射は均一であることを示すが、これは、初期成分Ｃ
ａＦ2 とＥｒＦ3 との間の相互拡散が良好であることを
示す。
モル分率ｘが１０％より大きく、最高２０％までのＣａ
1-x Ｅｒx Ｆ2+x の固溶体が得られた。パラメータｘの
高い値に対しても、可視光を使用したカソルミネセンス
（catholuminesence）試験によると、これら固溶体から
の放射は均一であることを示すが、これは、初期成分Ｃ
ａＦ2 とＥｒＦ3 との間の相互拡散が良好であることを
示す。
【００２５】単結晶半導体材料（例えば、シリコン）の
基板が脱油され（トリクロロエチレン、アセトン、メタ
ノール、トリクロロエチレン、メタノール、脱イオン
水）、酸化され（ＮＨＯ3 ）、脱酸され（ＨＦ−Ｃ2 Ｈ
5 ＯＨ、１：１０）、脱イオンされた水槽内に保持さ
れ、次に、エピタキシ反応器の準備室内に導入される
が、ここで、これらは不活性雰囲気（Ｎ2 ）内で最終的
な脱酸（ＨＦ−Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）を受ける。サンプルホル
ダ上に搭載した後に、これら基板はエピタキシチャンバ
内に移され、ここで、（３０分間９００°に加熱して）
表面再構成（surfacereconstruction）をした後に固溶
体の薄膜が堆積され、高エネルギ電子（ＲＨＥＥＤ、１
０ｋｅＶ）の回折によってモニタされる。
基板が脱油され（トリクロロエチレン、アセトン、メタ
ノール、トリクロロエチレン、メタノール、脱イオン
水）、酸化され（ＮＨＯ3 ）、脱酸され（ＨＦ−Ｃ2 Ｈ
5 ＯＨ、１：１０）、脱イオンされた水槽内に保持さ
れ、次に、エピタキシ反応器の準備室内に導入される
が、ここで、これらは不活性雰囲気（Ｎ2 ）内で最終的
な脱酸（ＨＦ−Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）を受ける。サンプルホル
ダ上に搭載した後に、これら基板はエピタキシチャンバ
内に移され、ここで、（３０分間９００°に加熱して）
表面再構成（surfacereconstruction）をした後に固溶
体の薄膜が堆積され、高エネルギ電子（ＲＨＥＥＤ、１
０ｋｅＶ）の回折によってモニタされる。
【００２６】これら薄膜が次に基板の一つの面、例え
ば、［１００］結晶面上に、例えば、以下の条件の下で
エピタキシャル成長される。固溶体を含むプラチナるつ
ぼを加熱する前の真空を３．１０-11 Torrに制限する。
成長中の基板の温度をＴS ＝４５０°Ｃにする。粉末昇
華温度を約１１００°Ｃにする。蒸気凝縮速度を（圧電
水晶結晶バランスにてモニタした場合の）ＶC ＝１０-1
ｎｍ／ｓにする。最終圧力を１０-9Torrにする。
ば、［１００］結晶面上に、例えば、以下の条件の下で
エピタキシャル成長される。固溶体を含むプラチナるつ
ぼを加熱する前の真空を３．１０-11 Torrに制限する。
成長中の基板の温度をＴS ＝４５０°Ｃにする。粉末昇
華温度を約１１００°Ｃにする。蒸気凝縮速度を（圧電
水晶結晶バランスにてモニタした場合の）ＶC ＝１０-1
ｎｍ／ｓにする。最終圧力を１０-9Torrにする。
【００２７】これら堆積物が形成された後、サンプルが
“インサイト（in situ ）”特性テストのために空中内
に取り出され、或は分析チャンバ内に搭載される。走査
電子顕微鏡による調査は、得られる薄膜は、均質で、コ
ンパクトで、また基板によく粘着することを示す。ま
た、蒸発の後にるつぼ内に集められた残留粉末のＸ−線
回折スペクトルは初期スペクトルとの明らかな変化を示
さない。昇華温度への加熱は、従って、ＲＢＳスペクト
ルから分かるように、固溶体の組成を変化させないよう
である。
“インサイト（in situ ）”特性テストのために空中内
に取り出され、或は分析チャンバ内に搭載される。走査
電子顕微鏡による調査は、得られる薄膜は、均質で、コ
ンパクトで、また基板によく粘着することを示す。ま
た、蒸発の後にるつぼ内に集められた残留粉末のＸ−線
回折スペクトルは初期スペクトルとの明らかな変化を示
さない。昇華温度への加熱は、従って、ＲＢＳスペクト
ルから分かるように、固溶体の組成を変化させないよう
である。
【００２８】最後に、４から２０％の間の置換係数（su
bstitution factor ）ｘの値と無関係に、これら薄膜は
主に以下を表わす強い蛍光によって特性化される。つま
り、可視光に対しては、 ０．４６μｍにおける 4Ｈ9/2 → 4Ｉ15/2 ０．５５μｍにおける 4Ｓ3/2 → 4Ｉ15/2 ０．６６μｍにおける 4Ｆ9/2 → 4Ｉ15/2 の遷移、そして、近赤外に対しては、 ０．９８μｍにおける 4Ｉ11/2→ 4Ｉ15/2 １．５４μｍにおける 4Ｉ15/2→ 4Ｉ15/2 の遷移にて特性化される。
bstitution factor ）ｘの値と無関係に、これら薄膜は
主に以下を表わす強い蛍光によって特性化される。つま
り、可視光に対しては、 ０．４６μｍにおける 4Ｈ9/2 → 4Ｉ15/2 ０．５５μｍにおける 4Ｓ3/2 → 4Ｉ15/2 ０．６６μｍにおける 4Ｆ9/2 → 4Ｉ15/2 の遷移、そして、近赤外に対しては、 ０．９８μｍにおける 4Ｉ11/2→ 4Ｉ15/2 １．５４μｍにおける 4Ｉ15/2→ 4Ｉ15/2 の遷移にて特性化される。
【００２９】上に説明の方法はＳｉ［１００］上の固溶
体Ｃａ1-x Ｅｒx Ｆ2+x にのみ関する。同一の結果が、 （１−ｘ）ＳｒＦ2 −ｘＥｒＦ3 ／ＩｎＰ［１００］ 或は、 （１−ｘ）（Ｓｒ1-y Ｃａy Ｆ2 ）−ｘＥｒＦ3 ／ＧａＡｓ［１００］ についても得られた。
体Ｃａ1-x Ｅｒx Ｆ2+x にのみ関する。同一の結果が、 （１−ｘ）ＳｒＦ2 −ｘＥｒＦ3 ／ＩｎＰ［１００］ 或は、 （１−ｘ）（Ｓｒ1-y Ｃａy Ｆ2 ）−ｘＥｒＦ3 ／ＧａＡｓ［１００］ についても得られた。
【００３０】本発明に従う集積光学素子構造のアプリケ
ーションが次に図２ａから図５ｂとの関連で説明され
る。
ーションが次に図２ａから図５ｂとの関連で説明され
る。
【００３１】図２ａ及び図２ｂは斜視図にて二つの集積
光学素子を示すが、これらは各々が図１のそれに類似す
る構造を持つ同一の導波路構造を持つが、これら構造
は、単結晶半導体材料基板２０上に堆積された混合希土
類（例えば、エルビウム）フッ化物の第一の固溶体の屈
折率ｎa の第一のマイクロストリップ薄膜１０ａ、前記
の第一の薄膜１０ａ上に堆積された第二の混合フッ化エ
ルビウム固溶体のｎa より大きな屈折率ｎb の第二のマ
イクロストリップ薄膜１０ｂ及びｎb よりも小さな屈折
率ｎc の第三の媒体１０ｃを持つ。図２ａ及び図２ｂの
例においては、この第三の媒体１０ｃは前記の第二の薄
膜１０ｂ上に堆積された第三の混合フッ化エルビウム固
溶体の第三のマイクロストリップ薄膜とされる。勿論、
この第三の媒体は周囲の空気であってもよい。
光学素子を示すが、これらは各々が図１のそれに類似す
る構造を持つ同一の導波路構造を持つが、これら構造
は、単結晶半導体材料基板２０上に堆積された混合希土
類（例えば、エルビウム）フッ化物の第一の固溶体の屈
折率ｎa の第一のマイクロストリップ薄膜１０ａ、前記
の第一の薄膜１０ａ上に堆積された第二の混合フッ化エ
ルビウム固溶体のｎa より大きな屈折率ｎb の第二のマ
イクロストリップ薄膜１０ｂ及びｎb よりも小さな屈折
率ｎc の第三の媒体１０ｃを持つ。図２ａ及び図２ｂの
例においては、この第三の媒体１０ｃは前記の第二の薄
膜１０ｂ上に堆積された第三の混合フッ化エルビウム固
溶体の第三のマイクロストリップ薄膜とされる。勿論、
この第三の媒体は周囲の空気であってもよい。
【００３２】これら種々の屈折率の値は各固溶体の希土
類の組成を調節することによって得られる。例えば、Ｃ
ａ1-x Ｅｒx Ｆ2+X のケースにおいては、ｘが４から２
０％に変動したとき、屈折率が１．４３から１．４７に
変化することが示された。より厳密には、これら３つの
薄膜１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが１μｍの厚さを持ち、
これらの層のモル分率ｘがそれぞれ０．０３５、０．２
００及び０．０３５である導波路構造を考えることがで
きる。基板はＳｉ、ＩｎＰ及びＧａＡｓから選択され
る。この種の導波路構造を持つ素子は少なくともエルビ
ウムの以下の波長λ1 、つまり、０．６６μｍ、０．９
８μｍ及び１．５４μｍにおいて動作する。
類の組成を調節することによって得られる。例えば、Ｃ
ａ1-x Ｅｒx Ｆ2+X のケースにおいては、ｘが４から２
０％に変動したとき、屈折率が１．４３から１．４７に
変化することが示された。より厳密には、これら３つの
薄膜１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが１μｍの厚さを持ち、
これらの層のモル分率ｘがそれぞれ０．０３５、０．２
００及び０．０３５である導波路構造を考えることがで
きる。基板はＳｉ、ＩｎＰ及びＧａＡｓから選択され
る。この種の導波路構造を持つ素子は少なくともエルビ
ウムの以下の波長λ1 、つまり、０．６６μｍ、０．９
８μｍ及び１．５４μｍにおいて動作する。
【００３３】図２ａからの光学導波路の特定の実施例に
おいては、第一、第二及び第三の薄膜１０ａ、１０ｂ及
び１０ｃはメサタイプ（台地状）のマイクロストリップ
を形成する。
おいては、第一、第二及び第三の薄膜１０ａ、１０ｂ及
び１０ｃはメサタイプ（台地状）のマイクロストリップ
を形成する。
【００３４】図２ｂに示される実施例においては、第
一、第二及び第三のマイクロストリップ膜１０ａ、１０
ｂ及び１０ｃは、前記の第一或は第三の混合希土類フッ
化物固溶体の二つのマイクロストリップ側方層１１及び
１２と共にプレーナタイプ（平面状）のマイクロストリ
ップを形成する。
一、第二及び第三のマイクロストリップ膜１０ａ、１０
ｂ及び１０ｃは、前記の第一或は第三の混合希土類フッ
化物固溶体の二つのマイクロストリップ側方層１１及び
１２と共にプレーナタイプ（平面状）のマイクロストリ
ップを形成する。
【００３５】図３ａから図４ｂは上に説明したような導
波路構造を持つ集積光学素子から成るマイクロレーザの
様々な実施例を示すが、ここでは、第一、第二及び第三
の薄膜１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが空間を形成する二つ
のミラー間に置かれる。このマイクロレーザはさらに前
記希土類を光学励起するための手段を含むが、これは、
図３ａから３ｄの例においては、例えば、０．４８８μ
ｍアルゴンレーザのような外部手段（図示せず）であ
る。
波路構造を持つ集積光学素子から成るマイクロレーザの
様々な実施例を示すが、ここでは、第一、第二及び第三
の薄膜１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが空間を形成する二つ
のミラー間に置かれる。このマイクロレーザはさらに前
記希土類を光学励起するための手段を含むが、これは、
図３ａから３ｄの例においては、例えば、０．４８８μ
ｍアルゴンレーザのような外部手段（図示せず）であ
る。
【００３６】図３ａ及び図３ｂのマイクロレーザはメサ
タイプの構造を持ち、一方、図３ｃ及び図３ｄのマイク
ロレーザはプレーナタイプの構造を持つ。
タイプの構造を持ち、一方、図３ｃ及び図３ｄのマイク
ロレーザはプレーナタイプの構造を持つ。
【００３７】ミラー１３、１４は図３ａ及び図３ｃのよ
うにこれら薄膜の外部に置くことも、或は図３ｂ及び図
３ｄに示されるようにマイクロストリップ薄膜の側面に
堆積された薄い金属膜から構成することもできる。
うにこれら薄膜の外部に置くことも、或は図３ｂ及び図
３ｄに示されるようにマイクロストリップ薄膜の側面に
堆積された薄い金属膜から構成することもできる。
【００３８】これらマイクロレーザは周囲温度にて動作
し、また放射波長λ1 （例えば、エルビウムの場合は
１．５４μｍ）は温度に関係なく一定であることに注意
する。半導体基板２０はこの例においては不活性であ
り、単に支持体として機能する。
し、また放射波長λ1 （例えば、エルビウムの場合は
１．５４μｍ）は温度に関係なく一定であることに注意
する。半導体基板２０はこの例においては不活性であ
り、単に支持体として機能する。
【００３９】他方、図４ａのマイクロレーザにおいて
は、半導体基板２０自体が電気的に制御されたダイオー
ド或はＬＥＤの形式にて励起手段を構成し、希土類がエ
ルビウムの場合、０．６６μｍ或は０．９８μｍに等し
い波長λ2 にて放射する。青い光を放射するダイオード
の０．４８８μｍ波長を使用することも可能である。一
般的に言って、波長λ2 はこの固溶体薄膜内に吸収を起
こすようなものでなければならない。
は、半導体基板２０自体が電気的に制御されたダイオー
ド或はＬＥＤの形式にて励起手段を構成し、希土類がエ
ルビウムの場合、０．６６μｍ或は０．９８μｍに等し
い波長λ2 にて放射する。青い光を放射するダイオード
の０．４８８μｍ波長を使用することも可能である。一
般的に言って、波長λ2 はこの固溶体薄膜内に吸収を起
こすようなものでなければならない。
【００４０】前記の励起手段は好ましくは表面を介して
放射を行ない、これら固溶体薄膜内に含まれる希土類不
純物を励起する。この導波路構造内において、波長λ1
（エルビウムの場合は１．５４μｍ）の光が該当する構
造内、具体的には、共振空洞を形成するように位置する
側方ミラー１３、１４でレージング(laseing) 動作を引
き起こす。
放射を行ない、これら固溶体薄膜内に含まれる希土類不
純物を励起する。この導波路構造内において、波長λ1
（エルビウムの場合は１．５４μｍ）の光が該当する構
造内、具体的には、共振空洞を形成するように位置する
側方ミラー１３、１４でレージング(laseing) 動作を引
き起こす。
【００４１】図４ｂは、図４ａに示すマイクロレーザが
半導体基板２０’上に置かれる集積素子を示すが、これ
はこのマイクロレーザと共同するように設計された他の
要素を受けることができる。
半導体基板２０’上に置かれる集積素子を示すが、これ
はこのマイクロレーザと共同するように設計された他の
要素を受けることができる。
【００４２】図５ａは、図１との関連で説明されたのと
類似する構造を持つ光学コンバータ装置の図面である。
このデバイスは、波長λ1 よりも小さい波長λ2 の放射
を生成して薄膜１０内の希土類イオンを励起し、波長λ
1 で放射を行なわせる制御手段３０を含む。図５ａの例
においては、ドライブ手段３０は０．４８８μｍにおい
て放射するレーザダイオードのような外部レーザであ
る。
類似する構造を持つ光学コンバータ装置の図面である。
このデバイスは、波長λ1 よりも小さい波長λ2 の放射
を生成して薄膜１０内の希土類イオンを励起し、波長λ
1 で放射を行なわせる制御手段３０を含む。図５ａの例
においては、ドライブ手段３０は０．４８８μｍにおい
て放射するレーザダイオードのような外部レーザであ
る。
【００４３】図５ｂに示される実施例においては、コン
バータ装置の制御手段は集積回路化された励起手段を持
つマイクロレーザの場合と同様に半導体材料の基板２０
自体から構成される。
バータ装置の制御手段は集積回路化された励起手段を持
つマイクロレーザの場合と同様に半導体材料の基板２０
自体から構成される。
【図１】本発明による集積光学素子構造の断面図であ
る。
る。
【図２】図２ａは、図１の集積光学素子と類似する構造
を持つレーザタイプ光学導波路の斜視図である。図２ｂ
は、図２ａからの光学導波路の平面的な変形例である。
を持つレーザタイプ光学導波路の斜視図である。図２ｂ
は、図２ａからの光学導波路の平面的な変形例である。
【図３】図３ａは、図１の集積光学素子と類似の構造及
び外部ミラーを持つメサ（台状）タイプのマイクロレー
ザの断面図である。図３ｂは、側方ミラーを持つ図３ａ
からのマイクロレーザの第一の変形例である。図３ｃ
は、図３ａからのマイクロレーザのプレーナ構造の第二
の変形例である。図３ｄは、側方ミラーを持つ図３ａか
らのマイクロレーザのプレーナ構造の第三の変形例であ
る。
び外部ミラーを持つメサ（台状）タイプのマイクロレー
ザの断面図である。図３ｂは、側方ミラーを持つ図３ａ
からのマイクロレーザの第一の変形例である。図３ｃ
は、図３ａからのマイクロレーザのプレーナ構造の第二
の変形例である。図３ｄは、側方ミラーを持つ図３ａか
らのマイクロレーザのプレーナ構造の第三の変形例であ
る。
【図４】図４ａは、集積された励起源を持つ図３ｄから
のマイクロレーザと類似するマイクロレーザの断面図で
ある。図４ｂは、基板上に集積された図４ａからのマイ
クロレーザの断面図である。
のマイクロレーザと類似するマイクロレーザの断面図で
ある。図４ｂは、基板上に集積された図４ａからのマイ
クロレーザの断面図である。
【図５】図５ａは、図１の集積光学素子と類似する構造
を持つ外部エミッタコンバータデバイスの断面図であ
る。図５ｂは、図５ａのコンバータデバイスが集積され
た変形例である。
を持つ外部エミッタコンバータデバイスの断面図であ
る。図５ｂは、図５ａのコンバータデバイスが集積され
た変形例である。
１０ 混合希土類フッ化物固溶体の薄膜 ２０ 半導体基板 ３０ 制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル、ムートネ フランス国プルムール、ボドゥ、イル、グ ランド（番地なし) (72)発明者 アルベール、バリエール フランス国タランス、リュ、エフ、スベ ラ、129 (72)発明者 セバスチャン、ラウー フランス国ボルドー、クール、ド、ラ、マ ルヌ、123 (72)発明者 ブリュノ、モンベリ フランス国ボルドー、リュ、ベトマン（番 地なし)
Claims (21)
- 【請求項１】希土類イオン蛍光波長λ1 にて動作するよ
うに設計された集積光学素子構造体において、この構造
体が単結晶半導体材料の基板上に堆積された （１−ｘ）（Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 ）−ｘ ＴＲＦz の構造式を持つ少なくとも一つの混合希土類フッ化物固
溶体の薄膜を持ち、ここで、Ｍ及びＭ’がアルカリ土類
イオンを表わし、ＴＲＦz が希土類フッ化物を表わし、
ｘが］０，１［の範囲内にあり、ｙが［０，１］の範囲
内にあることを特徴とする集積光学素子構造体。 - 【請求項２】前記波長λ1 がエルビウムイオンＥｒ+3の
１．５４μｍにおける 4Ｉ13/2→4Ｉ15/2への遷移を表
わすことを特徴とする請求項１の集積光学素子構造体。 - 【請求項３】希土類フッ化物ＴＲＦz のモル分率ｘが］
０，０，２］の範囲内にあることを特徴とする請求項１
或は２の集積光学素子構造体。 - 【請求項４】前記単結晶半導体材料がシリコンであるこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の
集積光学素子構造体。 - 【請求項５】前記半導体材料がIII −Ｖ属化合物である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載
の集積光学素子構造体。 - 【請求項６】集積光学素子構造体を製造するための方法
において、この方法が：アルカリ土類フッ化物Ｍ
1-y Ｍ’y Ｆ2'の初期粉末を調製するステップ、 希土類フッ化物ＴＲＦz'の初期粉末を調製するステッ
プ、 前記初期粉末を特定のモル分率ｘに混合するステップ、 前記混合物を高温に加熱することによって混合希土類フ
ッ化物固溶体（１−ｘ）（Ｍ1-y Ｍ’y Ｆ2 ）を生成す
るステップ、及び前記の単結晶半導体材料の表面上に前
記の固溶体の薄膜をエピタキシャル成長させるステップ
を含むことを特徴とする集積光学素子構造体の製造方
法。 - 【請求項７】請求項６記載の方法において、前記表面は
［１００］結晶面であることを特徴とする製造方法。 - 【請求項８】請求項１から５のいずれか一つに記載の集
積光学構造体から成る導波路構造を持つ集積光学素子に
おいて、これが屈折率ｎa の第一のマイクロストリップ
薄膜、前記単結晶半導体材料基板上に堆積された第一の
混合希土類固溶体、屈折率ｎa より大きな屈折率ｎb の
第二のマイクロストリップ薄膜、前記第一の薄膜上に堆
積された第二の混合希土類固溶体、及び屈折率ｎb より
も小さな屈折率ｎc の第三の媒体を含むことを特徴とす
る集積光学素子。 - 【請求項９】前記第三の媒体が前記第二の薄膜上に堆積
された第三の混合希土類フッ化物固溶体の第三のマイク
ロストリップ薄膜から成ることを特徴とする請求項８記
載の集積光学素子。 - 【請求項１０】前記第一、第二及び第三のマイクロスト
リップ薄膜が台地状のマイクロストリップを形成するこ
とを特徴とする請求項９記載の集積光学素子を含む光学
的導波路。 - 【請求項１１】前記第一、第二及び第三のマイクロスト
リップ薄膜が前記第一或は第三の混合希土類フッ化物固
溶体の二つのマイクロストリップ側方層と共に平面状の
マイクロストリップを形成することを特徴とする請求項
９記載の集積光学素子を含む光学的導波路。 - 【請求項１２】前記第一、第二及び第三のマイクロスト
リップ薄膜が空間を画定する二つのミラー間に置かれ、
さらに前記希土類を光学的に励起するための手段が含ま
れることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一つ
に記載の集積光学素子から成るマイクロレーザ。 - 【請求項１３】前記ミラーが前記薄膜の外側に配置され
ることを特徴とする請求項１２記載のマイクロレーザ。 - 【請求項１４】前記ミラーが前記の混合希土類フッ化物
固溶体薄膜の側面に堆積された金属膜であることを特徴
とする請求項１２記載のマイクロレーザ。 - 【請求項１５】前記希土類を光学的に励起するための光
学励起手段が前記集積光学素子の外部にあることを特徴
とする請求項１２から１４のいずれか一つに記載のマイ
クロレーザ。 - 【請求項１６】前記希土類を光学的に励起するための光
学励起手段が前記の単結晶半導体材料基板に形成される
ことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一つに
記載のマイクロレーザ。 - 【請求項１７】前記単結晶半導体材料基板が発光ダイオ
ード或はレーザダイオードであることを特徴とする請求
項１６記載のマイクロレーザ。 - 【請求項１８】請求項１から５のいずれか一つに記載さ
れた集積光学素子構造体及び波長λ1より小さな波長λ
2 の所で放射を起こす制御手段を含むことを特徴とする
光学的変換装置。 - 【請求項１９】前記制御手段が外部レーザから成ること
を特徴とする請求項１８記載の装置。 - 【請求項２０】前記制御手段が単結晶半導体材料基板に
形成されることを特徴とする請求項１８記載の装置。 - 【請求項２１】前記単結晶半導体材料基板が発光ダイオ
ード或はレーザダイオードであることを特徴とする請求
項２０記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9114303 | 1991-11-20 | ||
| FR919114303A FR2683948B1 (fr) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | Structure de composant optique integre contenant une terre rare, procede de realisation et applications. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06291404A true JPH06291404A (ja) | 1994-10-18 |
Family
ID=9419142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4310533A Pending JPH06291404A (ja) | 1991-11-20 | 1992-11-19 | 集積光学素子構造体及びその製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5319653A (ja) |
| EP (1) | EP0543725B1 (ja) |
| JP (1) | JPH06291404A (ja) |
| DE (1) | DE69211817T2 (ja) |
| FR (1) | FR2683948B1 (ja) |
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