KR101458484B1 - 라만 산란광 증강 디바이스, 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법, 및 라만 산란광 증강 디바이스를 사용한 라만 레이저 광원 - Google Patents

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Abstract

반도체 기판에 공공(20a)이 형성된 포토닉 결정(20)에 있어서 입사광에 대하여 복수의 주파수에서 공명 모드를 갖는 도파로를 구비하는 라만 산란광 증강 디바이스이며, 하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차가 상기 반도체 기판의 라만 시프트 주파수와 같게 되어 있음과 아울러, 상기 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 상기 반도체 기판의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률이 최대가 되도록 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향이 설정되어 있다.

Description

라만 산란광 증강 디바이스, 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법, 및 라만 산란광 증강 디바이스를 사용한 라만 레이저 광원{RAMAN SCATTERING PHOTOENHANCEMENT DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURING RAMAN SCATTERING PHOTOENHANCEMENT DEVICE, AND RAMAN LASER LIGHT SOURCE USING RAMAN SCATTERING PHOTOENHANCEMENT DEVICE}
본 발명은 라만 산란광 증강 디바이스이며, 특히 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정을 사용한 광도파로 또는 광공진기에 적용 가능한 라만 산란광 증강 디바이스, 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 라만 산란광 증강 디바이스를 사용한 라만 레이저 광원에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 규소로 이루어진 슬래브에 다수의 공공이 2차원적인 주기 구조를 갖도록 형성되는 슬래브형의 2차원 포토닉 결정에 있어서, 유도 라만 산란을 일으키는 것이 가능하게 형성된 라만 산란광 증강 디바이스가 개시되어 있다. 특허문헌 1의 라만 산란광 증강 디바이스는 구조 파라미터가 다른 2차원 포토닉 결정을 병설함으로써 형성되는 면 내 헤테로 구조를 가지고 있고, 이 구조 파라미터의 차이에 의해 모드 갭 차를 이용한 광 가둠을 실현한다.
특허문헌 1의 라만 산란광 증강 디바이스에서는 포토닉 결정에 형성된 선 형상의 결함으로 이루어진 도파로에 의해 구성된 광공진기를 구비하고 있고, 입사광의 파장과 대상 매질의 라만 산란광의 파장의 각각에 대한 각 공명 모드를 실현하도록 2개의 반사부가 설치되어 있다.
일본 특허공개 2008-241796호 공보
특허문헌 1에 개시된 라만 산란광 증강 디바이스에 의하면, 유도 라만 산란에 의해 발생한 라만광을 광공진기에 의해 소정 영역 내에 강하게 가둘 수 있으므로 고효율로 라만 산란광을 얻을 수 있다. 이러한 라만 산란광 증강 기술은 장래적으로는 포토닉 결정을 사용한 라만 레이저의 실현으로 이어지는 것으로서 주목을 받고 있다. 포토닉 결정을 사용한 라만 레이저는 종래의 반도체 레이저가 대응할 수 없는 파장 영역의 레이저 광을 얻을 수 있는 기술로서, 또한 규소와 같은 간접 천이형 반도체로도 레이저 광을 창출할 수 있는 기술로서 실용화가 기대되고 있지만, 일반적으로 라만 산란광의 강도는 매우 낮은 것이 알려져 있어, 특허문헌 1의 라만 산란광 증강 디바이스를 이용했다고 해도 저역치의 레이저 발진을 실현하는 것은 용이하지 않다. 따라서, 보다 강한 라만 산란광을 얻기 위한 증강 디바이스가 요구되고 있다.
그런데, 특허문헌 1과 같은 라만 산란광 증강 디바이스를 규소 기판에 있어서 제작할 경우, 벽개에 용이한 [110] 방향이나 그것과 등가인 방향을 사용하는 것이 일반적이다. 이에 대하여 본원 발명자들은, 예의 연구의 결과 라만 산란광의 강도(라만 전이확률)가 재료 기판의 결정 방위면에 의존하는 것에 주목하여, 종래 기술과 전혀 다른 새로운 시점에서 보다 강한 라만 산란광을 얻기 위한 기술을 제안하는 것이다.
본 발명의 목적으로 하는 것은, 도파로의 형성 방향을 최적화함으로써 보다 강한 라만 산란광을 얻을 수 있는 라만 산란광 증강 디바이스, 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
실시형태에 있어서, 라만 산란광 증강 디바이스는, 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정에 있어서 입사광에 대하여 복수의 주파수에서 공명 모드를 갖는 도파로를 구비한다. 그리고, 하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차가 상기 반도체 기판의 라만 시프트 주파수와 같게 되어 있음과 아울러, 상기 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 상기 반도체 기판의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률이 최대가 되도록 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향이 설정되어 있다.
실시형태에 있어서, 상기 두 개의 공명 모드는 기저 도파 모드와 제 1 여기 도파 모드이다.
실시형태에 있어서, 상기 반도체 기판은 규소이며, 또한 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향은 상기 규소의 결정 방위 [100] 방향 또는 이것과 등가인 면방위이다.
실시형태에 있어서, 상기 포토닉 결정에 형성된 선 형상의 결함으로 이루어진 도파로에서 상기 도파로 도중에서 광 전파 파장의 대역을 옮기도록 주위의 포토닉 결정의 구조를 변화시킨 한 쌍의 광 반사면을 갖는 광공진기를 구비한다.
실시형태에 있어서, 상기 한 쌍의 광 반사면은 기저 도파 모드의 광과 제 1 여기 도파 모드의 광 양쪽을 반사한다.
실시형태에 있어서는, 라만 레이저 광원은 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정에 있어서 입사광에 대하여 복수의 주파수에서 공명 모드를 갖는 도파로를 구비하는 라만 산란광 증강 디바이스이며, 하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차가 반도체 기판의 라만 시프트 주파수와 같게 되어 있음과 아울러, 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 반도체 기판의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률이 최대가 되도록 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 도파로의 형성 방향이 설정되고, 포토닉 결정에 형성된 선 형상의 결함으로 이루어진 도파로에 있어서 상기 도파로의 도중에 광 전파 파장의 대역을 옮기도록 주위의 포토닉 결정의 구조를 변화시킨 한 쌍의 광 반사면을 갖는 광공진기를 구비하고, 한 쌍의 광 반사면은 기저 도파 모드의 광과 제 1 여기 도파 모드의 광 양쪽을 반사하는 라만 산란광 증강 디바이스와, 제 1 여기 도파 모드의 광을 출력하는 여기광 광원을 갖고, 여기광 광원이 출력하는 제 1 여기 도파 모드의 광은 라만 산란광 증강 디바이스의 광공진기에 입력된다.
실시형태에 있어서, 여기광 광원은 레이저 광원이면 좋다.
실시형태에 있어서, 여기광 광원은 발광 다이오드이면 좋다.
실시형태에 있어서, 여기광 광원은 포토닉 결정이 형성된 반도체 기판에 형성되면 좋다.
실시형태에 있어서, 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법은 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정에 있어서 입사광에 대하여 복수의 주파수에서 공명 모드를 갖는 도파로를 구비하는 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법이다. 그리고, 상기 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법은 하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차를 상기 반도체 기판의 라만 시프트 주파수와 같게 하도록 상기 포토닉 결정의 공공의 크기나 배치를 설정하는 단계와, 상기 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 상기 반도체 기판의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률이 최대가 되도록 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향을 설정하는 단계를 구비한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 도파로의 형성 방향을 최적화함으로써 보다 강한 라만 산란광을 얻을 수 있고, 라만 레이저의 연속 발진, 사이즈 최소화, 전력 절약화, 대량 생산 가능에 의한 저비용화를 실현하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시형태의 광공진기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 2차원 포토닉 결정의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 2차원 포토닉 결정의 중앙 부분을 확대하여, 그 도파 모드의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 2차원 포토닉 결정에 형성되는 2개의 도파 모드(준위)에 의한 공진 모드의 전자계의 형상을 나타내는 도면이고, 도 4(a)~도 4(c)는 여기광을 가두는 제 1 여기 도파 모드의 전자계의 형상, 도 4(d)~도 4(f)는 라만 산란광을 가두는 기저 도파 모드의 전자계의 형상을 나타내고 있다.
도 5는 2차원 포토닉 결정의 제조 방법을 나타내는 프로세스 도면이다.
도 6은 규소(SOI) 기판에 있어서의 면방위를 설명하는 도면이다.
도 7은 도파로의 형성 방향이 [100]인 경우의 라만 텐서를 나타내는 도면이다.
도 8은 도파로의 형성 방향이 [110]인 경우의 라만 텐서를 나타내는 도면이다.
도 9는 라만 전이확률의 역수와 도파로의 형성 각도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 제 1 여기 도파 모드용의 도파로와 기저 도파 모드용의 도파로를 라만 산란광을 증폭하는 소자인 미소 공진기를 형성하는 도파로에 병렬해서 제작한 샘플을 나타내는 도면이다.
도 11은 여기 모드를 외부 광원을 이용하여 여기한 때에 라만 모드에서 방출 된 라만 산란광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 12는 다른 실시형태의 라만 산란광 증강 디바이스의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 또 다른 실시형태의 라만 산란광 증강 디바이스의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는 라만 레이저 광원에 입력되는 펌프광의 파워와, 라만 레이저 광원으로부터 출력되는 유도 라만 산란광의 파워 관계를 나타내는 그래프이다.
[실시형태 1]
이하, 첨부의 도면을 참조하여 라만 산란광 증강 디바이스의 일례로서 광공진기(100)를 설명한다.
[1. 광공진기의 구성]
도 1은 2차원 포토닉 결정(20)을 사용한 광공진기(100)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 2차원 포토닉 결정(20)은 규소에 다수의 공공(20a)이 배열된 구조로 되어있다. 광공진기(100)는 레이저 다이오드(LD)(10)로부터 렌즈 파이버(11)를 지나서 출사된 레이저 광(파장은 1435㎚)이 입광기(12)로부터 입력 도파로(13)에 입사되면, 출력 도파로(15)를 지나서 새로운 파장의 레이저 광(파장은 약 1550㎚)이 출광기(30)에 의해 집광되어서 렌즈 파이버(31)로 유도되는 구성으로 되어 있다.
도 2에 확대해서 나타내는 바와 같이, 2차원 포토닉 결정(20)은 슬래브형의 규소 기판에 있어서 공공(20a)이 주기적으로 형성된 구조이다. A 방향으로부터 입력 도파로(13)에 여기용의 레이저 광이 입사되면, 도면 중앙의 미소 공진기(14)에 있어서 유도 라만 산란에 의해 파장 변환이 이루어지고, 출력 도파로(15)를 지나서 새로운 파장의 레이저 광이 B 방향에서 출사된다. 2차원 포토닉 결정(20)에 있어서의 공공(20a)의 간격은 미소 공진기(14)의 근방 영역을 제외하고 약 400㎚로 되어 있는 반면, 미소 공진기(14)의 근방 영역에서는 모드 갭 차를 이용한 광 가둠이 실현되도록 공공의 위치가 미조정되어 있다.
즉, 2차원 포토닉 결정(20)에 있어서 광 공진은 포토닉 결정에 형성된 선 형상의 결함으로 이루어지는 도파로에 의해 실현되고, 이 도파로의 도중에서 전파 파장의 대역을 옮기도록 주위의 포토닉 결정의 구조를 변화시키고, 한 쌍의 광 반사면을 설치함으로써 실현되어 있다. 구체적으로는, 광 반사면 영역의 포토닉 결정의 공공의 크기를 변화시키거나, 공공의 위치나 간격을 약간 변화시키거나(예를 들면 도파로에 가깝게 하거나, 멀게하거나) 함으로써 주위의 포토닉 결정의 구조를 변화시킬 수 있다.
도 3은 2차원 포토닉 결정(20)의 미소 공진기(14) 근방에 있어서의 포토닉 결정 구조를 확대하고, 그 공명 모드의 형상을 나타내는 것이다. 공명 모드의 주파수는 유효 굴절률에 의존하므로, 도 3에 나타내는 바와 같이 2차원 포토닉 결정(20)에서는 미소 공진기(14) 근방의 공공 위치에 모듈레이션이 가해져 있고, 공공의 간격은 410㎚, 420㎚, 410㎚로 영역마다 변화시킨 헤테로 구조로 되어 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 이러한 모듈레이션을 가한 영역에는 보다 높은 에너지 준위인 「여기 모드」(제 1 여기 도파 모드)와 그 준위로부터 15.6㎔(규소의 라만 시프트 주파수)만큼 낮아진 에너지 준위인 「라만 모드」(기저 도파 모드)가 존재하고 있고, 각각의 에너지 준위에 있어서 우물형 퍼텐셜이 형성되어 있다.
이 우물형 퍼텐셜에 의해 광의 가둠이 발생하지만, 상술한 에너지 준위는 도 3의 좌측 영역(파수 공간에서의 밴드 도면)에 나타내어져 있는 바와 같이 주파수를 세로축으로, 파수 벡터를 가로축으로 했을 때 「여기 모드」(제 1 여기 도파 모드)는 수직 방향의 자장 성분의 패리티가 도파로 중심축에 대하여 홀수, 「라만 모드」(기저 도파 모드)는 수직 방향의 자장 성분의 패리티가 짝수로 되어 있다.
2차원 포토닉 결정(20)에서는 도파로 주변의 각 공공(20a)의 위치나 지름을 미조정함으로써, 기저 도파 모드와 제 1 여기 도파 모드의 각 주파수를 각각 조정하여 여기광과 라만 산란광의 공진에 사용할 수 있게 설계되어 있다. 예를 들면, 도파로 주변의 각 공공(20a)의 위치를 약간 도파로에 가깝게 하거나, 멀게 하거나, 공공(20a)끼리의 간격을 변화시키거나, 공공(20a)의 지름의 크기를 변화시키거나 한다. 또한, 이러한 미조정을 실제로 행할시에는 공공의 지름을 조금씩 변화시킨 샘플을 다수 제작하여, 기저 도파 모드와 제 1 여기 도파 모드의 주파수 차가 라만 시프트 주파수에 일치하는 샘플을 골라내는 방법이 비교적 간편하다.
본 실시형태의 2차원 포토닉 결정(20)에서는 생성된 라만 산란광을 외부로 놓치지 않고 효율적으로 가둬 이용할 수 있도록, 특허문헌 1과 같이 반사부를 2세트 설치하지 않고 1세트의 반사부에 의해 여기광과 라만 산란광의 양쪽을 반사하는 구성을 채용하고 있다. 이것에 의해, 여기광과 라만 산란광의 공간적 중첩이 커져, 여기광과 라만 산란광의 도파 모드의 Q값을 각각 100만 이상이라는 매우 높은 값으로 하는 것이 가능해진다. 또한, 주파수 차 15.6㎔를 상기 이점을 손상시키지 않고, 광통신 파장대(1.3~1.6마이크로미터) 전체에 있어서 용이하게 실현할 수 있다는 이점, 즉 높은 파장 설계 자유도를 구비하고 있다.
도 4는 2차원 포토닉 결정(20)에 형성되는 2개의 도파 모드(준위)에 있어서의 전자계의 형상을 도시한 것이며, 색이 짙은 부분은 전자계가 강한 것을 나타내고 있다. 도 4(a)~도 4(c)는 여기광을 가두는 제 1 여기 도파 모드의 전자계의 형상을 나타내는 도면이고, 각각 전장 성분 Ex[도 4(a)], 전장 성분 Ey[도 4(b)], 자장 성분 Hz[도 4(c)]를 나타내고 있다. 그리고, 도 4(d)~도 4(f)는 여기광보다 에너지가 낮은 라만 산란광을 가두는 기저 도파 모드의 전자계의 형상을 나타내는 도면이며, 각각 전장 성분 Ex[도 4(d)], 전장 성분 Ey[도 4(e)], 자장 성분 Hz[도 4(f)]를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 제 1 여기 도파 모드와 기저 도파 모드에서는 공간 대상성이 달라, 제 1 여기 도파 모드는 수직 방향의 자장 성분의 패리티가 도파로 중심축에 대하여 홀수, 기저 도파 모드는 수직 방향의 자장 성분의 패리티가 짝수로 되어 있다.
[2. 2차원 포토닉 결정의 제조 방법]
이어서, 도 5를 이용하여 2차원 포토닉 결정(20)의 제조 방법에 대하여 설명해 둔다. 후술하는 바와 같이, 본 실시형태에서는 제 1 여기 도파 모드와 기저 도파 모드를 이용하여 도파로의 형성 방향이 규소의 결정 방위면 [100] 방향이 되도록 2차원 포토닉 결정(20)을 제작한다.
우선, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 Si층(51), SiO2층(52), Si층(53)으로 이루어진 적층 기판(SOI 기판)을 세정한다. 이어서, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 그 적층 기판 상에 레지스트층(54)을 도포하고, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이 전자선 묘화를 행한다. 이어서, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이 현상하고 레지스트층(54)에 공공을 형성한 상태에서, 도 5(e)에 나타내는 바와 같이 ICP 에칭을 행하여 레지스트층(54)의 공공 패턴을 Si층(53)에 전사한다. 이어서, 도 5(f)에 나타내는 바와 같이 표면 세정을 행한 후, 도 5(g)에 나타내는 바와 같이 필요에 따라 Si층(51)의 기판 연마를 행한다. 마지막으로, 도 5(h)에 나타내는 바와 같이 불산으로 SiO2층(52)을 에칭하여 2차원 포토닉 결정(20)을 완성한다.
[3. 라만 산란광의 강도 향상]
도 6은 규소(SOI) 기판에 있어서의 면방위를 설명하는 도면이다. [110] 방위와 [010] 방위 사이에는 45도의 각도 차이가 있다. [110] 방위에는 오리엔테이션 플랫이 형성되어져 있다. 종래, 도파로 구조 내지 광 공진 구조를 제작할 경우에는 벽개에 의해 도파로 끝면을 제작하는 것이 용이한 [110] 방위에 형성되는 것이 일반적이었다.
이에 대하여, 본원 발명자들은 예의 연구의 결과 라만 산란광의 강도를 결정하는 라만 텐서는 결정의 면방위에 의해 값이 변화하는 것에 주목하여, 종래 기술과 전혀 다른 새로운 시점에서 보다 강한 라만 산란광을 얻기 위한 기술을 제안하는 것이다.
본 실시형태에 있어서의 라만 산란광의 증강은 여기 모드의 공명 주파수와 라만 모드의 공명 주파수의 주파수 차를 규소의 라만 시프트 주파수(15.6㎔)에 일치시키는 것을 전제로 하면서, 이들 2개의 공명 모드의 공간 대칭성과 규소의 라만 텐서를 고려하여 여기 모드와 규소의 포논이 상호작용해서 발생하는 라만 산란의 전자계 분포를 공명 모드의 전자계 분포와 잘 일치시킴으로써 실현된다.
환언하면, 본 실시형태는 하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차가 규소의 라만 시프트 주파수와 같게 되어 있다. 그리고, 본 실시형태는 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 규소의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률(g)이 최대가 되도록 규소의 결정 방위면에 있어서의 도파로의 형성 방향을 설정하는 것이다.
이 라만 전이확률(g)은 다음 식(1)의 적분식에 비례한다.
Figure 112014065485647-pct00001
식(1)에 있어서, Eraman은 라만 모드의 전자계 분포를 나타내고, Epump는 여기 모드의 전자계 분포를 나타낸다. Rij는 라만 텐서를 나타내고 있다. Eraman, Epump는 도파로를 제작하는 결정의 방위에 대하여 불변이지만, 라만 텐서는 변화한다.
강한 라만 산란광을 얻기 위해서는 식(1)의 값을 크게 할 필요가 있지만, 그것을 위해서는 적어도 라만 산란광의 전자계 분포와 라만 모드의 전자계 분포의 공간 대칭성(짝수인가 홀수인가)이 일치할 필요가 있다. 그러므로, 선택하는 공명 모드의 조합에는 라만 텐서에 맞춰서 알고리즘적인 선택칙이 생각된다. 본 실시형태는 이러한 선택칙에 따라서 라만 산란광의 강도가 강해지는 공명 모드의 조합을 추출하는 것이다.
우선, 일반적으로 고찰하면 공명 모드는 x방향의 대칭성이 짝수이고 y방향의 대칭성이 짝수인 타입(타입A), x방향의 대칭성이 홀수이고 y방향의 대칭성이 홀수인 타입(타입B), x방향의 대칭성이 짝수이고 y방향의 대칭성이 홀수인 타입(타입C), x방향의 대칭성이 홀수이고 y방향의 대칭성이 짝수인 타입(타입D)의 4타입으로 분류된다.
그리고, 여기 모드와 규소의 포논의 상호작용에 의해 발생하는 라만 산란의 전계 분포의 공간 대칭성을 생각한다. 규소의 포논은 [001] 방향, [010] 방향, [100] 방향으로 진동하는 3종류가 존재하고 있다.
규소에 있어서 [100] 방향과 [110] 방향은 45°의 회전각의 차이가 있다. 그리고 [100] 방향과 [110] 방향의 중간 각도의 방향에 있어서는, 식(1)의 적분식의 크기는 [100] 방향과 [110] 방향이 중첩되게 되므로 반드시 [100] 방향이나 [110] 방향 중 어느 하나에서 식(1)은 극대값을 갖는다.
따라서 식(1)의 값, 즉 라만 산란광의 강도를 최대화하기 위해서는 도파로의 형성 방향을 [100] 방향으로 한 경우의 라만 전이확률(g)과, 도파로의 형성 방향을 [110] 방향으로 한 경우의 라만 전이확률(g)을 비교하여 라만 전이확률(g)이 보다 높은 방향을 채용하면 된다.
도파로의 형성 방향이 [100] 방향인 경우의 규소의 라만 텐서는 도 7과 같이 표현된다. 본 실시형태에서는 여기 모드와 라만 모드의 편광은 2차원 포토닉 결정의 면 내에서 평행인 것만을 생각하고 있으므로, 도 7 중 Rij (1)의 라만 텐서에 의한 영향만이 결과적으로 중요해진다. 그러면, 식(1)의 적분식은 다음과 같이 변환된다.
Figure 112014065485647-pct00002
즉, 도파로의 형성 방향이 규소의 결정 방위 [100] 방향(또는 이것과 등가인 [010] 방향, [-100] 방향 등)을 향하고 있는 경우에는 라만 모드의 전자계 분포의 공간 대칭성은 여기 모드의 x방향의 대칭성과 y방향의 대칭성의 홀짝이 교체된 것이 된다.
따라서, 도파로의 형성 방향이 규소의 결정 방위 [100] 방향을 향하고 있을 경우, 라만 산란광이 증강할 수 있는 여기 모드와 라만 모드의 조합은 상기 타입A-상기 타입B, 상기 타입B-상기 타입A, 상기 타입C-상기 타입D, 상기 타입D-상기 타입C의 4가지만이 된다. 그 이외의 조합에서는 식(2)의 적분값은 0이 되기 때문이다.
이에 대하여, 도파로의 형성 방향이 [110] 방향인 경우의 규소의 라만 텐서는 도 8과 같이 표현된다. 본 실시형태에서는 여기 모드와 라만 모드의 편광은 2차원 포토닉 결정의 면 내에서 평행인 것만을 생각하고 있으므로, 도 8 중 Rij (1)의 라만 텐서에 의한 영향만이 결과적으로 중요해진다. 그렇다면, 식(1)의 적분식은 다음과 같이 변환된다.
Figure 112014065485647-pct00003
식(3)으로부터는, 도파로의 형성 방향이 규소의 결정 방위 [110] 방향을 향하고 있을 경우 라만 산란광이 증강할 수 있는 여기 모드와 라만 모드의 조합은 상기 타입A-상기 타입A, 상기 타입B-상기 타입B, 상기 타입C-상기 타입C, 상기 타입D-상기 타입D의 4가지만이 된다. 그 이외의 조합에서는 식(3)의 적분값은 0이 되기 때문이다.
이들 점으로부터, 물질 고유의 라만 텐서를 고려하여 라만 산란 증강에 사용하는 공명 모드를 적확하게 선택하고, 결정 방위면에 있어서의 도파로의 형성 방향을 설정하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다. 이러한 고찰은, 유도 라만 산란 증폭 광 파이버의 지견으로부터 용이하게 얻어지는 것은 아니다. 왜냐하면, 어모퍼스 구조를 갖는 광 파이버와 단결정으로 이루어진 규소 등에서는 라만 텐서의 형식이 전혀 다르기 때문이다.
정리하면, 2차원 포토닉 결정(20)을 사용한 라만 산란의 증폭에 사용하는 2개의 공명 모드는 첫째로 포논 주파수(라만 시프트 주파수)에 일치하는 적절한 주파수 차(규소이면 15.6㎔)를 가져야 한다. 또한, 전자계 분포가 적절한 공간 대칭성을 가지고, 적절한 결정 방위로 제작되어야 한다. 또한, 식(1)의 적분값이 커지는 조합을 선택할 필요가 있다. 또한, 공진기 구조에서 강한 라만 산란광을 얻거나, 낮은 역치로 레이저 발진을 실현하거나 하기 위해서는 Q값이 높은 모드를 실현 가능한 것도 요망된다.
이들의 요청을 전부 충족시키는 최적의 공명 모드쌍의 일례가, 여기 모드로서 제 1 여기 도파 모드, 라만 모드로서 기저 도파 모드를 선택하고, 도파로의 형성 방향을 규소의 결정 방위 [100]으로 하는 조합이다. 제 1 여기 도파 모드의 전장 성분 Ex는 x방향과 y방향에 대하여 짝수의 대칭성을 가지고(상기 타입A), 기저 도파 모드의 전장 성분 Ex는 x방향과 y방향에 대하여 홀수의 대칭성을 가지고 있으므로(상기 타입B), 상기 조합은 도파로를 규소의 결정 방위 [100] 방향에 형성하면 식(1)의 적분식[라만 전이확률(g)]이 커지는 조합에 상당한다.
이에 반해, 도파로를 규소의 결정 방위 [110] 방향에 형성하는 공명 모드의 조합은 불리하다. 왜냐하면, 이 경우 상술한 바와 같이 공명 모드의 조합은 상기 타입A-상기 타입A, 상기 타입B-상기 타입B, 상기 타입C-상기 타입C, 상기 타입D-상기 타입D의 4가지 중 어느 하나가 아니면 라만 산란광의 강도는 커지지 않는다. 그러나, 타입A의 홀수 모드는 분산 곡선이 평평하기 때문에 15.6㎔의 주파수 차를 홀수 모드끼리로 실현하는 것은 어려운 한편, 짝수 모드는 넓은 주파수 범위에 존재하고 있지만 선 결함 영역으로부터 수직 방향으로 광을 놓치기 어려운 파수가 큰 영역을 사용하면 규소의 흡수를 무시할 수 있는 1200㎚보다 장파로 실현하는 것이 어렵고, 또한 파수가 크게 벗어나 있는 2점을 사용하면 식(1)의 적분값이 작아져버린다.
따라서, 규소의 라만 주파수(주파수 차)가 15.6㎔인 것, 그리고 파수의 중첩을 생각하면 상술한 바와 같이 여기 모드로서 제 1 여기 도파 모드[도 4(a) 참조], 라만 모드로서 기저 도파 모드[도 4(b) 참조]를 사용하는 것이 최적이 된다. 이 조합에 의하면, 도 3과 같은 구조에서 높은 Q값을 얻을 수 있다.
이 조합에 있어서, 라만 전이확률(g)의 역수(VSRS)와 도파로의 형성 각도의 관계를 나타내는 그래프가 도 9이다. 도 9를 참조하면, 도파로의 형성 각도가 규소의 결정 방위 [100] 방향이나 그것과 등가인 방향일 경우에는 라만 전이확률(g)의 역수(VSRS)가 작아지는[즉 라만 전이확률(g)이 커지는] 반면, 도파로의 형성 각도가 규소의 결정 방위 [110] 방향이나 그것과 등가인 방향일 경우에는 라만 전이확률(g)의 역수(VSRS)가 커지는[즉 라만 전이확률(g)이 작아지는] 것이 판독된다.
[4. 실제 샘플 제작]
도 10에, 규소의 결정 방위 [100]에 제 1 여기 도파 모드용과 기저 도파 모드용 각각의 도파로를 설치해서 제작한 2차원 포토닉 결정(30)의 개략도를 나타낸다. 2차원 포토닉 결정(30)에서는 15.6㎐ 차를 얻을 수 있는 예시적 설계로서 격자정수(a)를 410㎚, 공공의 지름(r)을 130㎚, 규소 기판 두께(d)를 220㎚로 했다.
이 2차원 포토닉 결정(30)의 제 1 여기 도파 모드와 기저 도파 모드의 계산에 의한 이상적인 Q값은 제 1 여기 도파 모드가 150만, 기저 도파 모드가 1500만 정도이며, 규소의 라만 시프트 15.6㎔ 차를 실현할 수 있는 선택 모드로서는 가장 Q값이 높아지는 조합이라고 생각된다. 발명자들은 2차원 포토닉 결정(30)을 실제로 제작한 Q값의 실험값으로서 제 1 여기 도파 모드에서 20만, 기저 도파 모드에서 300만의 값을 얻었다. 이것을 상회하는 값은 보고되어 있지 않다.
2차원 포토닉 결정(30)에 관한 식(1)의 적분값[라만 전이확률(g)]은 공공을 고려해서 60% 정도가 되고, 이 라만 전이확률(g)은 고려되는 공명 모드의 조합 중에서 가장 높다고 생각된다. 실제로, 규소의 결정 방위 [100] 방향에 도파로를 설치한 2차원 포토닉 결정 쪽이 규소의 결정 방위 [110] 방향에 도파로를 설치한 2차원 포토닉 결정보다 라만 산란광의 강도가 높은 것을 확인했다.
2차원 포토닉 결정(30)에 여기광을 입사하고, 그 스펙트럼(노광 시간 120초)을 조사한 결과가 도 11이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 종전과 비교하여 매우 강한 라만 산란광의 피크가 얻어졌다. 입사광(여기 모드)의 파장이 1415㎚인 것에 반해, 라만 시프트 15.6㎔를 지난 라만 산란광(라만 모드)의 파장은 1525㎚이다.
[5. 효과]
본 실시형태의 라만 산란광 증강 디바이스의 효과를 정리하면 다음과 같다. 본 실시형태의 라만 산란광 증강 디바이스에 의하면, 여기광으로부터 발생한 라만광을 효과적으로 증강할 수 있으므로 종래보다 강한 라만 산란광이 얻어진다. 그리고, 강한 라만 산란광이 얻어지므로 전력 절약 라만 레이저의 실현으로 이어진다. 또한 종래 기술과 달리, 라만 레이저의 연속 발진을 실현할 수 있는 가능성이 높아진다. 또한, 집적성이 뛰어나고, 제작이 용이하여 저비용으로 실현할 수 있다. 또한, 여기광에 의해 발생한 자유 캐리어의 캐리어 수명이 짧아지는 것을 기대할 수 있다.
[다른 실시형태]
실시형태의 일례로서, 실시형태 1을 설명했다. 그러나, 실시형태는 이것들에는 한정되지 않는다. 이하는, 그 이외의 실시형태에 관한 것이다.
도 1에는 2차원 포토닉 결정(20)을 사용한 광공진기(100)의 개략적인 구성을 나타냈지만, 도 12에 나타내는 바와 같이 광공진기(200)는 포토닉 결정과 동일 기판에 반도체 레이저를 설치한 일체형 구성으로 해도 된다. 광공진기(200)에 있어서 2차원 포토닉 결정(40)은 동일 기판 상에 제작된 레이저 다이오드(LD)(110)로부터 출사된 레이저 광이 직접 입력 도파로(111)에 입사되면, 출력 도파로(112)를 지나서 새로운 파장의 레이저 광이 출광기(120)에 의해 집광되고 렌즈 파이버(121)로 유도되는 구성으로 되어 있다. 또한, 레이저 다이오드(110)에서는 P접합(113)과 N접합(114)이 전원(115)을 통해서 접속된 구성으로 되어 있다. 또는, 규소 상에 화합물 반도체 레이저를 부착해서 레이저 다이오드와 포토닉 결정을 일체화할 수도 있다.
또한, 도 13에 라만 산란광 증강 디바이스의 다른 실시형태로서 광증폭기(300)를 나타낸다. 광증폭기(300)는 규소의 결정 방위 [100] 방향에 도 3의 좌측 영역에서 나타낸 바와 같은 밴드 구조를 가지는 공진기를 구비하지 않은 도파로 구조를 갖고 있고, 이 도파로에 여기광을 도입하기 위한 여기용 도파로를 설치한 2차원 포토닉 결정(50)을 사용함으로써 상술한 식(1)의 적분값[라만 전이확률(g)]을 높게 해 강한 유도 라만 산란에 의한 광증폭을 얻을 수 있다.
또한, 상술한 실시형태로서는 포토닉 결정을 제작하는 반도체의 예로서 규소를 들었지만 반도체의 예는 이것에 한정되는 것은 아니고, 규소와 같은 결정 구조를 가지는 게르마늄이나 다이아몬드 등을 사용할 수도 있다. 또한, 규소나 게르마늄에 적당한 도핑을 실시해도 된다.
[라만 레이저 광원]
발명자는 도 1에 나타낸 구성에 있어서 유도 라만 산란광의 연속 발진에 성공했다. 도 14는 도 1에 있어서의 LD10으로부터 광공진기(100)에 입력되는 여기광(펌프광)의 파워(가로축)와, 공진기(100)로부터 출력되는 유도 라만 산란광(이하, 「라만 레이저 광」이라고 칭한다)의 파워의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한 이때 사용한 여기광은, 스펙트럼의 피크를 파장 1425㎚에 갖는 레이저 광(cw)이다.
도 14로부터 명확한 바와 같이, 광공진기(100)에 입력되는 여기광의 파워가 약 1㎼를 초과한 시점에서부터 라만 레이저 광(파장 1540㎚)의 파워가 급격하게 증대하고 있다. 즉, 도 1에 나타낸 구성에 있어서는 라만 레이저 광의 연속 발진은 약 1㎼라는 매우 낮은 역치에서 실현된다.
연속 발진을 실현하는데 필요한 여기광의 역치(도 14에 있어서의 약 1㎼)는 광공진기(100)의 여기광 및 라만 산란광에 대한 Q값의 고저에 의해 변화하지만, 광공진기(100)에 있어서의 여기광(제 1 여기 도파 모드)에 대한 Q값이 약 10만(이상), 라만 산란광(기저 도파 모드)에 대한 Q값이 약 100만(이상)인 경우, 광공진기(100)의 라만 레이저 광의 연속 발진의 역치는 여기광 파워로 해서 약 1㎼이다.
이와 같이, 광공진기(100)에서는 입력되는 여기광(cw, 중심 파장 1425㎚)의 파워가 약 1㎼를 초과하면 유도 라만 산란광의 레이저 발진이 발생한다. 그리고 광공진기(100)로부터는 중심 파장 1540㎚를 갖는 라만 레이저 광이 출력된다. 이렇게 광공진기(100)에 있어서는 레이저 발진의 역치가 1㎼라는 매우 낮은 값에서 실현되는 것은, 광공진기(100)를 공진기로서 사용해서 라만 레이저 광원을 구성하려고 할 경우에 여기광 광원의 선택에 종래 이상의 자유도를 주는 점에서 매우 유리하다.
예를 들면, 발광 다이오드(LED)는 레이저 광원과 비교해서 넓은 스펙트럼 특성을 갖지만, 광공진기(100)를 공진기로서 사용하는 라만 레이저 광원에 있어서는 LED를 펌프광 광원(여기광 광원)으로서 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 여기광 광원으로서의 LED와 광공진기(100)로 라만 레이저 광원을 실현할 수 있다. 상술한 예와 같이, 광공진기(100)의 여기광(제 1 여기 도파 모드)에 대한 Q값이 약 10만(이상), 라만 산란광(기저 도파 모드)에 대한 Q값이 약 100만(이상)이면, LED로부터 광공진기(100)에 입력되는 비교적 넓은 대역을 갖는 여기광 중 파장(1425㎚)을 중심으로 선폭 플러스마이너스 약 5pm의 범위(약 1424.995㎚~1425.005㎚의 범위)에 포함되는 여기광의 파워가 1㎼를 초과하면, 광공진기(100)에 유도 라만 산란광에 의한 레이저 발진이 발생하고, 라만 레이저 광이 출력된다.
즉, 광공진기(100)는 라만 레이저 광원의 공진기로서 이용할 수 있다. 이때, 여기광 광원은 광공진기(100)의 여기 모드(제 1 여기 도파 모드)에 상당하는 파장을 갖는 광을 여기광으로서 광공진기(100)에 입력하는 광원이면 된다. 그리고, 광공진기(100)는 레이저 발진의 역치가 약 1㎼로 매우 낮기 때문에 여기광 광원에는, 예를 들면 레이저 광원 외에 발광 다이오드(LED)를 사용할 수 있고, 또한 이것에 한정되지 않는다.
또한, 라만 레이저 광원은 광공진기(100) 대신에 광공진기(200)(도 12)를 구비해도 된다. 이때, 라만 레이저 광원의 여기광 광원은 광공진기(200)가 형성되는 포토닉 결정과 동일한 기판에 일체적으로 구성되어도 된다. 이 일체적으로 구성되는 여기광 광원은 상술한 레이저 다이오드(LD)(110), 화합물 반도체 레이저 외에 발광 다이오드여도 된다. 발광 다이오드는 규소 LED, 화합물 반도체 LED 등이면 좋다. 이렇게, 광공진기(200)를 갖는 라만 레이저 광원은 여기광 광원을 포토닉 결정과 동일한 기판에 구비한, 전류 주입형 규소 라만 레이저 광원이다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명의 라만 산란광 증강 디바이스, 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법은 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정을 사용함으로써 최소화, 전력 절약화, 연속 발진이 가능하고, 또한 제작이 용이하고 저비용이기 때문에 고기능 LSI로서 전기 전자 분야의 IT 기기를 중심으로 많은 분야에서 적절하게 적용할 수 있다.
10 : 레이저 다이오드 11 : 렌즈 파이버
12 : 입광기 13 : 입력 도파로
14 : 미소 공진기 15 : 출력 도파로
20 : 2차원 포토닉 결정 20a : 공공
30 : 출광기 31 : 렌즈 파이버
100 : 광공진기

Claims (10)

  1. 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정에 있어서 입사광에 대하여 복수의 주파수에서 공명 모드를 갖는 도파로를 구비하는 라만 산란광 증강 디바이스로서,
    하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차가 상기 반도체 기판의 라만 시프트 주파수와 같게 되어 있음과 아울러,
    상기 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 상기 반도체 기판의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률이 최대가 되도록 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 라만 산란광 증강 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개의 공명 모드는 기저 도파 모드와 제 1 여기 도파 모드인 것을 특징으로 하는 라만 산란광 증강 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 규소이며, 또한 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향은 상기 규소의 결정 방위 [100] 방향 또는 이것과 등가인 면방위인 것을 특징으로 하는 라만 산란광 증강 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토닉 결정에 형성된 선 형상의 결함으로 이루어지는 상기 도파로에 있어서 상기 도파로의 도중에 광 전파 파장의 대역을 옮기도록 주위의 포토닉 결정의 구조를 변화시킨 한 쌍의 광 반사면을 갖는 광공진기를 구비하는 것을 특징으로 하는 라만 산란광 증강 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 광 반사면은 기저 도파 모드의 광과 제 1 여기 도파 모드의 광 양쪽을 반사하는 것을 특징으로 하는 라만 산란광 증강 디바이스.
  6. 라만 레이저 광원으로서,
    제 5 항에 기재된 라만 산란광 증강 디바이스와,
    상기 제 1 여기 도파 모드의 광을 출력하는 여기광 광원을 갖고,
    상기 여기광 광원이 출력하는 제 1 여기 도파 모드의 광은 상기 라만 산란광 증강 디바이스의 상기 광공진기에 입력되는 것을 특징으로 하는 라만 레이저 광원.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 여기광 광원은 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 라만 레이저 광원.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 여기광 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 라만 레이저 광원.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 여기광 광원은 상기 포토닉 결정이 형성된 상기 반도체 기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 라만 레이저 광원.
  10. 반도체 기판에 공공이 형성된 포토닉 결정에 있어서 입사광에 대하여 복수의 주파수에서 공명 모드를 갖는 도파로를 구비하는 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법으로서,
    하나의 공명 모드와 다른 공명 모드의 주파수 차를 상기 반도체 기판의 라만 시프트 주파수와 같게 하도록 상기 포토닉 결정의 공공의 크기나 배치를 설정하는 단계와,
    상기 두 개의 공명 모드의 전자계 분포와 상기 반도체 기판의 라만 텐서에 의해 나타내어지는 라만 전이확률이 최대가 되도록 상기 반도체 기판의 결정 방위면에 있어서의 상기 도파로의 형성 방향을 설정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 라만 산란광 증강 디바이스의 제조 방법.
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