TWI619997B - 拉曼散射光增強裝置、拉曼散射光增強裝置之製造方法及使用拉曼散射光增強裝置之拉曼雷射光源 - Google Patents

拉曼散射光增強裝置、拉曼散射光增強裝置之製造方法及使用拉曼散射光增強裝置之拉曼雷射光源 Download PDF

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Abstract

本發明之拉曼散射光增強裝置係在空孔(20a)形成於半導體基板上的光子晶體(20)中，具備對於入射光在複數個頻率下具有共振模式的導波路，前述導波路在前述半導體基板結晶方位面的形成方向設定成：一個共振模式與其他共振模式的頻率差等於前述半導體基板的拉曼位移頻率，並且由前述兩個共振模式的電磁場分布與前述半導體基板的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率成為最大。

Description

拉曼散射光增強裝置、拉曼散射光增強裝置之製造方法及使用拉曼散射光增強裝置之拉曼雷射光源
本發明係一種拉曼散射光增強裝置，特別是關於一種可適用於使用空孔形成於半導體基板上的光子晶體的光導波路或光共振器之拉曼散射光增強裝置、拉曼散射光增強裝置之製造方法。此外，係關於一種使用該拉曼散射光增強裝置之拉曼雷射光源。
關於多數個空孔在由矽構成的平板上形成為具有二維周期構造的平板型二維光子晶體，專利文獻1揭示一種形成為可引起受激拉曼散射之拉曼散射光增強裝置。專利文獻1之拉曼散射光增強裝置具有藉由併設構造參數不同的二維光子晶體所形成的面內異質構造，利用此構造參數的不同，實現利用模式落差的光封閉。
在專利文獻1之拉曼散射光增強裝置方面，具備利用由形成於光子晶體上的線狀缺陷構成的導波路而構成的光共振器，並設置有兩個反射部，俾對入射光的波長與對象介質之拉曼散射光的波長之各波長實現各共振模式。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 特開2008-241796號公報
依據專利文獻1所揭示之拉曼散射光增強裝置，可將由受激拉曼散射所產生的拉曼光利用光共振器強有力地封閉在預定區域內，所以可高效率地得到拉曼散射光。此種拉曼散射光增強技術以將來與實現使用光子晶體之拉曼雷射有關聯的身份受到矚目。使用光子晶體之拉曼雷射雖然被期待在可得到以往的半導體雷射不能對應的波長區之雷射光的技術、或即使如矽之類的間接躍遷型半導體也可以創造雷射光的技術方面被實用化，但已知拉曼散射光的強度一般都非常低，即使利用專利文獻1之拉曼散射光增強裝置要實現低臨界值的雷射振盪也不容易。因此，需要用於得到更強的拉曼散射光的增強裝置。
且說在矽基板上製作如專利文獻1之類的拉曼散射光增強裝置時，一般都是採用劈開容易的〔110〕方向或和其等效的方向。對此，經本案的發明者們銳意 研究的結果，注意到拉曼散射光的強度(拉曼躍遷機率)依存於材料基板的結晶方位面，從和習知技術完全不同的新觀點而提案出用於得到更強的拉曼散射光的技術。
作為本發明之目的在於提供一種藉由使導波路的形成方向最佳化，可得到更強的拉曼散射光之拉曼散射光增強裝置、拉曼散射光增強裝置之製造方法。
在實施形態中，拉曼散射光增強裝置係在空孔形成於半導體基板上的光子晶體中，具備對於入射光在複數個頻率下具有共振模式的導波路。而且，前述導波路在前述半導體基板結晶方位面的形成方向設定成：一個共振模式與其他共振模式的頻率差等於前述半導體基板的拉曼位移頻率，並且由前述兩個共振模式的電磁場分布與前述半導體基板的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率成為最大。
在實施形態中，前述兩個共振模式為基底導波模式與第一激發導波模式。
在實施形態中，前述半導體基板為矽，並且前述導波路在前述半導體基板結晶方位面的形成方向為前述矽的結晶方位〔100〕方向或者與此等效的面方位。
在實施形態中，在由形成於前述光子晶體上的線狀缺陷構成的導波路中具備光共振器，該光共振器具有使周圍的光子晶體構造變化的一對光反射面，以便在該導波路的中途錯開光傳播波長的光帶。
在實施形態中，前述一對光反射面係將基底導波模式之光與第一激發導波模式之光反射。
在實施形態中，拉曼雷射光源具有拉曼散射光增強裝置及輸出第一激發導波模式之光的激發光光源，前述激發光光源輸出的第一激發導波模式之光輸入到拉曼散射光增強裝置之光共振器，前述拉曼散射光增強裝置係在空孔形成於半導體基板上的光子晶體中，具備對於入射光在複數個頻率下具有共振模式的導波路之拉曼散射光增強裝置，導波路在半導體基板結晶方位面的形成方向設定成：一個共振模式與其他共振模式的頻率差等於半導體基板的拉曼位移頻率，並且由兩個共振模式的電磁場分布與半導體基板的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率成為最大，在由形成於光子晶體上的線狀缺陷構成的導波路中具備光共振器，該光共振器具有使周圍的光子晶體構造變化的一對光反射面，以便在該導波路的中途錯開光傳播波長的光帶，一對光反射面係反射基底導波模式之光與第一激發導波模式之光的兩方。
在實施形態中，激發光光源可以為雷射光源。
在實施形態中，激發光光源可以為發光二極體。
在實施形態中，激發光光源可形成於形成有光子晶體的半導體基板。
在實施形態中，拉曼散射光增強裝置之製造方法係在空孔形成於半導體基板上的光子晶體中，具 備對於入射光在複數個頻率下具有共振模式的導波路之拉曼散射光增強裝置之製造方法。而且，該拉曼散射光增強裝置之製造方法具備以下階段：將前述光子晶體之空孔的大小或配置設定成使一個共振模式與其他共振模式的頻率差等於前述半導體基板的拉曼位移頻率；及將前述導波路在前述半導體基板結晶方位面的形成方向設定成由前述兩個共振模式的電磁場分布與前述半導體基板的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率成為最大。
依據本發明，透過使導波路的形成方向最佳化，可得到更強的拉曼散射光，並可實現拉曼雷射的連續振盪、尺寸最小化、省電力化、及因可大量生產而達成低成本化。
10‧‧‧雷射二極體
11‧‧‧透鏡光纖
12‧‧‧入光器
13‧‧‧輸入導波路
14‧‧‧微小共振器
15‧‧‧輸出導波路
20‧‧‧二維光子晶體
20a‧‧‧空孔
30‧‧‧出光器
31‧‧‧透鏡光纖
100‧‧‧光共振器
第1圖為顯示本實施形態之光共振器概略構造的圖。
第2圖為顯示二維光子晶體概略構造的圖。
第3圖為放大二維光子晶體的中央部分，顯示其導波模式情況的圖。
第4圖為顯示形成於二維光子晶體上的兩個導波模式(位準)之共振模式的電磁場情況的圖，第4(a)圖~第4(c)圖顯示封閉激發光之第一激發導波模式的電磁場情況，第4(d)圖~第4(f)圖顯示封閉拉曼散射光之基底導波模式的電磁場情況。
第5(a)~(h)圖為顯示二維光子晶體之製造方法的流程圖。
第6圖為說明矽(SOI)基板之面方位的圖。
第7圖為顯示導波路形成方向為〔100〕時之拉曼張量的圖。
第8圖為顯示導波路形成方向為〔110〕時之拉曼張量的圖。
第9圖為顯示拉曼躍遷機率的倒數與導波路形成角度之關係的圖形。
第10圖為顯示在形成放大拉曼散射光的元件即微小共振器的導波路上並排第一激發導波模式用的導波路與基底導波模式用的導波路所製作的樣本的圖。
第11圖為顯示使用外部光源將激發模式激發時從拉曼模式放出之拉曼散射光光譜的圖形。
第12圖為顯示其他實施形態之拉曼散射光增強裝置概略構造的圖。
第13圖為顯示另外實施形態之拉曼散射光增強裝置概略構造的圖。
第14圖為顯示輸入到拉曼雷射光源的泵浦光功率與從拉曼雷射光源輸出的受激拉曼散射光功率之關係的圖形。
〔實施形態1〕
以下，參照附圖說明光共振器100作為拉曼散射光增強裝置之一例。
〔1.光共振器之構造〕
第1圖為顯示使用二維光子晶體20之光共振器100概略構造的圖。二維光子晶體20係多數個空孔20a排列於矽上的構造。光共振器100係為下述構造：當從雷射二極體(LD)10經過透鏡光纖11而射出的雷射光(波長為1435nm)由入光器12射入輸入導波路13時，則經過輸出導波路15之新的波長的雷射光(波長為約1550nm)被出光器30所聚光並導入透鏡光纖31。
如第2圖的放大顯示般，二維光子晶體20係在平板型的矽基板上周期地設置有空孔20a的構造。當激發用的雷射光從A方向射入輸入導波路13時，則在圖中央的微小共振器14因受激拉曼散射而進行波長轉換且經過輸出導波路15之新的波長的雷射光從B方向射出。空孔20a在二維光子晶體20的間隔除了微小共振器14的附近區域之外均為約400nm，而在微小共振器14的附近區域微調空孔的位置，俾實現利用模式落差的光封閉。
即，在二維光子晶體20中，光共振係藉由形成於光子晶體上的線狀缺陷所構成的導波路實現，藉由以可在此導波路的中途錯開傳播波長的光帶般變化周圍的光子晶體構造，設置一對光反射面而實現。具體而言，藉由使光反射面區域的光子晶體的空孔大小變化或者使空孔的位置或間隔稍微變化(例如接近或遠離導波路)，可使周圍的光子晶體構造變化。
第3圖為放大二維光子晶體20之微小共振器14附近的光子晶體構造而顯示其共振模式情況的 圖。由於共振模式的頻率依存於有效折射率，所以如第3圖所示，就二維光子晶體20而言，係成為在微小共振器14附近的空孔位置被施加調變且使空孔的間隔按各區域變化成410nm、420nm、410nm的異質構造。
如第3圖所示，於施加了此種調變的區域，存在有更高的能量位準的「激發模式」(第一激發導波模式)及僅比其位準低15.6THz(矽的拉曼位移頻率)的能量位準的「拉曼模式」(基底導波模式)在各個能量位準形成有井型位勢。
雖然利用此井型位勢產生光的封閉，但如第3圖的左側區域(波數空間的帶圖)所示，上述能量位準取頻率為縱軸、取波數向量為橫軸時，「激發模式」(第一激發導波模式)之垂直方向的磁場成分的奇偶性相對於導波路中心軸為奇，「拉曼模式」(基底導波模式)之垂直方向的磁場成分的奇偶性為偶。
在二維光子晶體20方面，設計成：藉由微調導波路周邊的各空孔20a的位置或直徑，分別調整基底導波模式與第一激發導波模式的各頻率，可使用於激發光與拉曼散射光的共振。例如，使導波路周邊的各空孔20a的位置稍微接近或遠離導波路、或者使空孔20a彼此的間隔變化、或者使空孔20a的直徑大小變化。再者，當實際進行此種微調時，以製作多數個使空孔的直徑一點一點地變化的樣本，選出基底導波模式與第一激發導波模式的頻率差和拉曼位移頻率一致的樣本的方法較為簡便。
在本實施形態的二維光子晶體20方面，為不使生成的拉曼散射光逸出外部，而可有效地封閉利用，係採用利用一組反射部反射激發光與拉曼散射光的構造，而不像專利文獻1是設置兩組反射部。因此，激發光與拉曼散射光在空間上的重疊變大，可使激發光與拉曼散射光的導波模式之Q值分別成為100萬以上這種非常高的值。再者，具備無損上述優點而在整個光通信波長帶(1.3~1.6微米)可容易實現頻率差15.6THz的優點，即波長設計自由度高。
第4圖為圖示了形成於二維光子晶體20上的兩個導波模式(位準)之電磁場情況的圖，顏色濃的部分表示電磁場強。第4(a)圖~第4(c)圖為顯示封閉激發光之第一激發導波模式的電磁場情況的圖，分別表示電場成分Ex〔第4(a)圖〕、電場成分Ey〔第4(b)圖〕、磁場成分Hz〔第4(c)圖〕。而且，第4(d)圖~第4(f)圖為顯示封閉能量低於激發光的拉曼散射光之基底導波模式的電磁場情況的圖，分別表示電場成分Ex〔第4(d)圖〕、電場成分Ey〔第4(e)圖〕、磁場成分Hz〔第4(f)圖〕。如前述，在第一激發導波模式與基底導波模式方面，空間對稱性不同，第一激發導波模式之垂直方向的磁場成分的奇偶性相對於導波路中心軸為奇，基底導波模式之垂直方向的磁場成分的奇偶性為偶。
〔2.二維光子晶體之製造方法〕
其次，使用第5圖就二維光子晶體20之製造方法進行說明。如後述，在本實施形態中，以利用第一激發導 波模式與基底導波模式，導波路的形成方向會成為矽的結晶方位面〔100〕方向之方式製作二維光子晶體20。
首先，如第5(a)圖所示，清洗由Si層51、SiO2層52、Si層53構成的積層基板(SOI基板)。其次，如第5(b)圖所示，在該積層基板上塗布抗蝕層54，如第5(c)圖所示，進行電子束描繪。其次，如第5(d)圖所示，在顯影而於抗蝕層54上設有空孔的狀態下，如第5(e)圖所示，進行ICP蝕刻，將抗蝕層54的空孔圖案轉印於Si層53上。其次，如第5(f)圖所示，進行表面清洗後，如第5(g)圖所示，按照需要進行Si層51的基板研磨。最後，如第5(h)圖所示，以氟酸蝕刻SiO2層52，完成二維光子晶體20。
〔3.拉曼散射光之強度提高〕
第6圖為說明矽(SOI)基板之面方位的圖。在〔110〕方位與〔010〕方位之間有45度的角度差異。在〔110〕方位上設置有定向平面。以往在製作導波路構造乃至光共振構造時，一般都設置於利用劈開容易製作導波路端面的〔110〕方位上。
對此，經本案發明者們銳意研究的結果，注意到決定拉曼散射光強度的拉曼張量之值會隨著結晶的面方位而變化，從和習知技術完全不同的新觀點而提案出一種用於得到更強的拉曼散射光的技術。
本實施形態的拉曼散射光之增強係藉由下述而實現：一面以使激發模式的共振頻率與拉曼模式的共振頻率之頻率差和矽的拉曼位移頻率(15.6THz)一致 為前提，一面考慮此等兩個共振模式的空間對稱性與矽的拉曼張量，使激發模式與矽的聲子相互作用而產生的拉曼散射的電磁場分布和共振模式的電磁場分布充分一致。
換言之，本實施形態係一個共振模式與其他共振模式之頻率差等於矽的拉曼位移頻率。而且，本實施形態係將導波路在矽的結晶方位面的形成方向設定成由兩個共振模式的電磁場分布與矽的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率g成為最大。
此拉曼躍遷機率g與下式(1)的積分式成比例：
在式(1)中，Eraman表示拉曼模式的電磁場分布，Epump表示激發模式的電磁場分布。Rij表示拉曼張量。Eraman、Epump對於製作導波路的結晶方位為不變，但拉曼張量卻會變化。
為了得到強的拉曼散射光，需要增大式(1)的值，但為此至少需要拉曼散射光的電磁場分布與拉曼模式的電磁場分布之空間對稱性(偶或奇)一致。因此，關於選擇的共振模式的組合，可考慮針對拉曼張量來考慮算法的選取規則。本實施形態係按照如此的選取規則而抽取拉曼散射光的強度變強的共振模式的組合。
首先，經一般性地考察，共振模式被分類成x方向的對稱性為偶而y方向的對稱性為偶的類型(類型A)、x方向的對稱性為奇而y方向的對稱性為奇的類型(類型B)、x方向的對稱性為偶而y方向的對稱性為奇的類型(類型C)、x方向的對稱性為奇而y方向的對稱性為偶的類型(類型D)的四種類型。
然後，考慮激發模式與矽的聲子相互作用而產生的拉曼散射的電磁場分布之空間對稱性。矽的聲子存在有於〔001〕方向、〔010〕方向、〔100〕方向振動的三種。
在矽方面，〔100〕方向與〔110〕方向有45°的旋轉角之差異。而且，在〔100〕方向與〔110〕方向的中間角度的方向方面，式(1)的積分式的大小成為〔100〕方向與〔110〕方向的疊合，所以在〔100〕方向或〔110〕方向之任一方向上式(1)一定要取極大值。
因此，要使式(1)之值，即拉曼散射光的強度最大化，係比較以導波路形成方向為〔100〕方向時的拉曼躍遷機率g與以導波路形成方向為〔110〕方向時的拉曼躍遷機率g，採用拉曼躍遷機率g的較高的方向即可。
導波路形成方向為〔100〕方向時的矽的拉曼張量被如第7圖般地表現。在本實施形態中，激發模式與拉曼模式的偏光只考慮與二維光子晶體的面內平行者，所以第7圖之中，從結果來看僅Rij (1)的拉曼張量的影響很重要。如此一來，式(1)的積分式被如下轉換：
即，導波路形成方向朝向矽的結晶方位〔100〕方向(或和此等效的〔010〕方向、〔-100〕方向等)時，拉曼模式的電磁場分布之空間對稱性係成為激發模式的x方向的對稱性與y方向的對稱性之偶奇被調換者。
因此，導波路形成方向朝向矽的結晶方位〔100〕方向時，拉曼散射光可增強的激發模式與拉曼模式的組合成為只有前述類型A-前述類型B、前述類型B-前述類型A、前述類型C-前述類型D、前述類型D-前述類型C的四種。因為若是其以外的組合，則式(2)的積分值會成為0。
對此，導波路形成方向為〔110〕方向時的矽的拉曼張量被如第8圖般地表現。在本實施形態中，激發模式與拉曼模式的偏光只考慮與二維光子晶體的面內平行者，所以第8圖之中，從結果來看僅Rij (1)的拉曼張量的影響很重要。如此一來，式(1)的積分式被如下轉換：
由式(3)，導波路形成方向朝向矽的結晶方位〔110〕方向時，拉曼散射光可增強的激發模式與拉曼模式的組合只有前述類型A-前述類型A、前述類型B-前述類 型B、前述類型C-前述類型C、前述類型D-前述類型D的四種。因為若是其以外的組合，則式(3)的積分值會成為0。
由此等情況得知，考慮物質固有的拉曼張量，正確地選擇使用於拉曼散射增強的共振模式，設定導波路在結晶方位面的形成方向很重要。此種考察並不是從受激拉曼散射放大光纖的見解中可容易地得到。因為在具有非晶構造的光纖與由單晶構成的矽等方面，拉曼張量的形式完全不同。
總結之，使用於放大使用二維光子晶體20的拉曼散射之兩個共振模式，第一必須具有與聲子頻率(拉曼位移頻率)一致的適當的頻率差(若為矽則為15.6THz)。再者，必須電磁場分布具有適當的空間對稱性，製作於適當的結晶方位。而且，需要選擇式(1)的積分值變大的組合。此外，要以共振器構造得到強的拉曼散射光或以低的臨界值實現雷射振盪，也希望可實現Q值高的模式。
在有關滿足所有此等要求之類的最佳共振模式對的一例方面，係選擇第一激發導波模式作為激發模式、選擇基底導波模式作為拉曼模式、導波路形成方向設為矽的結晶方位〔100〕之組合。由於第一激發導波模式的電場成分Ex對於x方向與y方向具有偶的對稱性(前述類型A)，基底導波模式的電場成分Ex對於x方向與y方向具有奇的對稱性(前述類型B)，所以若將導波路形成於矽的結晶方位〔100〕方向上，則上述的組合相當於式(1)的積分式(拉曼躍遷機率g)變大的組合。
對此，將導波路形成於矽的結晶方位〔100〕方向上之共振模式的組合是不利的。因為此情況，如前述，若共振模式的組合不是前述類型A-前述類型A、前述類型B-前述類型B、前述類型C-前述類型C、前述類型D-前述類型D的四種之任一種，則拉曼散射光的強度不變大。然而，由於類型A的奇模式之分散曲線為平坦，所以難以用奇模式彼此實現15.6THz的頻率差，另一方面雖然偶模式存在於寬廣的頻率範圍，但若使用光從線缺陷區域向垂直方向難以逸出的波數大的區域，則難以用波長比可忽視矽吸收的1200nm更長的長波實現，並且若使用波數大幅差異的兩點，則式(1)的積分值就會變小。
因此，若考慮矽的拉曼頻率(頻率差)為15.6THz，然後是波數的重疊，則如上述，使用第一激發導波模式〔參照第4(a)圖〕作為激發模式、基底導波模式〔參照第4(b)圖〕作為拉曼模式成為最佳。藉由此組合，可用第3圖之類的構造得到高的Q值。
在此組合方面，第9圖表示拉曼躍遷機率g的倒數(VSRS)與導波路形成角度之關係的圖形。參照第9圖，在導波路形成角度為矽的結晶方位〔110〕方向或和其等效的方向時，可讀取拉曼躍遷機率g的倒數(VSRS)變小(即拉曼躍遷機率g變大)，另一方面在導波路形成角度為矽的結晶方位〔110〕方向或和其等效的方向時，可讀取拉曼躍遷機率g的倒數(VSRS)變大(即拉曼躍遷機率g變小)。
〔4.實際的樣本製作〕
第10圖中顯示在矽的結晶方位〔100〕上設置第一激發導波模式用與基底導波模式用的各個導波路所製作之二維光子晶體30的概略圖。在二維光子晶體30方面，關於可得到15.6THz差之類的例示設計，係晶格常數a為410nm，空孔的直徑r為130nm，矽基板的厚度d為220nm。
利用計算此二維光子晶體30之第一激發導波模式與基底導波模式所得之理想Q值，係第一激發導波模式為150萬，基底導波模式為1500萬程度，就可實現矽的拉曼位移15.6THz差之選擇模式而言，考慮Q值成為最高的組合。關於實際試作二維光子晶體30之Q值的實驗值，吾等在第一激發導波模式得到20萬的值，在基底導波模式得到300萬的值。超過此的值未獲得報告。
關於二維光子晶體30之式(1)的積分值(拉曼躍遷機率g)，經考慮空孔後成為60%程度，此拉曼躍遷機率g被認為在所考慮之共振模式的組合之中為最高。實際上，確認了拉曼散射光的強度在矽的結晶方位〔100〕方向上設置導波路而成的二維光子晶體係比在矽的結晶方位〔110〕方向上設置導波路而成的二維光子晶體更高。
將激發光射入二維光子晶體30，檢查其光譜(曝光時間120秒)的結果為第11圖。如第11圖所示，相較於從前，可得到非常強的拉曼散射光的峰值。相較 於入射光(激發模式)的波長為1415nm，經過拉曼位移15.6THz的拉曼散射光(拉曼模式)的波長為1525nm。
〔5.效果〕
總結本實施形態之拉曼散射光增強裝置的效果如下。依據本實施形態之拉曼散射光增強裝置，由於可有效地增強從激發光產生的拉曼光，所以可得到比以往更強的拉曼散射光。而且，由於可得到強的拉曼散射光，故與實現省電力的拉曼雷射息息相關。此外，和習知技術不同，可實現拉曼雷射連續振盪的可能性提高。再者，聚集性佳，製作容易，可以低成本實現。此外，可期待以激發光產生的自由載子的載子壽命變短。
〔其他實施形態〕
作為實施形態之一例，說明了實施形態1。然而，實施形態不受此等形態限定。以下係關於其他實施形態。
第1圖中顯示使用二維光子晶體20之光共振器100的概略構造，但如第12圖所示，光共振器200也可以形成為在和光子晶體同一基板上設置半導體雷射的一體型構造。在光共振器200方面，二維光子晶體40係下述構造：當從製作於同一基板上的雷射二極體(LD)110射出的雷射光直接射入輸入導波路111時，則經過輸出導波路112之新的波長的雷射光就被出光器120所聚光而導入透鏡光纖121。此外，在雷射二極體110方面，係P接合113與N接合114經由電源115而連接的構造。或者，也可以在矽上貼附化合物半導體雷射，使雷射二極體與光子晶體一體化。
此外，圖13中顯示光放大器300作為拉曼散射光增強裝置之其他實施形態。光放大器300具有未備有共振器的導波路構造，該共振器係具有在矽的結晶方位〔100〕方向上以第3圖的左區域顯示之類的能帶構造，藉由使用在此導波路上設置用於導入激發光之激發用導波路的二維光子晶體50，提高前述式(1)的積分值(拉曼躍遷機率g)，可得到強的受激拉曼散射所改的光放大。
再者，就上述的實施形態而言，雖然舉出矽作為製作光子晶體的半導體之例，但半導體之例並不限於矽，也可以使用具有和矽相同結晶構造的鍺或金剛石等。此外，也可以對矽或鍺施以適當的摻雜。
〔拉曼雷射光源〕
發明者在第1圖所示的構造方面，成功做到受激拉曼散射光的連續振盪。第14圖為顯示從第1圖的LD10輸入到光共振器100的激發光(泵浦光)功率(橫軸)與從光共振器100輸出的受激拉曼散射光(以下稱為「拉曼雷射光」)功率之關係的圖形。再者，此時使用的激發光為在波長1425nm具有光譜峰值的雷射光(cw)。
如從第14圖顯而易見的，從輸入到光共振器100的激發光功率超過大約1μW的附近起，拉曼雷射光(波長1540nm)功率急劇增大。即，在第1圖所示的構造方面，拉曼雷射光的連續振盪被以大約1μW這種極低的臨界值實現。
雖然實現連續振盪所需的激發光的臨界值(第14圖的約1μW)會隨著關於光共振器100的激發光及拉曼散射光之Q值的高低而變化，但關於光共振器100的激發光(第一激發導波模式)之Q值為大約10萬(以上)，關於拉曼散射光(基底導波模式)之Q值為大約100萬(以上)時，就激發光功率而言，光共振器100的拉曼雷射光連續振盪的臨界值為大約1μW。
如此，在光共振器100方面，若所輸入的激發光(cw、中心波長1425nm)功率超過大約1μW，則會產生受激拉曼散射光的雷射振盪。而且，從光共振器100輸出具有中心波長1540nm的拉曼雷射光。如此，在光共振器100方面，在以雷射振盪的臨界值為1μW這種極低的值實現的情況，欲使用光共振器100作為共振器而構成拉曼雷射光源時，在激發光光源之選擇上，因被賦予超過以往的自由度而極為有利。
例如，雖然發光二極體(LED)相較於雷射光源，具有寬廣的光譜特性，但在使用光共振器100作為共振器的拉曼雷射光源方面，卻也可以使用LED作為泵浦光光源(激發光光源)。此情況，可用作為激發光光源的LED與光共振器100實現拉曼雷射光源。如上述之例，若關於光共振器100的激發光(第一激發導波模式)之Q值為大約10萬(以上)，關於拉曼散射光(基底導波模式)之Q值為大約100萬(以上)，則具有從LED輸入到光共振器100之比較寬廣的光帶的激發光之中，當以波長(1425nm)為中心而線寬正負約5pm的範圍(約 1424.995nm~1425.005nm的範圍)中所含的激發光功率超過1μW時，就會在光共振器100上產生受激拉曼散射光的雷射振盪，輸出拉曼雷射光。
即，光共振器100可利用作為拉曼雷射光源的共振器。此時，激發光光源若為將具有相當於光共振器100的激發模式(第一激發導波模式)之波長的光作為激發光而輸入到光共振器100的光源即可。而且，光共振器100之雷射振盪的臨界值極低為大約1μW，所以關於激發光光源，例如雷射光源之外，還可以使用發光二極體(LED)，並且不受此限定。
此外，拉曼雷射光源也可以具備光共振器200(第12圖)以取代光共振器100。此時，拉曼雷射光源的激發光光源一體地構成於和形成光共振器200的光子晶體同一基板上較好。此一體地構成的激發光光源除了上述的雷射二極體(LD)110、化合物半導體雷射之外，也可以是發光二極體。發光二極體為矽LED、化合物半導體LED等較好。如此，具有光共振器200的拉曼雷射光源係為將激發光光源製備於和光子晶體同一基板上的電流注入型矽拉曼雷射光源。
[產業上之利用可能性]
本發明之拉曼散射光增強裝置、拉曼散射光增強裝置之製造方法係藉由使用空孔形成於半導體基板上的光子晶體，而可最小化、省電化、連續振盪，並且製作容易又為低成本，所以可作為高機能LSI，以電氣電子領域的IT機器為中心而在許多領域中適當地適用。

Claims (10)

  1. 一種拉曼散射光增強裝置，係在空孔形成於半導體基板上的光子晶體中，具備對於入射光在複數個頻率下具有共振模式的導波路之拉曼散射光增強裝置，其特徵在於：在前述半導體基板結晶方位面的前述導波路之形成方向設定成：一個共振模式與其他共振模式的頻率差等於前述半導體基板的拉曼位移頻率，並且更設定：由前述兩個共振模式的電磁場分布與前述半導體基板的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率成為最大，前述半導體基板為矽，並且前述導波路在前述半導體基板結晶方位面的形成方向為前述矽的結晶方位〔100〕方向或者與此等效的面方位。
  2. 如申請專利範圍第1項之拉曼散射光增強裝置，其中前述兩個共振模式為基底導波模式與第一激發導波模式。
  3. 如申請專利範圍第1項之拉曼散射光增強裝置，其中在由形成於前述光子晶體上的線狀缺陷構成的前述導波路中具備具有一對光反射面之光共振器，前述光共振器為，含有在前述導波路中被前述一對光反射面所包夾之區間的周圍的區域內之空孔的大小、位置及間隔至少一者的光子晶體之構造是由自該區域外的光子晶體之構造變位的異質構造所構成，前述一對光反射面係前述光子晶體在前述異質構造中變位的交界面。
  4. 如申請專利範圍第3項之拉曼散射光增強裝置，其中前述一對光反射面係反射基底導波模式之光與第一激發導波模式之光。
  5. 一種拉曼雷射光源，其特徵在於具有：如申請專利範圍第4項之拉曼散射光增強裝置；及輸出前述第一激發導波模式之光的激發光光源；前述激發光光源輸出的第一激發導波模式之光被輸入到前述拉曼散射光增強裝置之前述光共振器。
  6. 如申請專利範圍第5項之拉曼雷射光源，其中前述激發光光源為雷射光源。
  7. 如申請專利範圍第5項之拉曼雷射光源，其中前述激發光光源為發光二極體。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之拉曼雷射光源，其中前述激發光光源形成於形成有前述光子晶體的前述半導體基板上。
  9. 一種拉曼散射光增強裝置之製造方法，係在空孔形成於半導體基板上的光子晶體中，具備對於入射光在複數個頻率下具有共振模式的導波路之拉曼散射光增強裝置之製造方法，其特徵在於具備以下階段：準備該半導體基板；將前述半導體基板中光子晶體之空孔的大小或配置設定成：使一個共振模式與其他共振模式的頻率差等於前述半導體基板的拉曼位移頻率；及以由前述兩個共振模式的電磁場分布與前述半導 體基板的拉曼張量所表示的拉曼躍遷機率成為最大的方式，再設定前述半導體基板結晶方位面的前述導波路之形成方向。
  10. 如申請專利範圍第9項之拉曼散射光增強裝置之製造方法，其中前述半導體基板為矽，並且前述導波路在前述半導體基板結晶方位面的形成方向為前述矽的結晶方位〔100〕方向或者與此等效的面方位。
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