拉曼散射光增強設備、拉曼散射光增強設備的製造方法、和使用拉曼散射光增強設備的拉...的製作方法

2023-06-14 02:22:06

拉曼散射光增強設備、拉曼散射光增強設備的製造方法、和使用拉曼散射光增強設備的拉 ...的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種拉曼散射光增強設備。在半導體基板中形成有空孔(20a)的光子結晶(20)中，相對於入射光具備以多個頻率具有共振模式的波導，一個共振模式與另一個共振模式的頻率差變成與所述半導體基板的拉曼位移頻率相等，並且設定所述半導體基板的結晶方位面中的所述波導的形成方向，以使得通過所述兩個共振模式的電磁場分布和所述半導體基板的拉曼張量來表達的拉曼躍遷概率成為最大。
【專利說明】通過同時設置構造參數不同的二維光子結同，來實現利用了模式間隙差的光禁閉。
戶，具有通過由在光子結晶中形成的線狀的、反射部，以實現針對入射光的波長和對象
過艮
曽強設備，由於能夠通過光諧振器在規定區因此能夠高效地獲得拉曼散射光。這樣的暫光子結晶的拉曼雷射相關的技術，正倍受:獲取現有的半導體雷射所無法對應的波段遷型半導體也能夠創出雷射光的技術而正6散射光增強設備，其在半導體基板中形成費率具有共振模式的波導，一個共振模式與立曼位移頻率相等，並且設定半導體基板的振模式的電磁場分布和半導體基板的拉曼結晶中形成的線狀的缺陷構成的波導中具的構造變化為在該波導的中途使傳播波段皮模式的光和第一激勵導波模式的光兩者丨勺光，激勵光光源輸出的第一激勵導波模式光源。
二極體。
形成有光子結晶的半導體基板上。
I備的製造方法，所述拉曼散射光增強設備相對於入射光以多個頻率具有共振模式的旦括:設定所述光子結晶的空孔的大小或配差變成與所述半導體基板的拉曼位移頻率射光增強設備的概略結構的圖。
光增強設備的概略結構的圖。
[浦光的功率、與從拉曼雷射光源輸出的感
乏備的一例來說明光諧振器100。
光諧振器100的概略結構的圖。二維光子光諧振器100構成為:若使從雷射二極體I是143511111)從入光器12射入至輸入波導安長為約155011111)通過出光器30聚光而被
平板型的矽基板中，周期地設置有空孔203的雷射光，則在圖中央的微小諧振器14中，每個區域變化為410nm、420nm、410nm的異形構造。
[0046]如圖3所示，在實施了這種調製的區域中，存在更高能級的「激勵模式」(第一激勵導波模式)和從該能級降低了 15.6THZ (矽的拉曼位移頻率)的能級的「拉曼模式」(基底導波模式)，在各個能級中，形成有井型勢能。
[0047]雖然通過該井型勢能會產生光的禁閉，但上述能級，如圖3的左側區域(波數空間中的帶圖)所示，當將頻率設為縱軸，將波數矢量設為橫軸時，「激勵模式」(第一激勵導波模式)成為:垂直方向的磁場分量的奇偶性相對于波導中心軸為奇，「拉曼模式」(基底導波模式)成為:垂直方向的磁場分量的奇偶性為偶。
[0048]在二維光子結晶20中，通過對波導周邊的各空孔20a的位置或直徑進行微調，來分別調整基底導波模式和第一激勵導波模式的各頻率，並設計為能夠在激勵光和拉曼散射光的諧振中使用。例如，將波導周邊的各空孔20a的位置稍微接近或遠離波導，使空孔20a彼此之間的間隔變化，或使空孔20a的直徑的大小變化。此外，實際上進行這樣的微調時，比較簡便的方法是:製作多個使空孔的直徑稍微變化的樣品，並選出使基底導波模式和第一激勵導波模式的頻率差與拉曼位移頻率一致的樣品。
[0049]在本實施方式的二維光子結晶20中，為了使生成的拉曼散射光不向外部逃逸，能夠有效地進行禁閉利用，不是如專利文獻I那樣地設置兩組反射部，而是採用通過一組反射部對激勵光和拉曼散射光兩者進行反射的構成。由此，激勵光與拉曼散射光的空間上的重疊增大，能夠將激勵光和拉曼散射光的導波模式的Q值分別設為100萬以上這樣非常高的值。而且，在頻率差15.6THz不會損壞上述優點，具有在所有光通信波段(1.3?1.6微米)中能夠容易實現這樣的優點，即波長設計自由度較高。
[0050]圖4是圖示二維光子結晶20中所形成的兩個導波模式(能級)的電磁場的模樣的圖，顏色濃的部分表示電磁場較強。圖4(a)?圖4(c)，是表示將激勵光禁閉的第一激勵導波模式的電磁場的模樣的圖，分別表示:電場分量Ex [圖4 (a)]、電場分量Ey [圖4 (b)]、磁場分量Hz[圖4(c)]。並且，圖4(d)?圖4(f)是表示將能量比激勵光低的拉曼散射光禁閉的基底導波模式的電磁場的模樣的圖，分別表示:電場分量Ex [圖4 (d)]、電場分量Ey [圖4(e)]、磁場分量Hz [圖4(f)]。如前所述，在第一激勵導波模式和基底導波模式中，空間對象性不同，第一激勵導波模式成為:垂直方向的磁場分量的奇偶性相對于波導中心軸為奇，基底導波模式成為:垂直方向的磁場分量的奇偶性為偶。
[0051][2.二維光子結晶的製造方法]
[0052]接著，使用圖5，針對二維光子結晶20的製造方法進行說明。如後所述，在本實施方式中，利用第一激勵導波模式和基底導波模式，製作二維光子結晶20，以使波導的形成方向成為矽的結晶方位面[100]方向。
[0053]首先，如圖5(a)所示，洗淨由Si層51、S12層52、Si層53構成的層疊基板(SOI基板)。接著，如圖5(b)所示，在該層疊基板上塗敷抗蝕劑層54，如圖5(c)所示，進行電子線描繪。接著，如圖5 (d)所示，進行顯影並在抗蝕劑層54中設置有空孔的狀態下，如圖5 (e)所示，進行ICP蝕刻，在Si層53轉印抗蝕劑層54的空孔圖案。接著，如圖5(f)所示，在進行表面洗淨之後，如圖5(g)所示，根據需要進行Si層51的基板研磨。最後，如圖5(h)所示，用氫氟酸對S12層52進行蝕刻，完成二維光子結晶20。
[0054][3.提高拉曼散射光的強度][0055]圖6是說明矽(SOI)基板中的面方位的圖。在[110]方位與[010]方位之間，有45度的角度的差異。在[110]方位上設置有定向平面。以往，在製作波導構造乃至光諧振構造的情況下，一般而言，通過劈開來製作波導端面要設置於容易的[110]方位上。
[0056]相對於此，本申請發明人，專心研究的結果，關注於決定拉曼散射光的強度的拉曼張量的值會根據結晶的面方位而發生變化，從與現有技術完全不同的新的觀點出發，提出了一種用於獲取更強的拉曼散射光的技術。
[0057]本實施方式中的拉曼散射光的增強，以使激勵模式的共振頻率與拉曼模式的共振頻率的頻率差、和矽的拉曼位移頻率(15.6THZ) —致為前提，考慮到這兩個共振模式的空間對稱性與矽的拉曼張量，通過使激勵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良好地一致來實現。
[0058]若換言之，本實施方式，一個共振模式與另一個共振模式的頻率差變成與矽的拉曼位移頻率相等。此外，本實施方式，設定矽的結晶方位面中的波導的形成方向，以使得通過兩個共振模式的電磁場分布和矽的拉曼張量來表示的拉曼躍遷概率g成為最大。
[0059]該拉曼躍遷概率g，按如下公式⑴的積分式成比例。
[0060]【公式I】
[0061]g a / Eraman.Rij.Ep_dV…式(1)
[0062]在公式⑴中，Eraiian表不拉曼模式的電磁場分布，Epump表不激勵模式的電磁場分布。Ru表示拉曼張量。EMan，Epump雖然相對於製作波導的結晶的方位不變，但拉曼張量發生變化。
[0063]為了獲得較強的拉曼散射光，需要增加公式⑴的值，因此，至少需要使拉曼散射光的電磁場分布與拉曼模式的電磁場分布的空間對稱性(偶或奇)一致。所以，在選擇的共振模式的組合中，要與拉曼張量相匹配地考慮算法上的選擇規則。本實施方式，根據該選擇規則，提取拉曼散射光的強度變強的共振模式的組合。
[0064]首先，若一般地進行考察，則共振模式被分為如下4類:x方向的對稱性為偶、y方向的對稱性為偶的類型(類型A) ;x方向的對稱性為奇、y方向O對稱性為奇的類型(類型B) ;x方向的對稱性為偶、y方向的對稱性為奇的類型(類型C) ;x方向的對稱性為奇、y方向的對稱性為偶的類型(類型D)。
[0065]然後,考慮由於激勵模式與娃的聲子的相互作用而產生的拉曼散射的電場分布的空間對稱性。矽的聲子有在[001]方向、[010]方向、[100]方向上振動的3種。
[0066]在矽中，[100]方向和[110]方向有45。的旋轉角的不同。此外，在[100]方向和
[110]方向的中間的角度的方向上，公式(I)的積分式的大小，由於[100]方向與[110]方向的重合，因而一定要在[100]方向和[110]方向的任一個方向上，公式⑴取極大值。
[0067]因此，為了使公式(I)的值，即拉曼散射光的強度最大化，可以將波導的形成方向設為[100]方向時的拉曼躍遷概率g、與將波導的形成方向設為[110]方向時的拉曼躍遷概率g進行比較，採用拉曼躍遷概率g更高的方向。
[0068]波導的形成方向為[100]方向時的矽的拉曼張量，如圖7所表達。在本實施方式中，激勵模式與拉曼模式的偏振，由於僅考慮了在二維光子結晶的面內平行的偏振，因此，在圖7之中，僅是由民,的拉曼張量帶來的影響，在結果上會很重要。如此，公式(I)的積分式，被變換如下。[0069]【數2】
[0070]g f ((Eraman) x (Epump) y+ (Eraman) y (Epump) J dV...式(2)
[0071]即，當波導的形成方向朝向矽的結晶方位[100]方向(或者與它等效的[010]方向、[-100]方向等)時，拉曼模式的電磁場分布的空間對稱性成為使激勵模式的X方向的對稱性和y方向的對稱性的奇偶發生了調換。
[0072]因此，當波導的形成方向朝向矽的結晶方位[100]方向時，使拉曼散射光能夠增強的激勵模式與拉曼模式的組合，成為如下4種:所述類型A-所述類型B ;所述類型B-所述類型A ;所述類型C-所述類型D ;所述類型D-所述類型C。在除此以外的組合中，公式(2)的積分值為O。
[0073]相對於此，波導的形成方向為[110]方向時的矽的拉曼張量，如圖8所表達。在本實施方式中，激勵模式和拉曼模式的偏振，僅考慮了在二維光子結晶的面內平行的偏振，因此，在圖8之中，僅是由Ri/1)的拉曼張量帶來的影響，在結果上會很重要。如此，公式(I)的積分式，被變換如下。
[0074]【數3】
[0075]g-/ ((ErafflJ x (Epimp) x- (Eraman) y (Epump) y) dV …式(3)
[0076]根據公式(3)，當波導的形成方向朝向矽的結晶方位[110]方向時，使拉曼散射光能夠增強的激勵模式與拉曼模式的組合，成為如下4種:所述類型A-所述類型A ;所述類型B-所述類型B ;所述類型C-所述類型C ;所述類型D-所述類型D。在除此以外的組合中，公式⑶的積分值為O。
[0077]由此可知，考慮到物質固有的拉曼張量，來正確地選擇用於拉曼散射增強的共振模式，以設定結晶方位面中的波導的形成方向尤為重要。這樣的考察，不是根據感應拉曼散射放大光纖的知識就容易得到的。這是因為在具有非晶構造的光纖和由單晶構成的矽等中，拉曼張量的形式完全不同。
[0078]總之，在使用二維光子結晶20的拉曼散射的放大中採用的兩種共振模式，第一，必須具有與聲子頻率(拉曼位移頻率)一致的恰當的頻率差(若是矽則為15.6THZ)。而且，電磁場分布必須具有恰當的空間對稱性，並在恰當的結晶方位進行製作。在此基礎上，還需要選擇使公式(I)的積分值增大的組合。此外，為了以諧振器構造來獲得較強的拉曼散射光，或以較低閾值來實現雷射振蕩，優選能夠實現Q值較高的模式。
[0079]滿足所有這些要求的最佳的共振模式對的一例是:作為激勵模式而選擇第一激勵導波模式，作為拉曼模式而選擇基底導波模式，並將波導的形成方向設為矽的結晶方位
[100]的組合。由於第一激勵導波模式的電場分量Ex，相對於X方向和y方向具有偶對稱性(所述類型A)，基底導波模式的電場分量Ex，相對於X方向和y方向具有奇對稱性(所述類型B)，因此，上述組合，若在矽的結晶方位[100]方向上形成波導，則相當於使公式(I)的積分式(拉曼躍遷概率g)增大的組合。
[0080]相對於此，在矽的結晶方位[110]方向上形成波導的共振模式的組合是不利的。這是因為，此時，如前所述，共振模式的組合，若不是如下4種之中的任一者:所述類型A-所述類型A ;所述類型B-所述類型B ;所述類型C-所述類型C ;所述類型D-所述類型D，則拉曼散射光的強度不會增大。但是，由於類型A的奇模的分散曲線為平滑的，因此以奇模彼此間來實現15.6THz的頻率差是困難的，另一方面，雖然偶模存在於較寬的頻率範圍內，但若採用使光難以從線缺陷區域向垂直方向逃逸的波數較大的區域，則以比能夠忽視矽的吸收的1200nm長的長波來實現是困難的，若使用波數相差更大的2點，則公式(I)的積分值會變小。
[0081]因此，矽的拉曼頻率(頻率差)為15.6THz，並且若考慮到波數的重疊，則如上所述，作為激勵模式而使用第一激勵導波模式[參照圖4 (a)]，作為拉曼模式而使用基底導波模式[參照圖4(b)]為最佳。根據該組合，能夠通過如圖3的構造來獲取較高的Q值。
[0082]在該組合中，圖9是表示拉曼躍遷概率g的倒數(Vsks)與波導的形成角度的關係的圖形。參照圖9，可知:當波導的形成角度為矽的結晶方位[110]方向或與它等效的方向時，拉曼躍遷概率g的倒數(Vsks)變小(即，拉曼躍遷概率g增大)，另一方面，當波導的形成角度為矽的結晶方位[110]方向或與它等效的方向時，拉曼躍遷概率g的倒數(Vsks)變大(即，拉曼躍遷概率g減小)。
[0083][4.實際的樣品製作]
[0084]圖10是表示在矽的結晶方位[100]設置第一激勵導波模式用和基底導波模式用各自的波導而製作的二維光子結晶30的概略圖。在二維光子結晶30中，作為得到如15.6Hz差的例示性設計，將晶格常數a設為410nm，將空孔的直徑r設為130nm，將矽基板的厚度d設為220nm。
[0085]基於該二維光子結晶30的第一激勵導波模式與基底導波模式的計算而得到的理想Q值，是第一激勵導波模式為150萬、基底導波模式為1500萬左右，作為能夠實現矽的拉曼位移15.6THz差的選擇模式，可考慮Q值為最高的組合。作為實際試製了二維光子結晶30的Q值的實驗值，我們得到:第一激勵導波模式為20萬、基底導波模式為300萬的值。並未報導有高於它們的值。
[0086]與二維光子結晶30相關的公式(I)的積分值(拉曼躍遷概率g)，在考慮空孔的基礎上為60%左右，該拉曼躍遷概率g，被認為在所能考慮到的共振模式的組合當中為最高。實際上，可以確認出:在矽的結晶方位[100]方向上設置有波導的二維光子結晶，與在矽的結晶方位[110]方向上設置有波導的二維光子結晶相比，拉曼散射光的強度更高。
[0087]圖11表示向二維光子結晶30射入激勵光後調查了其光譜(曝光時間120秒)的結果。如圖11所示，與以往相比，得到非常強的拉曼散射光的峰值。入射光(激勵模式)的波長為1415nm，相對於此，經過拉曼位移15.6THz的拉曼散射光(拉曼模式)的波長為1525nm。
[0088][5.效果]
[0089]若總結本實施方式的拉曼散射光增強設備的效果，則如下那樣。根據本實施方式的拉曼散射光增強設備，由於能夠有效地增強從激勵光產生的拉曼光，因此，能獲得比以往更強的拉曼散射光。此外，由於獲得較強的拉曼散射光，因此可涉及實現省電力的拉曼雷射。此外，與現有技術不同，提高了能夠實現拉曼雷射的連續振蕩的可能性。而且，能夠集成性優異、製作容易、低成本地實現。除此以外，還能夠期待通過激勵光產生的自由載流子的載流子壽命變短。
[0090][其它實施方式]
[0091]作為實施方式的一例，對實施方式I進行了說明。然而，實施方式並不局限於此。以下，是與其它實施方式相關的內容。[0092]在圖1中，雖然表示了使用二維光子結晶20的光諧振器100的概略結構，但如圖12所示，光諧振器200也可以為與光子結晶在相同的基板上設置半導體雷射的一體型構成。在光諧振器200中，若從相同基板上製作的雷射二極體(LD) 110射出的雷射光直接射入輸入波導111，則二維光子結晶40構成為經過輸出波導112使新的波長的雷射光通過出光器120聚光而被引導至透鏡光纖121。此外，在雷射二極體110中，P結113和N結114構成為經由電源115被連接。或者，也能夠在矽上粘貼化合物半導體雷射，而使雷射二極體和光子結晶呈一體化。
[0093]此外，圖13表示光放大器300作為拉曼散射光增強設備的其它實施方式。光放大器300具有波導構造，該波導構造不具備在矽的結晶方位[100]方向上具有如圖3的左區域所示的帶構造的諧振器，通過使用設置用於將該放大激勵光導入波導的激勵用波導的二維光子結晶50，能夠提高前述公式(I)的積分值(拉曼躍遷概率g)，並獲得由強感應拉曼散射引起的光放大。
[0094]此外，作為上述實施方式，雖然列舉了矽作為製作光子結晶的半導體的示例，但半導體示例不局限於此，也能夠使用與矽具有相同結晶構造的鍺或金剛石等。此外，也可以對矽或鍺實施適當的摻雜。
[0095][拉曼雷射光源]
[0096]發明人，在圖1所示的結構中，成功地實現了感應拉曼散射光的連續振蕩。圖14是表示從圖1的LDlO向光諧振器100輸入激勵光(泵浦光)的功率(橫軸)、與從諧振器100輸出的感應拉曼散射光(以下，稱為「拉曼雷射光」)的功率的關係的圖形。而且此時使用的激勵光，是在波長1425nm中具有光譜的峰值的雷射光(cw)。
[0097]如圖14可知:向光諧振器100輸入的激勵光的功率超過約I μ W之後，拉曼雷射光(波長1540nm)的功率急劇增大。也就是說，在圖1所示的結構中，拉曼雷射光的連續振蕩是以約I μ W的極低的閾值來實現的。
[0098]實現連續振蕩所需的激勵光的閾值(圖14中的約I μ W)，雖然會根據與光諧振器100的激勵光以及拉曼散射光相對應的Q值的高低而變化，但在光諧振器100中的針對激勵光(第一激勵導波模式)的Q值為約10萬(以上)、針對拉曼散射光(基底導波模式)的Q值為約100萬(以上)的情況下，光諧振器100的拉曼雷射光的連續振蕩的閾值，設為激勵光功率約為I μ W。
[0099]如此,在光諧振器100中，若所輸入的激勵光(cw,中心波長1425nm)的功率超過約1μ W，則會產生感應拉曼散射光的雷射振蕩。然後，從光諧振器100輸出具有中心波長1540nm的拉曼雷射光。如此，在光諧振器100中，通過I μ W的極低的值來實現雷射振蕩的閾值，由此，在使用光諧振器100作為諧振器來構成拉曼雷射光源時，對激勵光光源的選擇賦予現有技術以上的自由度，是極為有利的優點。
[0100]例如，發光二極體(LED)雖然與雷射光源相比較具有較寬(broad)的光譜特性，但在使用光諧振器100作為諧振器的拉曼雷射光源中，也能夠使用LED作為泵浦光光源(激勵光光源)。此時，能夠通過作為激勵光光源的LED、光諧振器100來實現拉曼雷射光源。如上述的示例那樣，若針對光諧振器100的激勵光(第一激勵導波模式)的Q值為約10萬(以上)，針對拉曼散射光(基底導波模式)的Q值為約100萬(以上)，則在從LED向光諧振器100輸入的具有比較寬的波段的激勵光當中的在以波長(1425nm)為中心線寬正負〔射光增強設備的製造方法，通過使用在半二、省電力化、連續振蕩，並且由於製作容易丨的II設備為中心，能夠在多個領域中適當
【權利要求】
1.一種拉曼散射光增強設備， 在半導體基板中形成有空孔的光子結晶中具有波導，該波導相對於入射光以多個頻率具有共振模式， 一個共振模式與另一個共振模式的頻率差變成與所述半導體基板的拉曼位移頻率相等，並且 設定所述半導體基板的結晶方位面中的所述波導的形成方向，以使得由所述兩個共振模式的電磁場分布和所述半導體基板的拉曼張量來表達的拉曼躍遷概率成為最大。
2.根據權利要求1所述的拉曼散射光增強設備，其特徵在於， 所述兩個共振模式是基底導波模式和第一激勵導波模式。
3.根據權利要求2所述的拉曼散射光增強設備，其特徵在於， 所述半導體基板是矽，並且所述半導體基板的結晶方位面中的所述波導的形成方向是所述矽的結晶方位[100]方向、或與所述矽的結晶方位[100]方向等效的面方位。
4.根據權利要求1所述的拉曼散射光增強設備，其特徵在於， 在由所述光子結晶中形成的線狀的缺陷構成的所述波導中具有光諧振器，該光諧振器具有一對光反射面，該一對光反射面使周圍的光子結晶的構造變化為在該波導的中途使傳播波段錯開。
5.根據權利要求4所述的拉曼散射光增強設備，其特徵在於， 所述一對光反射面，將基底導波模式的光和第一激勵導波模式的光兩者反射。
6.一種拉曼雷射光源，具有： 權利要求5所述的拉曼散射光增強設備；和 激勵光光源，其輸出所述第一激勵導波模式的光， 所述激勵光光源輸出的第一激勵導波模式的光被輸入到所述拉曼散射光增強設備的所述光諧振器。
7.根據權利要求6所述的拉曼雷射光源，其特徵在於， 所述激勵光光源是雷射光源。
8.根據權利要求6所述的拉曼雷射光源，其特徵在於， 所述激勵光光源是發光二極體。
9.根據權利要求7或8所述的拉曼雷射光源，其特徵在於， 所述激勵光光源形成在形成有所述光子結晶的所述半導體基板上。
10.一種拉曼散射光增強設備的製造方法， 所述拉曼散射光增強設備在半導體基板中形成有空孔的光子結晶中具備波導，該波導相對於入射光以多個頻率具有共振模式，所述製造方法包括： 設定所述光子結晶的空孔的大小或配置，以使得一個共振模式與另一個共振模式的頻率差變成與所述半導體基板的拉曼位移頻率相等的階段；和 設定所述半導體基板的結晶方位面中的所述波導的形成方向，以使得由所述兩個共振模式的電磁場分布和所述半導體基板的拉曼張量來表達的拉曼躍遷概率成為最大的階段。
【文檔編號】G02F1/365GK104040419SQ201380005075
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月8日 優先權日:2012年8月24日
【發明者】高橋和, 乾善貴, 淺野卓, 野田進, 千原賢大 申請人:獨立行政法人科學技術振興機構