３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子及び光制御装置
【課題】３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子において、電流狭窄領域を精密に制御する。
【解決手段】光制御素子４は、周期的に配置された複数の第１の構造体をそれぞれ含む複数の周期構造層が、離散的に配置された複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで積層されて構成された３次元フォトニック結晶４１と、該結晶内部に配置された活性部４２と、該結晶のうち導電性材料により構成された部分に接する電極４６，４７とを有する。複数の第２の構造体は、互いに異なる２以上の導電性材料により構成されている。該２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料により構成された第２の構造体が、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くように配置されている。
【解決手段】光制御素子４は、周期的に配置された複数の第１の構造体をそれぞれ含む複数の周期構造層が、離散的に配置された複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで積層されて構成された３次元フォトニック結晶４１と、該結晶内部に配置された活性部４２と、該結晶のうち導電性材料により構成された部分に接する電極４６，４７とを有する。複数の第２の構造体は、互いに異なる２以上の導電性材料により構成されている。該２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料により構成された第２の構造体が、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶構造を用いた、発光素子、光変調素子及び波長変換素子等の電流注入型光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶構造を用いた発光素子、光変調素子及び光導波路等、様々な光学素子が提案されている。フォトニック結晶を用いることで、応答速度の高速化や効率の向上が期待できるためである。
【０００３】
フォトニック結晶とは、電磁波の波長以下の大きさを有する構造体によって、電磁波の透過及び反射特性等を制御するという概念であり、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１参照）。非特許文献１によれば、電磁波の波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過及び反射特性を制御することができ、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過及び反射特性を制御することができる。ある波長域において、入射角度に依存することなく、かつ光損失が無い１００％の反射率を呈する現象は、フォトニックバンドギャップ（以下、ＰＢＧという）と称される。非特許文献２，３には、フォトニック結晶の構造例が開示されている。
【０００４】
また、ＰＢＧを有するフォトニック結晶中に周期を乱す点欠陥や線欠陥を設けることで、欠陥部に電場強度を集中させることができる。点欠陥は共振器として、線欠陥は導波路として機能する。
【０００５】
ＰＢＧを呈する波長域（ＰＢＧ帯域）は、フォトニック結晶の次元、フォトニック結晶を構成する材料の屈折率、該材料の空間充填率、格子周期間隔及び格子形状等によって変化する。つまり、これらのパラメータを制御することで、光の透過及び反射特性を制御することができる。
【０００６】
ＰＢＧを有する構造の内部に活性部を含む点欠陥を設け、外部励起手段によって活性部を励起することで、該活性部は光共振器として動作する。ＰＢＧによる光閉じ込め効果が十分に大きければ、該活性部でレーザ発振が起こる。外部励起手段としては、光励起や電流注入励起等、様々な励起手段を用いることができる。
【０００７】
光閉じ込め効果は、３次元フォトニック結晶を用いたときに最も大きくなる。全方向にＰＢＧを有する構造を実現できるためである。３次元フォトニック結晶を用いた電流注入型光制御素子として、特許文献１にて開示されたものがある。
【０００８】
このような３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子において、電流狭窄領域を精密に制御することが望まれている。
【０００９】
例えば、３次元フォトニック結晶の内部に設けた活性部にキャリアを注入する場合について説明する。この場合、活性部は３次元的な複雑な構造に囲まれているため、キャリアの伝導経路が複雑になる。また、フォトニック結晶は、使用波長以下の長さを有する屈折率分布を持つ構造により構成されているため、キャリアを伝導する伝導路の断面積が微小であり、直列抵抗が高い。したがって、活性部に効率良くキャリアを注入するためには、電流狭窄領域を精密に制御することが必要とされている。
【００１０】
また、３次元フォトニック結晶の内部に欠陥共振器構造を設けて発光素子を構成する場合には、該共振器内の活性部に対してキャリアを所望の空間分布で注入することが重要である。共振器が有する電場強度分布と活性部におけるキャリア空間分布とが一致しないと、活性部が効率良く励起されず、発光効率が低下するためである。
【００１１】
従来の半導体レーザ素子における電流狭窄構造として、非特許文献４に開示された垂直共振器型レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
【００１２】
半導体レーザ素子において、活性部へのキャリア注入効率を高めるために、電流狭窄構造を設けることは重要である。電流狭窄構造を製作する方法として、電流狭窄領域に対する、選択酸化、選択窒化、アニール及びイオン注入等の様々な方法がある。例えば、ＧａＡｓ系半導体レーザにおいては、電流狭窄構造を構成する材料として、ＡｌＡｓ酸化膜が用いられる。
【特許文献１】特開２００１−２５７４２５号公報
【非特許文献１】Physical Review Letters,Vol.58,pp.2059,1987年
【非特許文献２】Physical Review B,Vol.64,075313,2001年
【非特許文献３】Applied Physics Letters,Vol.82,pp.3835,2003年
【非特許文献４】伊賀健一他、『面発光レーザの基礎と応用』，共立出版株式会社，pp.109,1999年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、このＡｌＡｓ酸化膜を、そのままＧａＡｓ系材料を用いた３次元フォトニック結晶構造に適用すると問題がある。ＡｌＡｓ酸化膜の屈折率は約１．５であり、ＧａＡｓの屈折率である約３．３とは大きく異なる。このため、電流狭窄領域を設けた３次元フォトニック結晶構造においては、フォトニック結晶を構成する材料の屈折率が低下し、その結果、ＰＢＧ性能が悪化する。したがって、光閉じ込め効果の低下やＰＢＧ帯域の縮小又は消滅により、発光効率の低下や発振波長の制限を引き起こす原因となる。
【００１４】
また、従来技術を３次元フォトニック結晶構造に適用して、電流狭窄構造を製作した例を図１６Ａ及び図１６Ｂに示す。１６１，１６５は３次元フォトニック結晶、１６３，１６７は活性部である。選択酸化、選択窒化及びアニール等で高抵抗化領域としての電流狭窄領域１６４，１６８を製作する場合には、素子構造の周囲から製作する必要があるため、電流狭窄領域１６４，１６８を３次元的に精密に制御することが困難である。一方、イオン注入等で電流狭窄領域１６４，１６８を製作する場合には、電流狭窄領域１６４，１６８と導電性領域との境界が不明瞭となり、電流狭窄領域１６４，１６８の精密な制御が不十分である。
【００１５】
また、バットジョイント法等、面内方向への異種材料接合を利用して電流狭窄構造を製作する方法も知られている。しかしながら、この方法を３次元フォトニック結晶構造に適用する場合に、異種材料接合の境界部分での構造制御が困難であるという問題がある。接合界面での構造乱れ（クラック、非密着、段差等）は、フォトニック結晶構造における構造揺らぎの要因となる。構造揺らぎは、フォトニック結晶構造が有するＰＢＧ性能の低下や不要な共振モードの発生等の原因となり、発光効率の低下や動作波長帯域の狭帯域化、不要ノイズの増加等の悪影響が生じる。
【００１６】
以上のことから、従来の半導体レーザ素子で採用されている電流狭窄構造を、そのまま３次元フォトニック結晶構造に適用することは困難である。
【００１７】
また、特許文献１にて開示された半導体レーザ素子は、活性部に対して面内方向の両側から正孔と電子とを注入する構造で、かつｎ型キャリア伝導路及び導波路とｐ型キャリア伝導路及び導波路とを共有した半導体レーザ構造を有する。ｎ型領域及びｐ型領域は、イオン注入によって製作される。
【００１８】
特許文献１にて開示された半導体レーザ素子では、ロッド部分を伝導路として用いているが、特許文献１には電流狭窄構造については述べられておらず、３次元フォトニック結晶構造全体を伝導路として利用している。したがって、直列抵抗が上昇し、キャリア注入効率が下がる。これは、高い電圧を印加しないと半導体レーザ素子として動作しないことを意味しており、発光効率の低下が懸念される。また、発熱の観点からも望ましくない。
【００１９】
このように、特許文献１には、キャリア注入を効率良く行うための電流狭窄構造や電流狭窄領域の精密な制御に関する具体的手段は示されていない。
【００２０】
本発明は、電流狭窄領域を精密に制御することができるようにした、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一側面としての電流注入型光制御素子は、周期的に配置された複数の第１の構造体をそれぞれ含む複数の周期構造層が、該周期構造層に平行な面内に離散的に配置された複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで積層されて構成された３次元フォトニック結晶と、該３次元フォトニック結晶の内部に配置された活性部と、該３次元フォトニック結晶のうち導電性材料により構成された部分に接する電極とを有する。複数の第２の構造体は、互いに異なる２以上の導電性材料により構成されている。そして、該２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料により構成された第２の構造体が、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くように配置されていることを特徴とする。
【００２２】
なお、上記電流注入型光制御素子と、該光制御素子の電極に電流を注入する電流注入手段とを含む光制御装置も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子において、電流狭窄領域を精密に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１には、本発明の実施例１である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての発光素子の構造を示している。
【００２６】
発光素子１は、３次元フォトニック結晶１０と、該３次元フォトニック結晶１０の内部に設けられた点欠陥構造１１と、電流狭窄構造１２と、ｎ型電極１３と、ｐ型電極１４とを有する。
【００２７】
点欠陥構造１１は、利得媒質を含む材料により構成され、活性部として機能する。また、点欠陥構造１１は、ｎ型領域１５とｐ型領域１６とにより挟まれている。
【００２８】
ｎ型領域１５とｐ型領域１６のそれぞれ（導電性材料により構成された部分）に接するｎ型電極１３とｐ型電極１４には、電流注入手段としての電流制御回路５０が接続されている。電流注入型光制御素子（発光素子１）と電流制御回路５０とにより光制御装置が構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【００２９】
３次元フォトニック結晶は、例えば図２Ａ〜図２Ｃに示す構造２１、構造２２又は構造２３を有する。構造２１〜２３は、概念的には以下の構造を有する。括弧内の符号は、図２Ａに示されたものである。
【００３０】
該構造２１〜２３は、周期的に配置された複数の第１の構造体（２０１，２０３，２０５，２０７）をそれぞれ含む複数の周期構造層を有する。第１の構造体は、柱状構造体である。各周期構造層は、屈折率が周期的に変化する層である。また、構造２１〜２３は、周期構造層に平行な面内に離散的に配置された複数の第２の構造体（２０２，２０４，２０６，２０８）を含む複数の離散構造層を有する。第２の構造体は、平板状構造体である。そして、複数の周期構造層は、その間に少なくとも１つの離散構造層を挟んで積層されて構成されている。
【００３１】
より具体的に説明すると、構造２１〜２３は、それぞれ第１の方向（ｙ方向）に延びる複数の第１の構造体（２０１，２０５）が互いに間隔をあけて、第１の方向に直交する第２の方向（ｘ方向）に周期的に配置された第１周期構造層及び第３周期構造層を有する。また、それぞれ第２の方向に延びる複数の第１の構造体（２０３，２０７）が互いに間隔をあけて第１の方向に周期的に配置された第２周期構造層及び第４周期構造層を有する。そして、第１から第４周期構造層は、複数の第２の構造体（２０２，２０４，２０６，２０８）を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで、第１から第４周期構造層の順に積層されて構成されている。
【００３２】
第１周期構造層に含まれる第１の構造体（２０１）と第３周期構造層に含まれる第１の構造体（２０５）とが第２の方向において半周期ずれて配置されている。また、第２周期構造層に含まれる第１の構造体（２０３）と第４周期構造層に含まれる第１の構造体（２０７）とが第１の方向において半周期ずれて配置されている。第２の構造体は、第１の方向に延びる第１の構造体と第２の方向に延びる第１の構造体とが立体的に交差する位置（言い換えれば、該第１の構造体の交点に相当する位置）に配置されている。
【００３３】
なお、図２Ａ〜図２Ｃにおいては、ｘ，ｙ，ｚ方向のそれぞれにおいて任意の周期数を有するが、図では省略している。このことは、後述する他の実施例においても同じである。
【００３４】
点欠陥構造１１としては、例えば図３Ａに示す構造３１を用いることができる。構造３１は、構造２１における柱状構造体の一部の形状を変形し、周期構造の一部を乱すように形成されている。図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ−Ｂ線での断面を示している。ｘ，ｙ，ｚ方向での長さ、位置、個数及び屈折率を適切に設定した構造３１（点欠陥構造１１）を設けることで、該構造を含む領域に電場を集中させ、特定の共振モードを励起することができる。
【００３５】
構造３１は、利得媒質を含む材料から構成された活性部として構成されている。活性部は、化合物半導体材料やそれらを用いたバルク構造、量子井戸構造、量子ドット構造等ど、様々な構造を持つことができる。
【００３６】
バルク構造と比較して、量子井戸構造や量子ドット構造は、電子から光への変換効率において優れており、特に、量子ドット構造は、電子から光への変換効率が高く、温度特性が優れているため、好ましい。
【００３７】
図４には、構造（フォトニック結晶）２１の内部に、図１に示した点欠陥構造１１に相当する点欠陥共振器を設けた発光素子４の構造例（ｘｚ断面）を示す。発光素子４は、フォトニック結晶４１と、点欠陥共振器４２と、電流狭窄構造４３と、ｎ型領域４４と、ｐ型領域４５と、ｎ型電極４６と、ｐ型電極４７と、基板４８とを有する。ｎ型電極４６は、ｎ型領域４４に接する。また、ｐ型電極４７は、ｐ型領域４５に接する。
【００３８】
点欠陥共振器４２は、利得媒質を含む活性部として構成されている。この構造例では、複数の離散構造層に含まれる複数の第２の構造体を、互いに異なる２以上の導電性材料により構成している。そして、該複数の第２の構造体のうち、電流狭窄構造４３として機能する第２の構造体を、上記２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料（以下、高抵抗材料という）により構成している。
【００３９】
図５には、図４に示した発光素子４の内部（ｘｚ断面）におけるｎ型キャリア及びｐ型キャリアの伝導の仕方の例を示す。ｎ型キャリアは電子に、ｐ型キャリアは正孔に相当する。ｎ型電極４６及びｐ型電極４７に電流を注入すると、ｎ型電極４６からはｎ型キャリア５１が、ｐ型電極４７からはｐ型キャリア５２が点欠陥共振器４２に向かって流れる。ｎ型キャリアとｐ型キャリアは、点欠陥共振器（活性部）４２において結合して光を発する。
【００４０】
ｐ型キャリアの伝導経路に注目すると、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造４３による障壁を越えることができないため、ｐ型キャリアの流れはそこで遮断される。そして、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造のない点欠陥共振器４２の近傍に配置された第２の構造体を経由して該点欠陥共振器４２に集中する。すなわち、高抵抗材料により構成された第２の構造体（電流狭窄構造４３）は、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くキャリア伝導路を形成するように配置されている。したがって、効率良く活性部に対するキャリア注入を行うことができる。ｎ型キャリアの伝導経路についても同様である。高抵抗材料により構成された電流狭窄構造は、ｎ型キャリアの伝送経路およびp型キャリア伝送経路のどちらに配置してもよいが、より望ましくは、p型キャリア伝送経路に配置すると効果的である。ｎ型キャリアの伝送経路及びp型キャリア伝送経路の両方に配置してもよい。
【００４１】
高抵抗材料としては、ＳｉＯ２やＴａ２Ｏ５等の誘電体材料、ＳｉＮやＡｌＮ等の窒化膜が代表例として挙げられるが、その他様々な高抵抗材料を用いることができる。ここにいう好ましい高抵抗材料の抵抗率は、１．０ｘ１０３Ω・ｍオーダー以上であるが、この値よりも小さな抵抗率を有する材料を用いてもよい。ただし、極端に抵抗率が小さい材料を高抵抗材料として用いると、十分な障壁が得られず、適切な電流狭窄構造が得られなくなる。
【００４２】
一方、フォトニック結晶（第１の構造体）を構成する材料としては、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ等の化合物半導体材料、ＴｉＯ２，ＺｎＯ等の金属酸化物導電性材料、有機半導体材料等の導電性材料が代表例として挙げられる。ただし、その他様々な材料を用いることもできる。
【００４３】
活性部には、化合物半導体材料やそれらを含む材料から構成された量子井戸構造、量子ドット構造等、様々な構造を持たせることができる。
【００４４】
電流狭窄構造の製作方法としては、例えば薄膜積層手法を基本にしたレイヤーバイレイヤー構造（ＬＢＬ構造）の製作手法を適用できる。図６を用いて、電流狭窄構造の製作プロセスの例を説明する。
【００４５】
図６中のa）では、犠牲層６１を空隙に充填し、平坦化処理を施す。ｂ）では、平坦化した面上に高抵抗材料６２を積層する。ｃ）では、離散構造を製作するためのマスク６３を製作する。ただし、電流狭窄構造として電流を遮断する領域に含まれる離散構造のみを製作する。
【００４６】
ｄ）では、電流を遮断するための離散構造（第２の構造体）の形状を転写して、電流狭窄構造６４を製作する。e）では、犠牲層６５を充填し、平坦化処理により離散構造の上面と同一平面で平坦化する。ｆ）では、ｐ型半導体材料から構成されているｐ型離散構造を製作するためのマスク６６を製作する。ｇ）では、ｐ型離散構造の形状を転写する。そして、ｈ）では、ｐ型半導体材料を充填して、ｐ型離散構造６７を製作する。
【００４７】
犠牲層は、ＡｕやＣｕ等の金属やシルセスキオキサン等を用いることができる。ただし、パターン製作に使用するマスク材料を除去する際に用いるプロセスで犠牲層が除去されないような材料を選択する必要がある。犠牲層の充填方法としては、スパッタ、蒸着、スピンコート等の充填方法を用いることができる。平坦化処理方法としては、化学的機械的研磨法（Chemical Mechanical Polishing:CMP）等を用いることができる。高抵抗材料からなる層を製作する方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法等、様々な方法を用いることができる。
【００４８】
マスク材料６３としては、レジスト材料、金属材料、多層マスク等、様々な材料を用いることができる。ｐ型半導体材料の充填方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の成膜方法や、エピタキシャル結晶成長法等の結晶成長方法や、ナノ粒子充填方法といった様々な方法を用いることができる。
【００４９】
電流狭窄構造は、図７に示す例のように、複数層にわたって設けてもよい。図７に示す発光素子７は、３次元フォトニック結晶７１と、点欠陥共振器７２と、電流狭窄構造７３と、ｎ型領域７４と、ｐ型領域７５と、ｎ型電極７６と、ｐ型電極７７と、基板７８とを有する。この例では、高抵抗材料からなる離散構造（第２の構造体）を複数層にわたって配置することで、キャリア伝導路をより精密に制御することができる。電流狭窄構造を構成する離散構造の層数については、キャリア伝導路の制御性と製作プロセスとの兼ね合いにより自由に選択することができる。
【００５０】
３次元フォトニック結晶は、本実施例で示した構造以外の様々な構造を有するものを用いることができる。例えば、非特許文献３や非特許文献４に記載されている構造を用いてもよい。本発明におけるフォトニック結晶は、少なくとも先に図２Ａ〜図２Ｃを参照して概念的に説明した構造を有すればよい。言い換えれば、１次元的又は２次元的な屈折率周期構造を有する複数の周期構造層が積層され、該周期構造層の間に少なくとも１つの面内において離散的に配置された離散構造を含む離散構造層が挟まれた構造を有するフォトニック結晶であればよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【００５１】
以上のように、本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な発光素子を実現することができる。
【実施例２】
【００５２】
図８には、本発明の実施例２である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての発光素子の構造を示している。本実施例の発光素子は、線欠陥共振器を含む点で、点欠陥共振器を含む実施例１の発光素子と異なる。
【００５３】
発光素子８は、３次元フォトニック結晶８０と、該フォトニック結晶８０の内部に設けた線欠陥構造８１と、電流狭窄構造８２と、ｎ型電極８３と、ｐ型電極８４とを有する。
【００５４】
線欠陥構造８１は、利得媒質を含む材料により構成され、活性部として機能する。また、線欠陥構造８１は、ｎ型領域８５とｐ型領域８６とにより挟まれている。ｎ型電極８３とｐ型電極８４には、実施例１と同様に、不図示の電流注入手段としての電流制御回路が接続されている。
【００５５】
３次元フォトニック結晶は、図２Ａ〜図２Ｃに示した構造２１、構造２２又は構造２３を有する。ただし、実施例１で説明したように、構造２１〜２３以外の様々な構造を有していてもよい。
【００５６】
構造２２に相当する構造を有する３次元フォトニック結晶の内部に、図８に示した線欠陥構造８１に相当する線欠陥共振器を設けた場合の構造例を図９Ａ〜図９Ｃに示す。図９Ａは３次元フォトニック結晶のｘｚ断面を示している。線欠陥構造９０，９００は、図の紙面に垂直な方向に延びている。図９Ｂ及び図９Ｃにはそれぞれ、図９Ａの３次元フォトニック結晶をＣ−Ｄ線及びＥ−Ｆ線で切断したときの断面（ｘｙ断面）を示す。
【００５７】
３次元フォトニック結晶において、線欠陥構造のｘ，ｙ，ｚ方向における長さや位置、個数、材料等を適切に設定することで、線欠陥構造の領域に電場を集中させ、特定の共振モードを励起することができる。図９Ａ〜図９Ｃに示した線欠陥構造９０，９００のうち少なくとも一方を、利得媒質を含む材料により構成して活性部として機能させる。より好ましくは、電場強度がより強く集中する領域に活性部を配置するとよい。このとき、線欠陥構造９０，９００は、線欠陥共振器として動作する。
【００５８】
活性部には、化合物半導体材料やそれらを用いた量子井戸構造、量子ドット構造等、様々な構造を持たせることができる。
【００５９】
図１０には、構造（フォトニック結晶）２２の内部に、図８に示した線欠陥構造８１に相当する線欠陥共振器を設けた発光素子１００の構造例（ｘｚ断面）を示す。発光素子１００は、フォトニック結晶１０１と、線欠陥共振器１０２１，１０２２と、電流狭窄構造１０３と、ｎ型領域１０４と、ｐ型領域１０５と、ｎ型電極１０９と、ｐ型電極１０７と、基板１０８とを有する。ｎ型電極１０９は、ｎ型領域１０４の少なくとも一部に接する。また、ｐ型電極１０７は、ｐ型領域１０５の少なくとも一部に接する。線欠陥共振器１０２２は、利得媒質を含む活性部として構成されている。
【００６０】
本実施例でも、複数の離散構造層に含まれる複数の第２の構造体を、互いに異なる２以上の導電性材料により構成している。そして、該複数の第２の構造体のうち、電流狭窄構造１０３として機能する第２の構造体を、上記２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料（高抵抗材料）により構成している。
【００６１】
ｎ型電極１０６及びｐ型電極１０７に電流を注入すると、ｎ型電極１０６からはｎ型キャリアが、ｐ型電極１０７からはｐ型キャリアが線欠陥共振器１０２２に向かって流れる。ｎ型キャリアとｐ型キャリアは、線欠陥共振器（活性部）１０２２において結合して光を発する。
【００６２】
ｐ型キャリアの伝導経路に注目すると、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造１０３による障壁を越えることができないため、ｐ型キャリアの流れはそこで遮断される。そして、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造のない線欠陥共振器１０２２の近傍に配置された第２の構造体を経由して該線欠陥共振器１０２２に集中する。すなわち、高抵抗材料により構成された第２の構造体（電流狭窄構造１０３）は、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くキャリア伝導路を形成するように配置されている。したがって、効率良く活性部に対するキャリア注入を行うことができる。ｎ型キャリアの伝導経路についても同様である。
【００６３】
本実施例でも、高抵抗材料により構成される第２の構造体を複数層にわたって配置し、キャリア伝導路をより精密に制御してもよい。
【００６４】
線欠陥共振器（活性部）１０２２で結合したキャリアから発生した光のうち、該線欠陥共振器１０２２が持つ共振波長に一致する波長を有する光は、共振して増幅され、レーザ発振する。レーザ光は、発光素子１００から外部へと射出する。
【００６５】
本実施例の発光素子１００を製作するための製作方法及び材料については、実施例１にて説明したものと同様の製作方法及び材料を用いることができる。
【００６６】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な発光素子を実現することができる。
【実施例３】
【００６７】
本発明の実施例３である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としてのマッハ・ツェンダー型導波路光変調素子について説明する。
【００６８】
マッハ・ツェンダー型導波路光変調素子は、マッハ・ツェンダー型干渉計の原理を応用したものであり、１つの光路を２つの光路に分割し、一方の光路に対してのみ位相差を与えた後に１つの光路に合成することで光強度を変調することができる。２つの光路の光路長差が０か光学波長の整数倍である場合には、入射光と同じ強度の光が射出するが、光路長差が光学波長の半波長か（半波長＋波長）の整数倍である場合には、位相が打ち消しあって射出光強度は０になる。
【００６９】
図１１に、本実施例のマッハ・ツェンダー型導波路光変調素子１１０の構造を示す。基板１１０１上に、３次元フォトニック結晶１１０２と、線欠陥導波路構造１１０３と、電流狭窄構造１１０４とが設けられている。
【００７０】
線欠陥導波路構造１１０３は、入力導波路部１１１１と、出力導波路部１１１２と、分岐導波路部１１１３，１１１４と、光導波路部１１１５，１１１６、活性部である光変調領域１１１７とを有する。図では省略しているが、光変調領域１１１７は、ｎ型領域とｐ型領域とに狭まれている。また、ｎ型領域はｎ型電極１１１８に接し、ｐ型領域の一部はｐ型電極１１１９に接している。図に示す電極１１１８，１１１９の大きさや配置は例であり、これ以外の大きさや配置を選択してもよい。
【００７１】
ｎ型電極１１１８及びｐ型電極１１１９には、電流注入手段としての電流制御回路１１２０が接続されている。
【００７２】
電流制御回路１１２０によりｎ型電極１１１８及びｐ型電極１１１９に注入する電流を制御して、該ｎ型電極１１１８及びｐ型電極１１１９から３次元フォトニック結晶１１０２内に注入するキャリアの量を増減させる。これにより、光変調領域１１１７の近傍での実効的な屈折率を変調することができる。この結果、導波路部１１１５，１１１６を伝播する光の光路長差を制御することができ、出力導波路部１１１２から出力される光強度を制御することができる。
【００７３】
３次元フォトニック結晶１１０２及び線欠陥導波路構造１１０３には、前述した実施例１，２にて説明した構造のほか、様々な構造を持たせることができる。
【００７４】
電流狭窄構造１１０４を構成する高抵抗材料により形成された離散構造体（第２の構造体）は、１つの離散構造層にのみ配置してもよいし、複数の離散構造層に配置してもよい。
【００７５】
基板１１０１の材料としては、導波モード周波数において吸収を持たない材料を用いることが好ましい。可視光領域での動作を例に挙げれば、石英やガラス等の透明で導電性が小さい材料がより好ましい。このような材料を用いることで、基板１１０１へのキャリアの流出を防ぎ、より効果的にキャリア注入を行うことができる。
【００７６】
線欠陥導波路構造１１０３には、図１１に示した構造以外に、図１２に示す構造等、様々な構造を持たせることができる。図１２に示す線欠陥導波路構造１２０は、入力導波路部１２０１，１２０２と、出力導波路部１２０３，１２０４と、光結合部１２０５，１２０６と、光導波路部１２０７，１２０８と、光変調領域１２０９とを有する。
【００７７】
光結合部１２０５，１２０６は、３ｄＢカプラーとして動作し、光導波路部１２０７，１２０８に導波する光信号強度が等しくなるように構成されることが望ましい。また、光変調領域１２０９は、図１２では図示を省略している３次元フォトニック結晶のｎ型領域とｐ型領域とに狭まれており、ｎ型領域はｎ型電極に接し、ｐ型領域はｐ型電極に接している。
【００７８】
不図示の電流注入手段である電流制御回路からｎ型及びｐ型電極に注入する電流を制御して、該ｎ型及びｐ型電極から３次元フォトニック結晶内に注入するキャリアの量を増減させることで、光変調領域１２０９の近傍での実効的な屈折率を変調することができる。この結果、導波路部１２０７，１２０８を伝播する光の光路長差を制御することができ、出力導波路部１２０３，１２０４から出力される光強度を制御することができる。
【００７９】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な光変調素子を実現することができる。
【実施例４】
【００８０】
本発明の実施例４である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての半導体光増幅器について説明する。
【００８１】
光増幅器としては、共振型増幅器(Resonant Amplifier)や、進行波型増幅器(Traveling-Wave Amplifier)が知られている。
【００８２】
共振型増幅器は、入力光信号を共振器内で往復させて増幅するため、短い共振器長さで、かつ低励起条件下でも高い信号利得が得られる。共振型増幅器の利得波長帯域幅は、共振モードによって制限される。
【００８３】
一方、進行波形増幅器は、入力端面と出力端面における反射率が無視できる場合を称する。進行波形増幅器の利得波長帯域幅は、利得媒質の利得幅と同じ帯域になる。また、ファブリ・ペロー共振が原因となる利得リップルを抑制するために、端面反射率を抑制する必要がある。このような光増幅器の種類は、光増幅器の用途によって適宜選択することができる。
【００８４】
本実施例の光増幅器の構造例を図１３に示す。光増幅器１３０は、３次元フォトニック結晶１３００と、活性部である光増幅部１３０１と、電流狭窄構造１３０２と、ｎ型電極１３０３と、ｐ型電極１３０４と、ｎ型領域１３０５と、ｐ型領域１３０６とを有する。ｎ型領域１３０５及びｐ型領域１３０６のそれぞれに接するｎ型電極１３０３とｐ型電極１３０４には、実施例１と同様に、不図示の電流注入手段としての電流制御回路が接続されている。
【００８５】
光増幅部１３０１は、３次元フォトニック結晶１３００内に形成された線欠陥導波路構造により構成されている。その構造としては、例えば、実施例２で説明した線欠陥構造を用いることができる。
【００８６】
また、光増幅部１３０１には、増幅器として動作可能なバルク型、量子井戸型、量子ドット型等の様々な構造を持たせることができる。特に、量子ドット型は、電子から光への変換効率が高く、温度特性が優れているため、好ましい。
【００８７】
３次元フォトニック結晶１３００及び光増幅部（線欠陥導波路構造）１３０１には、前述した実施例１，２にて説明した構造のほか、様々な構造を持たせることができる。
【００８８】
電流狭窄構造１３０２を構成する高抵抗材料により形成された離散構造体（第２の構造体）は、１つの離散構造層にのみ配置してもよいし、複数の離散構造層に配置してもよい。
【００８９】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な光増幅器を実現することができる。
【実施例５】
【００９０】
本発明の実施例５である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての非線形波長変換素子について説明する。
【００９１】
本実施例の非線形波長変換素子は、３次元フォトニック結晶内に非線形光学材料により構成された線欠陥構造を含む。
【００９２】
図１４には、本実施例の波長変換素子の構造例を示している。波長変換素子１４０は、少なくとも一部が導電性材料により構成された３次元フォトニック結晶１４１と、非線形光学材料により構成された活性部である線欠陥構造１４２と、電流狭窄構造１４３と、電極１４４，１４５とを有する。電極１４４，１４５は、３次元フォトニック結晶１４１における導電性材料により構成された部分に接し、該電極１４４，１４５には、電流を注入するための電流注入手段としての電流制御回路（図示せず）が接続されている。
【００９３】
線欠陥構造１４２は光導波路であり、基本波を第二高調波に変換する領域として機能する。これにより、波長変換素子１４０は、フォトニックバンドと結合する周波数において強い非線形効果を生じ、第二高調波を発生する光変調素子として動作する。キャリア注入により非線形光学材料の屈折率を制御することによって、フォトニックバンド構造を制御し、効率の良い波長変換を行うことができる。
【００９４】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、波長変換効率の優れた高性能な波長変換素子を実現することができる。
【実施例６】
【００９５】
本発明の実施例６である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子について説明する。本実施例では、３次元フォトニック結晶内に２つ以上の活性部を有する光制御素子について説明する。
【００９６】
図１５には、本実施例の光制御素子の構造例を示す。光制御素子１５０は、３次元フォトニック結晶１５００と、３次元フォトニック結晶１５００の内部に設けられた点欠陥構造１５０１，１５０２と、電流狭窄構造１５０３とを有する。また、光制御素子１５０は、ｎ型領域１５１と、ｐ型領域１５２と、ｎ型電極１５０４と、ｐ型電極１５０５，１５０６と、基板１５０７とを有する。
【００９７】
点欠陥構造１５０１，１５０２は、利得媒質を含む材料により構成され、活性部として機能する。点欠陥構造１５０１，１５０２は、ｎ型領域１５１とｐ型領域１５２とに狭まれている。点欠陥構造１５０１，１５０２は、２つだけでなく、３つ以上設けてもよい。
【００９８】
ｎ型領域１５１及びｐ型領域１５２のそれぞれに接するｎ型電極１５０４及びｐ型電極１５０５，１５０６には、電流注入手段としての電流制御回路１５５０が接続されている。
【００９９】
高抵抗材料により構成された離散構造体（第２の構造体）によって電流狭窄構造１５０３を構成することにより、キャリア伝送路を精密に制御することができる。この結果、３次元フォトニック結晶１５００の内部に、２つ以上の活性部を設けた場合でも、各活性部に対して効率良くキャリア注入を行うことができる。
【０１００】
なお、図１５ではｐ型領域１５２の上面における２つの領域にｐ型電極１５０５，１５０６を分けて配置した場合を示したが、ｐ型領域１５２の上面全体にｐ型電極を配置してもよい。一方、図１５では、ｎ型領域１５１の下面全体にｎ型電極１５０４を配置した場合を示したが、ｎ型領域１５１の下面における２つの領域にｎ型電極を分けて配置してもよい。３次元フォトニック結晶内に配置した活性部を互いに独立して制御する場合には、ｎ型電極及びｐ型電極を分離して配置し、それぞれに対する電流注入を制御することが好ましい。
【０１０１】
また、図１５では、３次元フォトニック結晶１５００の内部に、活性部として２つの点欠陥構造が設けられている場合について説明したが、活性部として２つ以上の線欠陥構造を設けてもよい。
【０１０２】
３次元フォトニック結晶１５００及び点（又は線）欠陥構造には、前述した各実施例にて説明した構造のほか、様々な構造を持たせることができる。
【０１０３】
また、電流狭窄構造１５０３を構成する高抵抗材料により形成された離散構造体（第２の構造体）は、１つの離散構造層にのみ配置してもよいし、複数の離散構造層に配置してもよい。
【０１０４】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、２つ以上の活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、２つ以上の活性部へのキャリア注入を高効率に行うことができ、２つ以上の活性部を有する高性能な電流注入型光制御素子を実現することができる。
【０１０５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施例１である電流注入型光制御素子（発光素子）の構造例を示す図。
【図２Ａ】本発明の各実施例における３次元フォトニック結晶の構造例を示す図。
【図２Ｂ】各実施例における３次元フォトニック結晶の他の構造例を示す図。
【図２Ｃ】各実施例における３次元フォトニック結晶のさらに他の構造例を示す図。
【図３Ａ】実施例１における点欠陥構造を示すｘｚ断面図。
【図３Ｂ】実施例１における点欠陥構造を示すｘｙ断面図。
【図４】実施例１の発光素子の詳細構造を示す断面図。
【図５】図４の発光素子におけるキャリア伝導の仕方を示す図。
【図６】実施例１における電流狭窄構造の製作方法を示す図。
【図７】実施例１の変形例である発光素子の構造を示す断面図。
【図８】本発明の実施例である電流注入型光制御素子（発光素子）の構造例を示す図。
【図９Ａ】実施例２における線欠陥構造を示すｘｚ断面図。
【図９Ｂ】実施例２における線欠陥構造を示すｘｙ断面図。
【図９Ｃ】実施例２における線欠陥構造を示す他のｘｙ断面図。
【図１０】実施例２の発光素子の詳細構造を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例３である電流注入型光制御素子（光変調素子）の構造例を示す図。
【図１２】実施例３における光変調部の他のを示す図。
【図１３】本発明の実施例４である電流注入型光制御素子（光増幅器）の構造例を示す図。
【図１４】本発明の実施例５である電流注入型光制御素子（非線形波長変換素子）の構造例を示す図。
【図１５】本発明の実施例６である電流注入型光制御素子の構造例を示す図。
【図１６Ａ】電流狭窄領域を有する従来の電流注入型光制御素子の構造例を示す断面図。
【図１６Ｂ】電流狭窄領域を有する従来の電流注入型光制御素子の他の構造例を示す断面図。
【符号の説明】
【０１０７】
１，４，７，８，１００ 発光素子
１０，４１，７１，１０１，１１０２，１３００，１４１，１５００ ３次元フォトニック結晶
１１，３１，４２，７２ 点欠陥構造
１２，４３，７３，８２，１０３，１１０４，１３０２，１４３，１５０３ 電流狭窄構造
１３，４６，７６，８３，１０６，１１１８，１３０３，１５０４ ｎ型電極
１４，４７，７７，８４，１０７，１１１９，１３０４，１５０５，１５０６ ｐ型電極
１５，４４，７４，８５，１０４，１３０５，１５１ ｎ型領域
１６，４５，７５，８６，１０５，１３０６，１５２ ｐ型領域
５０，１１２０，１５５０ 電流制御回路
５１ ｎ型キャリア
５２ ｐ型キャリア
８１，９０，９００，１０２１，１０２２，１４２ 線欠陥構造
１１０ 光変調素子
１２０ マッハ・ツェンダー型光変調器
１１０３ 線欠陥導波路構造
１１０４ 電流狭窄構造
１１１１，１２０１，１２０２ 入力導波路部
１１１２，１２０３，１０２４ 出力導波路部
１１１３，１１１４，１２０５，１２０６ 光結合部
１１１５，１１１６，１２０７，１０２８ 光導波路部
１１１７，１２０９ 光変調領域
１３０ 光増幅器
１３０１ 光増幅領域
１４０ 非線形波長変換素子
１４４，１４５ 電極
１５０ 電流注入型光制御素子
２０１，２０３，２０５，２０７ 第１の構造体（柱状構造体）
２０２，２０４，２０６，２０８ 第２の構造体（離散構造体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶構造を用いた、発光素子、光変調素子及び波長変換素子等の電流注入型光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶構造を用いた発光素子、光変調素子及び光導波路等、様々な光学素子が提案されている。フォトニック結晶を用いることで、応答速度の高速化や効率の向上が期待できるためである。
【０００３】
フォトニック結晶とは、電磁波の波長以下の大きさを有する構造体によって、電磁波の透過及び反射特性等を制御するという概念であり、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１参照）。非特許文献１によれば、電磁波の波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過及び反射特性を制御することができ、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過及び反射特性を制御することができる。ある波長域において、入射角度に依存することなく、かつ光損失が無い１００％の反射率を呈する現象は、フォトニックバンドギャップ（以下、ＰＢＧという）と称される。非特許文献２，３には、フォトニック結晶の構造例が開示されている。
【０００４】
また、ＰＢＧを有するフォトニック結晶中に周期を乱す点欠陥や線欠陥を設けることで、欠陥部に電場強度を集中させることができる。点欠陥は共振器として、線欠陥は導波路として機能する。
【０００５】
ＰＢＧを呈する波長域（ＰＢＧ帯域）は、フォトニック結晶の次元、フォトニック結晶を構成する材料の屈折率、該材料の空間充填率、格子周期間隔及び格子形状等によって変化する。つまり、これらのパラメータを制御することで、光の透過及び反射特性を制御することができる。
【０００６】
ＰＢＧを有する構造の内部に活性部を含む点欠陥を設け、外部励起手段によって活性部を励起することで、該活性部は光共振器として動作する。ＰＢＧによる光閉じ込め効果が十分に大きければ、該活性部でレーザ発振が起こる。外部励起手段としては、光励起や電流注入励起等、様々な励起手段を用いることができる。
【０００７】
光閉じ込め効果は、３次元フォトニック結晶を用いたときに最も大きくなる。全方向にＰＢＧを有する構造を実現できるためである。３次元フォトニック結晶を用いた電流注入型光制御素子として、特許文献１にて開示されたものがある。
【０００８】
このような３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子において、電流狭窄領域を精密に制御することが望まれている。
【０００９】
例えば、３次元フォトニック結晶の内部に設けた活性部にキャリアを注入する場合について説明する。この場合、活性部は３次元的な複雑な構造に囲まれているため、キャリアの伝導経路が複雑になる。また、フォトニック結晶は、使用波長以下の長さを有する屈折率分布を持つ構造により構成されているため、キャリアを伝導する伝導路の断面積が微小であり、直列抵抗が高い。したがって、活性部に効率良くキャリアを注入するためには、電流狭窄領域を精密に制御することが必要とされている。
【００１０】
また、３次元フォトニック結晶の内部に欠陥共振器構造を設けて発光素子を構成する場合には、該共振器内の活性部に対してキャリアを所望の空間分布で注入することが重要である。共振器が有する電場強度分布と活性部におけるキャリア空間分布とが一致しないと、活性部が効率良く励起されず、発光効率が低下するためである。
【００１１】
従来の半導体レーザ素子における電流狭窄構造として、非特許文献４に開示された垂直共振器型レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
【００１２】
半導体レーザ素子において、活性部へのキャリア注入効率を高めるために、電流狭窄構造を設けることは重要である。電流狭窄構造を製作する方法として、電流狭窄領域に対する、選択酸化、選択窒化、アニール及びイオン注入等の様々な方法がある。例えば、ＧａＡｓ系半導体レーザにおいては、電流狭窄構造を構成する材料として、ＡｌＡｓ酸化膜が用いられる。
【特許文献１】特開２００１−２５７４２５号公報
【非特許文献１】Physical Review Letters,Vol.58,pp.2059,1987年
【非特許文献２】Physical Review B,Vol.64,075313,2001年
【非特許文献３】Applied Physics Letters,Vol.82,pp.3835,2003年
【非特許文献４】伊賀健一他、『面発光レーザの基礎と応用』，共立出版株式会社，pp.109,1999年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、このＡｌＡｓ酸化膜を、そのままＧａＡｓ系材料を用いた３次元フォトニック結晶構造に適用すると問題がある。ＡｌＡｓ酸化膜の屈折率は約１．５であり、ＧａＡｓの屈折率である約３．３とは大きく異なる。このため、電流狭窄領域を設けた３次元フォトニック結晶構造においては、フォトニック結晶を構成する材料の屈折率が低下し、その結果、ＰＢＧ性能が悪化する。したがって、光閉じ込め効果の低下やＰＢＧ帯域の縮小又は消滅により、発光効率の低下や発振波長の制限を引き起こす原因となる。
【００１４】
また、従来技術を３次元フォトニック結晶構造に適用して、電流狭窄構造を製作した例を図１６Ａ及び図１６Ｂに示す。１６１，１６５は３次元フォトニック結晶、１６３，１６７は活性部である。選択酸化、選択窒化及びアニール等で高抵抗化領域としての電流狭窄領域１６４，１６８を製作する場合には、素子構造の周囲から製作する必要があるため、電流狭窄領域１６４，１６８を３次元的に精密に制御することが困難である。一方、イオン注入等で電流狭窄領域１６４，１６８を製作する場合には、電流狭窄領域１６４，１６８と導電性領域との境界が不明瞭となり、電流狭窄領域１６４，１６８の精密な制御が不十分である。
【００１５】
また、バットジョイント法等、面内方向への異種材料接合を利用して電流狭窄構造を製作する方法も知られている。しかしながら、この方法を３次元フォトニック結晶構造に適用する場合に、異種材料接合の境界部分での構造制御が困難であるという問題がある。接合界面での構造乱れ（クラック、非密着、段差等）は、フォトニック結晶構造における構造揺らぎの要因となる。構造揺らぎは、フォトニック結晶構造が有するＰＢＧ性能の低下や不要な共振モードの発生等の原因となり、発光効率の低下や動作波長帯域の狭帯域化、不要ノイズの増加等の悪影響が生じる。
【００１６】
以上のことから、従来の半導体レーザ素子で採用されている電流狭窄構造を、そのまま３次元フォトニック結晶構造に適用することは困難である。
【００１７】
また、特許文献１にて開示された半導体レーザ素子は、活性部に対して面内方向の両側から正孔と電子とを注入する構造で、かつｎ型キャリア伝導路及び導波路とｐ型キャリア伝導路及び導波路とを共有した半導体レーザ構造を有する。ｎ型領域及びｐ型領域は、イオン注入によって製作される。
【００１８】
特許文献１にて開示された半導体レーザ素子では、ロッド部分を伝導路として用いているが、特許文献１には電流狭窄構造については述べられておらず、３次元フォトニック結晶構造全体を伝導路として利用している。したがって、直列抵抗が上昇し、キャリア注入効率が下がる。これは、高い電圧を印加しないと半導体レーザ素子として動作しないことを意味しており、発光効率の低下が懸念される。また、発熱の観点からも望ましくない。
【００１９】
このように、特許文献１には、キャリア注入を効率良く行うための電流狭窄構造や電流狭窄領域の精密な制御に関する具体的手段は示されていない。
【００２０】
本発明は、電流狭窄領域を精密に制御することができるようにした、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一側面としての電流注入型光制御素子は、周期的に配置された複数の第１の構造体をそれぞれ含む複数の周期構造層が、該周期構造層に平行な面内に離散的に配置された複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで積層されて構成された３次元フォトニック結晶と、該３次元フォトニック結晶の内部に配置された活性部と、該３次元フォトニック結晶のうち導電性材料により構成された部分に接する電極とを有する。複数の第２の構造体は、互いに異なる２以上の導電性材料により構成されている。そして、該２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料により構成された第２の構造体が、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くように配置されていることを特徴とする。
【００２２】
なお、上記電流注入型光制御素子と、該光制御素子の電極に電流を注入する電流注入手段とを含む光制御装置も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子において、電流狭窄領域を精密に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１には、本発明の実施例１である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての発光素子の構造を示している。
【００２６】
発光素子１は、３次元フォトニック結晶１０と、該３次元フォトニック結晶１０の内部に設けられた点欠陥構造１１と、電流狭窄構造１２と、ｎ型電極１３と、ｐ型電極１４とを有する。
【００２７】
点欠陥構造１１は、利得媒質を含む材料により構成され、活性部として機能する。また、点欠陥構造１１は、ｎ型領域１５とｐ型領域１６とにより挟まれている。
【００２８】
ｎ型領域１５とｐ型領域１６のそれぞれ（導電性材料により構成された部分）に接するｎ型電極１３とｐ型電極１４には、電流注入手段としての電流制御回路５０が接続されている。電流注入型光制御素子（発光素子１）と電流制御回路５０とにより光制御装置が構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【００２９】
３次元フォトニック結晶は、例えば図２Ａ〜図２Ｃに示す構造２１、構造２２又は構造２３を有する。構造２１〜２３は、概念的には以下の構造を有する。括弧内の符号は、図２Ａに示されたものである。
【００３０】
該構造２１〜２３は、周期的に配置された複数の第１の構造体（２０１，２０３，２０５，２０７）をそれぞれ含む複数の周期構造層を有する。第１の構造体は、柱状構造体である。各周期構造層は、屈折率が周期的に変化する層である。また、構造２１〜２３は、周期構造層に平行な面内に離散的に配置された複数の第２の構造体（２０２，２０４，２０６，２０８）を含む複数の離散構造層を有する。第２の構造体は、平板状構造体である。そして、複数の周期構造層は、その間に少なくとも１つの離散構造層を挟んで積層されて構成されている。
【００３１】
より具体的に説明すると、構造２１〜２３は、それぞれ第１の方向（ｙ方向）に延びる複数の第１の構造体（２０１，２０５）が互いに間隔をあけて、第１の方向に直交する第２の方向（ｘ方向）に周期的に配置された第１周期構造層及び第３周期構造層を有する。また、それぞれ第２の方向に延びる複数の第１の構造体（２０３，２０７）が互いに間隔をあけて第１の方向に周期的に配置された第２周期構造層及び第４周期構造層を有する。そして、第１から第４周期構造層は、複数の第２の構造体（２０２，２０４，２０６，２０８）を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで、第１から第４周期構造層の順に積層されて構成されている。
【００３２】
第１周期構造層に含まれる第１の構造体（２０１）と第３周期構造層に含まれる第１の構造体（２０５）とが第２の方向において半周期ずれて配置されている。また、第２周期構造層に含まれる第１の構造体（２０３）と第４周期構造層に含まれる第１の構造体（２０７）とが第１の方向において半周期ずれて配置されている。第２の構造体は、第１の方向に延びる第１の構造体と第２の方向に延びる第１の構造体とが立体的に交差する位置（言い換えれば、該第１の構造体の交点に相当する位置）に配置されている。
【００３３】
なお、図２Ａ〜図２Ｃにおいては、ｘ，ｙ，ｚ方向のそれぞれにおいて任意の周期数を有するが、図では省略している。このことは、後述する他の実施例においても同じである。
【００３４】
点欠陥構造１１としては、例えば図３Ａに示す構造３１を用いることができる。構造３１は、構造２１における柱状構造体の一部の形状を変形し、周期構造の一部を乱すように形成されている。図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ−Ｂ線での断面を示している。ｘ，ｙ，ｚ方向での長さ、位置、個数及び屈折率を適切に設定した構造３１（点欠陥構造１１）を設けることで、該構造を含む領域に電場を集中させ、特定の共振モードを励起することができる。
【００３５】
構造３１は、利得媒質を含む材料から構成された活性部として構成されている。活性部は、化合物半導体材料やそれらを用いたバルク構造、量子井戸構造、量子ドット構造等ど、様々な構造を持つことができる。
【００３６】
バルク構造と比較して、量子井戸構造や量子ドット構造は、電子から光への変換効率において優れており、特に、量子ドット構造は、電子から光への変換効率が高く、温度特性が優れているため、好ましい。
【００３７】
図４には、構造（フォトニック結晶）２１の内部に、図１に示した点欠陥構造１１に相当する点欠陥共振器を設けた発光素子４の構造例（ｘｚ断面）を示す。発光素子４は、フォトニック結晶４１と、点欠陥共振器４２と、電流狭窄構造４３と、ｎ型領域４４と、ｐ型領域４５と、ｎ型電極４６と、ｐ型電極４７と、基板４８とを有する。ｎ型電極４６は、ｎ型領域４４に接する。また、ｐ型電極４７は、ｐ型領域４５に接する。
【００３８】
点欠陥共振器４２は、利得媒質を含む活性部として構成されている。この構造例では、複数の離散構造層に含まれる複数の第２の構造体を、互いに異なる２以上の導電性材料により構成している。そして、該複数の第２の構造体のうち、電流狭窄構造４３として機能する第２の構造体を、上記２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料（以下、高抵抗材料という）により構成している。
【００３９】
図５には、図４に示した発光素子４の内部（ｘｚ断面）におけるｎ型キャリア及びｐ型キャリアの伝導の仕方の例を示す。ｎ型キャリアは電子に、ｐ型キャリアは正孔に相当する。ｎ型電極４６及びｐ型電極４７に電流を注入すると、ｎ型電極４６からはｎ型キャリア５１が、ｐ型電極４７からはｐ型キャリア５２が点欠陥共振器４２に向かって流れる。ｎ型キャリアとｐ型キャリアは、点欠陥共振器（活性部）４２において結合して光を発する。
【００４０】
ｐ型キャリアの伝導経路に注目すると、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造４３による障壁を越えることができないため、ｐ型キャリアの流れはそこで遮断される。そして、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造のない点欠陥共振器４２の近傍に配置された第２の構造体を経由して該点欠陥共振器４２に集中する。すなわち、高抵抗材料により構成された第２の構造体（電流狭窄構造４３）は、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くキャリア伝導路を形成するように配置されている。したがって、効率良く活性部に対するキャリア注入を行うことができる。ｎ型キャリアの伝導経路についても同様である。高抵抗材料により構成された電流狭窄構造は、ｎ型キャリアの伝送経路およびp型キャリア伝送経路のどちらに配置してもよいが、より望ましくは、p型キャリア伝送経路に配置すると効果的である。ｎ型キャリアの伝送経路及びp型キャリア伝送経路の両方に配置してもよい。
【００４１】
高抵抗材料としては、ＳｉＯ２やＴａ２Ｏ５等の誘電体材料、ＳｉＮやＡｌＮ等の窒化膜が代表例として挙げられるが、その他様々な高抵抗材料を用いることができる。ここにいう好ましい高抵抗材料の抵抗率は、１．０ｘ１０３Ω・ｍオーダー以上であるが、この値よりも小さな抵抗率を有する材料を用いてもよい。ただし、極端に抵抗率が小さい材料を高抵抗材料として用いると、十分な障壁が得られず、適切な電流狭窄構造が得られなくなる。
【００４２】
一方、フォトニック結晶（第１の構造体）を構成する材料としては、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ等の化合物半導体材料、ＴｉＯ２，ＺｎＯ等の金属酸化物導電性材料、有機半導体材料等の導電性材料が代表例として挙げられる。ただし、その他様々な材料を用いることもできる。
【００４３】
活性部には、化合物半導体材料やそれらを含む材料から構成された量子井戸構造、量子ドット構造等、様々な構造を持たせることができる。
【００４４】
電流狭窄構造の製作方法としては、例えば薄膜積層手法を基本にしたレイヤーバイレイヤー構造（ＬＢＬ構造）の製作手法を適用できる。図６を用いて、電流狭窄構造の製作プロセスの例を説明する。
【００４５】
図６中のa）では、犠牲層６１を空隙に充填し、平坦化処理を施す。ｂ）では、平坦化した面上に高抵抗材料６２を積層する。ｃ）では、離散構造を製作するためのマスク６３を製作する。ただし、電流狭窄構造として電流を遮断する領域に含まれる離散構造のみを製作する。
【００４６】
ｄ）では、電流を遮断するための離散構造（第２の構造体）の形状を転写して、電流狭窄構造６４を製作する。e）では、犠牲層６５を充填し、平坦化処理により離散構造の上面と同一平面で平坦化する。ｆ）では、ｐ型半導体材料から構成されているｐ型離散構造を製作するためのマスク６６を製作する。ｇ）では、ｐ型離散構造の形状を転写する。そして、ｈ）では、ｐ型半導体材料を充填して、ｐ型離散構造６７を製作する。
【００４７】
犠牲層は、ＡｕやＣｕ等の金属やシルセスキオキサン等を用いることができる。ただし、パターン製作に使用するマスク材料を除去する際に用いるプロセスで犠牲層が除去されないような材料を選択する必要がある。犠牲層の充填方法としては、スパッタ、蒸着、スピンコート等の充填方法を用いることができる。平坦化処理方法としては、化学的機械的研磨法（Chemical Mechanical Polishing:CMP）等を用いることができる。高抵抗材料からなる層を製作する方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法等、様々な方法を用いることができる。
【００４８】
マスク材料６３としては、レジスト材料、金属材料、多層マスク等、様々な材料を用いることができる。ｐ型半導体材料の充填方法としては、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の成膜方法や、エピタキシャル結晶成長法等の結晶成長方法や、ナノ粒子充填方法といった様々な方法を用いることができる。
【００４９】
電流狭窄構造は、図７に示す例のように、複数層にわたって設けてもよい。図７に示す発光素子７は、３次元フォトニック結晶７１と、点欠陥共振器７２と、電流狭窄構造７３と、ｎ型領域７４と、ｐ型領域７５と、ｎ型電極７６と、ｐ型電極７７と、基板７８とを有する。この例では、高抵抗材料からなる離散構造（第２の構造体）を複数層にわたって配置することで、キャリア伝導路をより精密に制御することができる。電流狭窄構造を構成する離散構造の層数については、キャリア伝導路の制御性と製作プロセスとの兼ね合いにより自由に選択することができる。
【００５０】
３次元フォトニック結晶は、本実施例で示した構造以外の様々な構造を有するものを用いることができる。例えば、非特許文献３や非特許文献４に記載されている構造を用いてもよい。本発明におけるフォトニック結晶は、少なくとも先に図２Ａ〜図２Ｃを参照して概念的に説明した構造を有すればよい。言い換えれば、１次元的又は２次元的な屈折率周期構造を有する複数の周期構造層が積層され、該周期構造層の間に少なくとも１つの面内において離散的に配置された離散構造を含む離散構造層が挟まれた構造を有するフォトニック結晶であればよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【００５１】
以上のように、本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な発光素子を実現することができる。
【実施例２】
【００５２】
図８には、本発明の実施例２である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての発光素子の構造を示している。本実施例の発光素子は、線欠陥共振器を含む点で、点欠陥共振器を含む実施例１の発光素子と異なる。
【００５３】
発光素子８は、３次元フォトニック結晶８０と、該フォトニック結晶８０の内部に設けた線欠陥構造８１と、電流狭窄構造８２と、ｎ型電極８３と、ｐ型電極８４とを有する。
【００５４】
線欠陥構造８１は、利得媒質を含む材料により構成され、活性部として機能する。また、線欠陥構造８１は、ｎ型領域８５とｐ型領域８６とにより挟まれている。ｎ型電極８３とｐ型電極８４には、実施例１と同様に、不図示の電流注入手段としての電流制御回路が接続されている。
【００５５】
３次元フォトニック結晶は、図２Ａ〜図２Ｃに示した構造２１、構造２２又は構造２３を有する。ただし、実施例１で説明したように、構造２１〜２３以外の様々な構造を有していてもよい。
【００５６】
構造２２に相当する構造を有する３次元フォトニック結晶の内部に、図８に示した線欠陥構造８１に相当する線欠陥共振器を設けた場合の構造例を図９Ａ〜図９Ｃに示す。図９Ａは３次元フォトニック結晶のｘｚ断面を示している。線欠陥構造９０，９００は、図の紙面に垂直な方向に延びている。図９Ｂ及び図９Ｃにはそれぞれ、図９Ａの３次元フォトニック結晶をＣ−Ｄ線及びＥ−Ｆ線で切断したときの断面（ｘｙ断面）を示す。
【００５７】
３次元フォトニック結晶において、線欠陥構造のｘ，ｙ，ｚ方向における長さや位置、個数、材料等を適切に設定することで、線欠陥構造の領域に電場を集中させ、特定の共振モードを励起することができる。図９Ａ〜図９Ｃに示した線欠陥構造９０，９００のうち少なくとも一方を、利得媒質を含む材料により構成して活性部として機能させる。より好ましくは、電場強度がより強く集中する領域に活性部を配置するとよい。このとき、線欠陥構造９０，９００は、線欠陥共振器として動作する。
【００５８】
活性部には、化合物半導体材料やそれらを用いた量子井戸構造、量子ドット構造等、様々な構造を持たせることができる。
【００５９】
図１０には、構造（フォトニック結晶）２２の内部に、図８に示した線欠陥構造８１に相当する線欠陥共振器を設けた発光素子１００の構造例（ｘｚ断面）を示す。発光素子１００は、フォトニック結晶１０１と、線欠陥共振器１０２１，１０２２と、電流狭窄構造１０３と、ｎ型領域１０４と、ｐ型領域１０５と、ｎ型電極１０９と、ｐ型電極１０７と、基板１０８とを有する。ｎ型電極１０９は、ｎ型領域１０４の少なくとも一部に接する。また、ｐ型電極１０７は、ｐ型領域１０５の少なくとも一部に接する。線欠陥共振器１０２２は、利得媒質を含む活性部として構成されている。
【００６０】
本実施例でも、複数の離散構造層に含まれる複数の第２の構造体を、互いに異なる２以上の導電性材料により構成している。そして、該複数の第２の構造体のうち、電流狭窄構造１０３として機能する第２の構造体を、上記２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料（高抵抗材料）により構成している。
【００６１】
ｎ型電極１０６及びｐ型電極１０７に電流を注入すると、ｎ型電極１０６からはｎ型キャリアが、ｐ型電極１０７からはｐ型キャリアが線欠陥共振器１０２２に向かって流れる。ｎ型キャリアとｐ型キャリアは、線欠陥共振器（活性部）１０２２において結合して光を発する。
【００６２】
ｐ型キャリアの伝導経路に注目すると、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造１０３による障壁を越えることができないため、ｐ型キャリアの流れはそこで遮断される。そして、ｐ型キャリアは、電流狭窄構造のない線欠陥共振器１０２２の近傍に配置された第２の構造体を経由して該線欠陥共振器１０２２に集中する。すなわち、高抵抗材料により構成された第２の構造体（電流狭窄構造１０３）は、電流が注入された電極から活性部にキャリアを集中させて導くキャリア伝導路を形成するように配置されている。したがって、効率良く活性部に対するキャリア注入を行うことができる。ｎ型キャリアの伝導経路についても同様である。
【００６３】
本実施例でも、高抵抗材料により構成される第２の構造体を複数層にわたって配置し、キャリア伝導路をより精密に制御してもよい。
【００６４】
線欠陥共振器（活性部）１０２２で結合したキャリアから発生した光のうち、該線欠陥共振器１０２２が持つ共振波長に一致する波長を有する光は、共振して増幅され、レーザ発振する。レーザ光は、発光素子１００から外部へと射出する。
【００６５】
本実施例の発光素子１００を製作するための製作方法及び材料については、実施例１にて説明したものと同様の製作方法及び材料を用いることができる。
【００６６】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な発光素子を実現することができる。
【実施例３】
【００６７】
本発明の実施例３である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としてのマッハ・ツェンダー型導波路光変調素子について説明する。
【００６８】
マッハ・ツェンダー型導波路光変調素子は、マッハ・ツェンダー型干渉計の原理を応用したものであり、１つの光路を２つの光路に分割し、一方の光路に対してのみ位相差を与えた後に１つの光路に合成することで光強度を変調することができる。２つの光路の光路長差が０か光学波長の整数倍である場合には、入射光と同じ強度の光が射出するが、光路長差が光学波長の半波長か（半波長＋波長）の整数倍である場合には、位相が打ち消しあって射出光強度は０になる。
【００６９】
図１１に、本実施例のマッハ・ツェンダー型導波路光変調素子１１０の構造を示す。基板１１０１上に、３次元フォトニック結晶１１０２と、線欠陥導波路構造１１０３と、電流狭窄構造１１０４とが設けられている。
【００７０】
線欠陥導波路構造１１０３は、入力導波路部１１１１と、出力導波路部１１１２と、分岐導波路部１１１３，１１１４と、光導波路部１１１５，１１１６、活性部である光変調領域１１１７とを有する。図では省略しているが、光変調領域１１１７は、ｎ型領域とｐ型領域とに狭まれている。また、ｎ型領域はｎ型電極１１１８に接し、ｐ型領域の一部はｐ型電極１１１９に接している。図に示す電極１１１８，１１１９の大きさや配置は例であり、これ以外の大きさや配置を選択してもよい。
【００７１】
ｎ型電極１１１８及びｐ型電極１１１９には、電流注入手段としての電流制御回路１１２０が接続されている。
【００７２】
電流制御回路１１２０によりｎ型電極１１１８及びｐ型電極１１１９に注入する電流を制御して、該ｎ型電極１１１８及びｐ型電極１１１９から３次元フォトニック結晶１１０２内に注入するキャリアの量を増減させる。これにより、光変調領域１１１７の近傍での実効的な屈折率を変調することができる。この結果、導波路部１１１５，１１１６を伝播する光の光路長差を制御することができ、出力導波路部１１１２から出力される光強度を制御することができる。
【００７３】
３次元フォトニック結晶１１０２及び線欠陥導波路構造１１０３には、前述した実施例１，２にて説明した構造のほか、様々な構造を持たせることができる。
【００７４】
電流狭窄構造１１０４を構成する高抵抗材料により形成された離散構造体（第２の構造体）は、１つの離散構造層にのみ配置してもよいし、複数の離散構造層に配置してもよい。
【００７５】
基板１１０１の材料としては、導波モード周波数において吸収を持たない材料を用いることが好ましい。可視光領域での動作を例に挙げれば、石英やガラス等の透明で導電性が小さい材料がより好ましい。このような材料を用いることで、基板１１０１へのキャリアの流出を防ぎ、より効果的にキャリア注入を行うことができる。
【００７６】
線欠陥導波路構造１１０３には、図１１に示した構造以外に、図１２に示す構造等、様々な構造を持たせることができる。図１２に示す線欠陥導波路構造１２０は、入力導波路部１２０１，１２０２と、出力導波路部１２０３，１２０４と、光結合部１２０５，１２０６と、光導波路部１２０７，１２０８と、光変調領域１２０９とを有する。
【００７７】
光結合部１２０５，１２０６は、３ｄＢカプラーとして動作し、光導波路部１２０７，１２０８に導波する光信号強度が等しくなるように構成されることが望ましい。また、光変調領域１２０９は、図１２では図示を省略している３次元フォトニック結晶のｎ型領域とｐ型領域とに狭まれており、ｎ型領域はｎ型電極に接し、ｐ型領域はｐ型電極に接している。
【００７８】
不図示の電流注入手段である電流制御回路からｎ型及びｐ型電極に注入する電流を制御して、該ｎ型及びｐ型電極から３次元フォトニック結晶内に注入するキャリアの量を増減させることで、光変調領域１２０９の近傍での実効的な屈折率を変調することができる。この結果、導波路部１２０７，１２０８を伝播する光の光路長差を制御することができ、出力導波路部１２０３，１２０４から出力される光強度を制御することができる。
【００７９】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な光変調素子を実現することができる。
【実施例４】
【００８０】
本発明の実施例４である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての半導体光増幅器について説明する。
【００８１】
光増幅器としては、共振型増幅器(Resonant Amplifier)や、進行波型増幅器(Traveling-Wave Amplifier)が知られている。
【００８２】
共振型増幅器は、入力光信号を共振器内で往復させて増幅するため、短い共振器長さで、かつ低励起条件下でも高い信号利得が得られる。共振型増幅器の利得波長帯域幅は、共振モードによって制限される。
【００８３】
一方、進行波形増幅器は、入力端面と出力端面における反射率が無視できる場合を称する。進行波形増幅器の利得波長帯域幅は、利得媒質の利得幅と同じ帯域になる。また、ファブリ・ペロー共振が原因となる利得リップルを抑制するために、端面反射率を抑制する必要がある。このような光増幅器の種類は、光増幅器の用途によって適宜選択することができる。
【００８４】
本実施例の光増幅器の構造例を図１３に示す。光増幅器１３０は、３次元フォトニック結晶１３００と、活性部である光増幅部１３０１と、電流狭窄構造１３０２と、ｎ型電極１３０３と、ｐ型電極１３０４と、ｎ型領域１３０５と、ｐ型領域１３０６とを有する。ｎ型領域１３０５及びｐ型領域１３０６のそれぞれに接するｎ型電極１３０３とｐ型電極１３０４には、実施例１と同様に、不図示の電流注入手段としての電流制御回路が接続されている。
【００８５】
光増幅部１３０１は、３次元フォトニック結晶１３００内に形成された線欠陥導波路構造により構成されている。その構造としては、例えば、実施例２で説明した線欠陥構造を用いることができる。
【００８６】
また、光増幅部１３０１には、増幅器として動作可能なバルク型、量子井戸型、量子ドット型等の様々な構造を持たせることができる。特に、量子ドット型は、電子から光への変換効率が高く、温度特性が優れているため、好ましい。
【００８７】
３次元フォトニック結晶１３００及び光増幅部（線欠陥導波路構造）１３０１には、前述した実施例１，２にて説明した構造のほか、様々な構造を持たせることができる。
【００８８】
電流狭窄構造１３０２を構成する高抵抗材料により形成された離散構造体（第２の構造体）は、１つの離散構造層にのみ配置してもよいし、複数の離散構造層に配置してもよい。
【００８９】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、活性部へのキャリア注入効率が優れた高性能な光増幅器を実現することができる。
【実施例５】
【００９０】
本発明の実施例５である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子としての非線形波長変換素子について説明する。
【００９１】
本実施例の非線形波長変換素子は、３次元フォトニック結晶内に非線形光学材料により構成された線欠陥構造を含む。
【００９２】
図１４には、本実施例の波長変換素子の構造例を示している。波長変換素子１４０は、少なくとも一部が導電性材料により構成された３次元フォトニック結晶１４１と、非線形光学材料により構成された活性部である線欠陥構造１４２と、電流狭窄構造１４３と、電極１４４，１４５とを有する。電極１４４，１４５は、３次元フォトニック結晶１４１における導電性材料により構成された部分に接し、該電極１４４，１４５には、電流を注入するための電流注入手段としての電流制御回路（図示せず）が接続されている。
【００９３】
線欠陥構造１４２は光導波路であり、基本波を第二高調波に変換する領域として機能する。これにより、波長変換素子１４０は、フォトニックバンドと結合する周波数において強い非線形効果を生じ、第二高調波を発生する光変調素子として動作する。キャリア注入により非線形光学材料の屈折率を制御することによって、フォトニックバンド構造を制御し、効率の良い波長変換を行うことができる。
【００９４】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、波長変換効率の優れた高性能な波長変換素子を実現することができる。
【実施例６】
【００９５】
本発明の実施例６である、３次元フォトニック結晶構造を用いた電流注入型光制御素子について説明する。本実施例では、３次元フォトニック結晶内に２つ以上の活性部を有する光制御素子について説明する。
【００９６】
図１５には、本実施例の光制御素子の構造例を示す。光制御素子１５０は、３次元フォトニック結晶１５００と、３次元フォトニック結晶１５００の内部に設けられた点欠陥構造１５０１，１５０２と、電流狭窄構造１５０３とを有する。また、光制御素子１５０は、ｎ型領域１５１と、ｐ型領域１５２と、ｎ型電極１５０４と、ｐ型電極１５０５，１５０６と、基板１５０７とを有する。
【００９７】
点欠陥構造１５０１，１５０２は、利得媒質を含む材料により構成され、活性部として機能する。点欠陥構造１５０１，１５０２は、ｎ型領域１５１とｐ型領域１５２とに狭まれている。点欠陥構造１５０１，１５０２は、２つだけでなく、３つ以上設けてもよい。
【００９８】
ｎ型領域１５１及びｐ型領域１５２のそれぞれに接するｎ型電極１５０４及びｐ型電極１５０５，１５０６には、電流注入手段としての電流制御回路１５５０が接続されている。
【００９９】
高抵抗材料により構成された離散構造体（第２の構造体）によって電流狭窄構造１５０３を構成することにより、キャリア伝送路を精密に制御することができる。この結果、３次元フォトニック結晶１５００の内部に、２つ以上の活性部を設けた場合でも、各活性部に対して効率良くキャリア注入を行うことができる。
【０１００】
なお、図１５ではｐ型領域１５２の上面における２つの領域にｐ型電極１５０５，１５０６を分けて配置した場合を示したが、ｐ型領域１５２の上面全体にｐ型電極を配置してもよい。一方、図１５では、ｎ型領域１５１の下面全体にｎ型電極１５０４を配置した場合を示したが、ｎ型領域１５１の下面における２つの領域にｎ型電極を分けて配置してもよい。３次元フォトニック結晶内に配置した活性部を互いに独立して制御する場合には、ｎ型電極及びｐ型電極を分離して配置し、それぞれに対する電流注入を制御することが好ましい。
【０１０１】
また、図１５では、３次元フォトニック結晶１５００の内部に、活性部として２つの点欠陥構造が設けられている場合について説明したが、活性部として２つ以上の線欠陥構造を設けてもよい。
【０１０２】
３次元フォトニック結晶１５００及び点（又は線）欠陥構造には、前述した各実施例にて説明した構造のほか、様々な構造を持たせることができる。
【０１０３】
また、電流狭窄構造１５０３を構成する高抵抗材料により形成された離散構造体（第２の構造体）は、１つの離散構造層にのみ配置してもよいし、複数の離散構造層に配置してもよい。
【０１０４】
本実施例によれば、３次元フォトニック結晶内における高抵抗材料により構成される第２の構造体（離散構造）を、２つ以上の活性部にキャリアを集中させて導くように配置することで、電流狭窄領域を精密に制御することができる。これにより、２つ以上の活性部へのキャリア注入を高効率に行うことができ、２つ以上の活性部を有する高性能な電流注入型光制御素子を実現することができる。
【０１０５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施例１である電流注入型光制御素子（発光素子）の構造例を示す図。
【図２Ａ】本発明の各実施例における３次元フォトニック結晶の構造例を示す図。
【図２Ｂ】各実施例における３次元フォトニック結晶の他の構造例を示す図。
【図２Ｃ】各実施例における３次元フォトニック結晶のさらに他の構造例を示す図。
【図３Ａ】実施例１における点欠陥構造を示すｘｚ断面図。
【図３Ｂ】実施例１における点欠陥構造を示すｘｙ断面図。
【図４】実施例１の発光素子の詳細構造を示す断面図。
【図５】図４の発光素子におけるキャリア伝導の仕方を示す図。
【図６】実施例１における電流狭窄構造の製作方法を示す図。
【図７】実施例１の変形例である発光素子の構造を示す断面図。
【図８】本発明の実施例である電流注入型光制御素子（発光素子）の構造例を示す図。
【図９Ａ】実施例２における線欠陥構造を示すｘｚ断面図。
【図９Ｂ】実施例２における線欠陥構造を示すｘｙ断面図。
【図９Ｃ】実施例２における線欠陥構造を示す他のｘｙ断面図。
【図１０】実施例２の発光素子の詳細構造を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例３である電流注入型光制御素子（光変調素子）の構造例を示す図。
【図１２】実施例３における光変調部の他のを示す図。
【図１３】本発明の実施例４である電流注入型光制御素子（光増幅器）の構造例を示す図。
【図１４】本発明の実施例５である電流注入型光制御素子（非線形波長変換素子）の構造例を示す図。
【図１５】本発明の実施例６である電流注入型光制御素子の構造例を示す図。
【図１６Ａ】電流狭窄領域を有する従来の電流注入型光制御素子の構造例を示す断面図。
【図１６Ｂ】電流狭窄領域を有する従来の電流注入型光制御素子の他の構造例を示す断面図。
【符号の説明】
【０１０７】
１，４，７，８，１００ 発光素子
１０，４１，７１，１０１，１１０２，１３００，１４１，１５００ ３次元フォトニック結晶
１１，３１，４２，７２ 点欠陥構造
１２，４３，７３，８２，１０３，１１０４，１３０２，１４３，１５０３ 電流狭窄構造
１３，４６，７６，８３，１０６，１１１８，１３０３，１５０４ ｎ型電極
１４，４７，７７，８４，１０７，１１１９，１３０４，１５０５，１５０６ ｐ型電極
１５，４４，７４，８５，１０４，１３０５，１５１ ｎ型領域
１６，４５，７５，８６，１０５，１３０６，１５２ ｐ型領域
５０，１１２０，１５５０ 電流制御回路
５１ ｎ型キャリア
５２ ｐ型キャリア
８１，９０，９００，１０２１，１０２２，１４２ 線欠陥構造
１１０ 光変調素子
１２０ マッハ・ツェンダー型光変調器
１１０３ 線欠陥導波路構造
１１０４ 電流狭窄構造
１１１１，１２０１，１２０２ 入力導波路部
１１１２，１２０３，１０２４ 出力導波路部
１１１３，１１１４，１２０５，１２０６ 光結合部
１１１５，１１１６，１２０７，１０２８ 光導波路部
１１１７，１２０９ 光変調領域
１３０ 光増幅器
１３０１ 光増幅領域
１４０ 非線形波長変換素子
１４４，１４５ 電極
１５０ 電流注入型光制御素子
２０１，２０３，２０５，２０７ 第１の構造体（柱状構造体）
２０２，２０４，２０６，２０８ 第２の構造体（離散構造体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に配置された複数の第１の構造体をそれぞれ含む複数の周期構造層が、該周期構造層に平行な面内に離散的に配置された複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで積層されて構成された３次元フォトニック結晶と、
前記３次元フォトニック結晶の内部に配置された活性部と、
該３次元フォトニック結晶のうち導電性材料により構成された部分に接する電極とを有し、
前記複数の第２の構造体は、互いに異なる２以上の導電性材料により構成されており、
該２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料により構成された前記第２の構造体が、電流が注入された前記電極から前記活性部にキャリアを集中させて導くように配置されていることを特徴とする電流注入型光制御素子。
【請求項２】
前記３次元フォトニック結晶は、前記活性部に接するｎ型領域及びｐ型領域を有し、
前記電極として、前記ｎ型領域に接するｎ型電極及び前記ｐ型領域に接するｐ型電極を有し、
前記少なくとも１つの導電性材料により構成された前記第２の構造体が、電流が注入された前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極からそれぞれ前記活性部にキャリアを集中させて導くように配置されていることをすることを特徴とする請求項１に記載の電流注入型光制御素子。
【請求項３】
前記３次元フォトニック結晶は、それぞれ第１の方向に延びる前記複数の第１の構造体が互いに間隔をあけて、前記第１の方向に直交する第２の方向に周期的に配置された第１周期構造層及び第３周期構造層と、それぞれ前記第２の方向に延びる前記複数の第１の構造体が互いに間隔をあけて前記第１の方向に周期的に配置された第２周期構造層及び第４周期構造層とが、前記複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで前記第１周期構造層から前記第４周期構造層の順に積層されて構成され、
前記第１周期構造層に含まれる前記第１の構造体と前記第３周期構造層に含まれる前記第１の構造体とが前記第２の方向において半周期ずれて配置され、かつ前記第２周期構造層に含まれる前記第１の構造体と前記第４周期構造層に含まれる前記第１の構造体とが前記第１の方向において半周期ずれて配置され、
前記第２の構造体は、前記第１の方向に延びる前記第１の構造体と前記第２の方向に延びる前記第１の構造体とが立体的に交差する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流注入型光制御素子。
【請求項４】
前記活性部は、前記３次元フォトニック結晶における点欠陥構造として構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電流注入型光制御素子。
【請求項５】
前記活性部は、前記３次元フォトニック結晶における線欠陥構造として構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電流注入型光制御素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載の電流注入型光制御素子と、
前記電極に電流を注入する電流注入手段とを有することを特徴とする光制御装置。
【請求項１】
周期的に配置された複数の第１の構造体をそれぞれ含む複数の周期構造層が、該周期構造層に平行な面内に離散的に配置された複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで積層されて構成された３次元フォトニック結晶と、
前記３次元フォトニック結晶の内部に配置された活性部と、
該３次元フォトニック結晶のうち導電性材料により構成された部分に接する電極とを有し、
前記複数の第２の構造体は、互いに異なる２以上の導電性材料により構成されており、
該２以上の導電性材料のうち他の導電性材料よりも高い抵抗を有する少なくとも１つの導電性材料により構成された前記第２の構造体が、電流が注入された前記電極から前記活性部にキャリアを集中させて導くように配置されていることを特徴とする電流注入型光制御素子。
【請求項２】
前記３次元フォトニック結晶は、前記活性部に接するｎ型領域及びｐ型領域を有し、
前記電極として、前記ｎ型領域に接するｎ型電極及び前記ｐ型領域に接するｐ型電極を有し、
前記少なくとも１つの導電性材料により構成された前記第２の構造体が、電流が注入された前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極からそれぞれ前記活性部にキャリアを集中させて導くように配置されていることをすることを特徴とする請求項１に記載の電流注入型光制御素子。
【請求項３】
前記３次元フォトニック結晶は、それぞれ第１の方向に延びる前記複数の第１の構造体が互いに間隔をあけて、前記第１の方向に直交する第２の方向に周期的に配置された第１周期構造層及び第３周期構造層と、それぞれ前記第２の方向に延びる前記複数の第１の構造体が互いに間隔をあけて前記第１の方向に周期的に配置された第２周期構造層及び第４周期構造層とが、前記複数の第２の構造体を含む少なくとも１つの離散構造層を間に挟んで前記第１周期構造層から前記第４周期構造層の順に積層されて構成され、
前記第１周期構造層に含まれる前記第１の構造体と前記第３周期構造層に含まれる前記第１の構造体とが前記第２の方向において半周期ずれて配置され、かつ前記第２周期構造層に含まれる前記第１の構造体と前記第４周期構造層に含まれる前記第１の構造体とが前記第１の方向において半周期ずれて配置され、
前記第２の構造体は、前記第１の方向に延びる前記第１の構造体と前記第２の方向に延びる前記第１の構造体とが立体的に交差する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流注入型光制御素子。
【請求項４】
前記活性部は、前記３次元フォトニック結晶における点欠陥構造として構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電流注入型光制御素子。
【請求項５】
前記活性部は、前記３次元フォトニック結晶における線欠陥構造として構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電流注入型光制御素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載の電流注入型光制御素子と、
前記電極に電流を注入する電流注入手段とを有することを特徴とする光制御装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【公開番号】特開２００９−２３１６３０（Ｐ２００９−２３１６３０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７６６３４（Ｐ２００８−７６６３４）
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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