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技術 シリコン系光デバイス

出願人 国立研究開発法人情報通信研究機構
発明者 山本直克
出願日 2002年2月14日 (18年9ヶ月経過) 出願番号 2002-036145
公開日 2003年8月27日 (17年2ヶ月経過) 公開番号 2003-241241
状態 特許登録済
技術分野 光偏向、復調、非線型光学、光学的論理素子 ウェットエッチング
主要キーワード フォトケミカルエッチング 振動電場 検出ノイズ 表記形式 可視発光素子 各発光波長 振動軸 全光スイッチ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年8月27日)のものです。
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図面 (14)

課題

新たな光電子集積回路光演算デバイスの実現を可能にするシリコン光デバイスを提供する。

解決手段

フォトケミカルエッチング法で作成したフォトケミカルエッチングシリコン1は、光の偏光状態を保存するという特性を持つ。この特性に従って、例えば、フォトケミカルエッチングシリコンの表面に直線偏光入力光iを入射して、その反射光として定義される出力光oを取り出すという構成を採るときに、右円偏光制御光cをフォトケミカルエッチングシリコンの表面に照射すると、右円偏光の出力光が出力され、左円偏光の制御光をフォトケミカルエッチングシリコンの表面に照射すると、左円偏光の出力光が出力されることになる。これから、シリコンを用いた光スイッチを実現できるようになる。

概要

背景

現在、非線形効果を示す光ファイバなどを利用した光デバイスや、特殊な積層構造を持つ化合物半導体などを利用した光デバイスといったように、様々な光デバイスが提案されている。

しかしながら、これまで提案されている光デバイスの材料として、シリコンを用いるものは提案されていない。

概要

新たな光電子集積回路光演算デバイスの実現を可能にするシリコン系光デバイスを提供する。

フォトケミカルエッチング法で作成したフォトケミカルエッチングシリコン1は、光の偏光状態を保存するという特性を持つ。この特性に従って、例えば、フォトケミカルエッチングシリコンの表面に直線偏光入力光iを入射して、その反射光として定義される出力光oを取り出すという構成を採るときに、右円偏光制御光cをフォトケミカルエッチングシリコンの表面に照射すると、右円偏光の出力光が出力され、左円偏光の制御光をフォトケミカルエッチングシリコンの表面に照射すると、左円偏光の出力光が出力されることになる。これから、シリコンを用いた光スイッチを実現できるようになる。

目的

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シリコンを用いた新たな光デバイスの提供を目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

フォトケミカルエッチング層を形成するシリコンを使ったシリコン系光デバイスであって、上記フォトケミカルエッチング層に入射される入力光偏光状態を規定のものに設定するための手段と、上記フォトケミカルエッチング層に入射される制御光を規定回りの円偏光に設定するための手段と、上記入力光に応答して上記フォトケミカルエッチング層から出力される出力光に含まれる上記円偏光成分を取り出すための手段とを備えることを、特徴とするシリコン系光デバイス。

請求項2

請求項1記載のシリコン系光デバイスにおいて、入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段として、直線偏光に設定するための手段が用いられるように構成されることを、特徴とするシリコン系光デバイス。

請求項3

請求項1記載のシリコン系光デバイスにおいて、入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段として、円偏光に設定するための手段が用いられるように構成されることを、特徴とするシリコン系光デバイス。

技術分野

0001

本発明は、新たな光電子集積回路の実現を可能にするとともに、新たな光演算デバイスの実現を可能にするシリコン光デバイスに関する。

背景技術

0002

現在、非線形効果を示す光ファイバなどを利用した光デバイスや、特殊な積層構造を持つ化合物半導体などを利用した光デバイスといったように、様々な光デバイスが提案されている。

0003

しかしながら、これまで提案されている光デバイスの材料として、シリコンを用いるものは提案されていない。

発明が解決しようとする課題

0004

将来実現されるであろう光電子集積回路は、光と電子集積回路とを集積化したものである。電子集積回路に用いられている主たる材料はシリコンであり、これから、将来実現されるであろう光電子集積回路で用いられる光デバイスとして、シリコンを使ったものが要求されることが予想される。

0005

これから、シリコンを用いない従来の光デバイスは、将来実現されるであろう光電子集積回路には適用できない。そこで、現在、シリコンを用いた光デバイスの実現が要求されている。

0006

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シリコンを用いた新たな光デバイスの提供を目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明者らは、シリコンを使った可視発光素子を実現するために、フォトケミカルエッチング法を提案している。

0008

図1に、本発明者らが提案している、このフォトケミカルエッチング法の説明図を示す。

0009

この図に示すように、本発明者らが提案しているフォトケミカルエッチング法では、底に穴の開いた容器に、その穴を塞ぐようにと、n(100)30 〜60Ωcmのシリコン基板を設置する。そして、フッ化水素酸溶液(50wt%) と過酸化水素水(31wt%) で体積比100:17の混合液をシリコンのエッチャントとして容器に満たし、シリコン基板表面と接触させる。そして、そのシリコン基板表面に、溶液を通してHe-Ne laser(633nm,18.4mW/cm2)を30分照射して、光化学反応によりシリコンをエッチング(厚さ300nm 程度になる) する。

0010

このようにしてエッチングされた領域(以下、フォトケミカルエッチングシリコンと称する)に励起光を照射すると、その領域が可視発光することが確認されている。

0011

今回、このフォトケミカルエッチングシリコンに、右円偏光の励起光を照射すると、右円偏光成分の光がより多く発光し、一方、左円偏光の励起光を照射すると、左円偏光成分の光がより多く発光することが明らかとなった。すなわち、光の偏光状態が保存されることが明らかとなった。

0012

図2に、この検証に用いた実験装置光学系を図示する。

0013

ここで、座標軸として、励起レーザー光およびフォトケミカルエッチングシリコンからの発光の光の進行方向をz軸とし、紙面に向かう垂直方向をy軸とし、水平方向がx軸となる右手座標系を考える。また、x軸、y軸上のみに電場振動がある直線偏光の強度をそれぞれIx,Iy とし、x軸から45度と135度に電場の振動がある直線偏光の強度をそれぞれI45, I135 とする。また、光の進行するz軸方向に対して電場の振動軸が右と左に回転している光の強度をそれぞれIσ+,Iσ- とする。

0014

励起光源としてAr + laser(488nm)を用い、偏光子Bを通過させてIx 成分のみの直線偏光を生成する。直線偏光は、その振動電場に対して45度あるいは135度の角度に進相軸が位置するようなλ/4波長板Bを通ることで、右円偏光Iσ+ あるいは左円偏光Iσ- となる。励起光は、サンプル(フォトケミカルエッチングシリコン)の法線方向に対して60度の角度で入射する。

0015

フォトケミカルエッチングシリコンからの可視発光はレンズにより集光され、λ/4波長板Aと偏光子Aを通過し、再びレンズで集光して分光器に取り込まれる。分光された後、光電子倍増管ロックインアンプとを使って、波長ごとの発光強度を測定する。但し、ノイズ低減のために、ロックインアンプと励起レーザー光はチョッパにより同期されている。また、フォトルミネッサン測定中では、サンプルを真空(10-2 torr 程度) で290Kから20Kの範囲で温度を変化させた。

0016

光の偏光状態をよく記述するストークスパラメータ〔S' 0,S' 1,S' 2,S'3 〕を算出するために、右・左円偏光励起で、λ/4波長板Aがなく偏光子Aのみでの発光強度Ix,Iy,I45を測定し、λ/4波長板Aの進相軸と偏光子Aの偏光軸とが45度になるように設定してIQ,45を測定する。但し、測定では、偏光子Aの角度を測定のI45の測定時と一致させている。

0017

IQ,45は、発光中の右円偏光成分がλ/4波長板Aと偏光子Aを透過したときの発光強度であり、また、波長板の透過率により補正している。

0018

ストークスパラメータ〔S' 0,S' 1,S' 2,S' 3 〕は、図3(a)に示す式で計算することができるが、この実験では、〔S' 0,S' 1,S' 2,S' 3 〕をS' 0 で除算した図3(b)に示すストークスパラメータ〔S1,S2,S3 〕を用いている。

0019

ストークスパラメータS3 は、発光に含まれる右円偏光と左円偏光の成分の差であり、左円偏光成分よりも右円偏光成分が多いときには正の値をとり、逆に、右円偏光成分よりも左円偏光成分が多いときには負の値をとることが知られている。

0020

図4に、図2の実験装置を使って得た、Ar + laser による右円偏光励起でのフォトケミカルエッチングシリコンの可視発光スペクトル温度依存性の実験結果(図中の実線)と、Ar + laser による左円偏光励起でのフォトケミカルエッチングシリコンの可視発光スペクトルの温度依存性の実験結果(図中破線)とを示す。

0021

この発光スペクトル各発光波長に対する発光強度でストクースパラメータ〔S1,S2,S3 〕を算出した。

0022

図5に、90Kでの右円偏光励起におけるストクースパラメータS3 (図中の実線)と、90Kでの左円偏光励起におけるストクースパラメータS3 (図中の破線)とを図示する。

0023

この実験結果は、右円偏光σ+ で励起すると、フォトケミカルエッチングシリコンから右円偏光成分が多い可視光が発光され、逆に、左円偏光σ- で励起すると、フォトケミカルエッチングシリコンから左円偏光成分が多い可視光が発光されることを示している。

0024

すなわち、フォトケミカルエッチングシリコンからの可視発光では、励起光の偏光に応じた形態で光の偏光状態が保存されることが明らかとなった。

0025

このフォトケミカルエッチングシリコンの持つ光の偏光状態の保存特性を用いると、様々なシリコン系光デバイスを実現できる可能性がある。その1つとして、シリコン系全光スイッチを実現できる。

0026

図6に、本発明により実現できるシリコン系全光スイッチの一例を図示する。この図に示す構成が光スイッチとして動作することについて検証を行ったので、次に、それについて説明する。

0027

ここで、図中、1は図1で説明したフォトケミカルエッチング法によりシリコン基板上に形成されたフォトケミカルエッチングシリコン、2は入力光を発生するHe-Ne laser(1.96eV,18.4mW/cm2 )、3は制御光を発生するAr + laser(2.54eV,64 μW/mm2 )、4は入力光及び制御光を直線偏光させる偏光子、5は偏光子4を透過した入力光を反射させてフォトケミカルエッチングシリコン1の表面に対して45度の角度で入射させる光学ミラー、6は光学ミラー5により反射された入力光を絞り込むスリット、7は偏光子4により直線偏光された制御光を右円偏光にしたり左円偏光にしてフォトケミカルエッチングシリコン1の表面に垂直に照射するλ/4波長板、8はフォトケミカルエッチングシリコン1の表面で反射された出力光(入力光の反射されたもの)を入力とするλ/4波長板、9はλ/4波長板8を透過した出力光を入力とする偏光子、10は偏光子9を透過した出力光の光強度を測定する光検知器である。

0028

ここで、λ/4波長板8の進相軸を偏光子9の偏光軸に対して45度の角度で配置しているので、出力光の左円偏光成分についてはλ/4波長板8・偏光子9によりカットされ、一方、出力光の右円偏光成分については透過することになる。

0029

この構成に従って、Ar + laser 3による制御光については、偏光子4とλ/4波長板7とを使って、右円偏光と左円偏光に偏光(順番に作成される)されて、フォトケミカルエッチングシリコン1の表面に垂直に照射される。一方、He-Ne laser 2による入力光については、偏光子4により直線偏光とされて、光学ミラー5により反射されることで、フォトケミカルエッチングシリコン1の表面に対して45度の角度で入射される。

0030

入力光の反射光として定義される出力光については、λ/4波長板8・偏光子9を透過した後、光検知器10により光強度が測定される。このとき、λ/4波長板8の進相軸が偏光子9の偏光軸に対して45度の角度で配置されているので、λ/4波長板8・偏光子9を透過する出力光の内、左円偏光成分についてはカットされ、右円偏光成分については透過することになる。

0031

図7(a)に、この条件下で、右円偏光σ+ の制御光を照射したときに測定した出力光の光強度の測定結果と、左円偏光σ- の制御光を照射したときに測定した出力光の光強度の実験結果とを図示する。ここで、図7(a)中に示すπは直線偏光を示している。

0032

λ/4波長板8と偏光子9の配置形態に従って、理論的には、左円偏光成分についてはカットされることになるが、実験結果では33.7nW検出されており、これが検出ノイズと考えられる。従って、右円偏光σ+ の制御光の照射に応答して、6nW(=39.7-33.7)の光強度を持つ右円偏光成分が出力されたと考えることができる。

0033

同様に、λ/4波長板8と偏光子9を使って右円偏光成分をカットする配置で実験を行ったところ、左円偏光σ- の制御光の照射に応答して、左円偏光成分が出力されることが確認できた。

0034

すなわち、フォトケミカルエッチングシリコン1の持つ光の偏光状態の保存特性に従って、図7(b)に示すような論理の全光スイッチング効果を実現できることが検証できたのである。

0035

この全光スイッチング効果の現象は、定性的には、図8に示すようなモデルで説明できるものと思われる。

0036

すなわち、右円偏光σ+ の制御光は、図中のExcitation Aに示すように、上向きスピン電子下向きスピンホールとをフォトケミカルエッチングシリコン1(図中に示すP-CE Silicon)内に形成する。

0037

このExcitation Aを持つフォトケミカルエッチングシリコン1では、左円偏光σ- が入射されると、図中のExcitation Bに示すように、そのExcitationAを打ち消す形の下向きスピンの電子と上向きスピンのホールとをフォトケミカルエッチングシリコン1内に形成することで、その左円偏光σ- を吸収するように動作する。

0038

一方、直線偏光の入力光は、右円偏光成分と左円偏光成分とを含み、直線偏光の光を入力光として入射するということは、右円偏光の光と左円偏光の光とを同時に入射した状態と等価であると考えられる。

0039

これから、フォトケミカルエッチングシリコン1に右円偏光の制御光と直線偏光の入力光とが入射されると、反射光として、右円偏光の出力光が形成されることになる。

0040

その結果、図6に示した本発明により実現できるシリコン系全光スイッチにより、図7(b)に示すような論理の全光スイッチング効果を実現できることになるのである。

0041

このようにして、本発明は、フォトケミカルエッチング層を形成するシリコンを使ってシリコン系光デバイスを構成するときにあって、そのフォトケミカルエッチング層に入射される入力光の偏光状態を規定のものに設定するための手段と、そのフォトケミカルエッチング層に入射される制御光を規定回りの円偏光に設定するための手段と、入力光に応答してそのフォトケミカルエッチング層から出力される出力光に含まれるその円偏光成分を取り出すための手段とを備えることで、例えば、図6に示すようなシリコン系全光スイッチを実現できるようになるのである。

発明を実施するための最良の形態

0042

以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。

0043

図9に、後述する全光構成の排他的論理和ゲート装置を実現するために用いられる、本発明で構成されるシリコン系光デバイスの一例を図示する。

0044

この図9に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスは、フォトケミカルエッチングシリコン1の表面にある角度で入射される円偏光の入力光の反射光を出力光とする構成を採るときにあって、右円偏光か左円偏光の制御光を、そのフォトケミカルエッチングシリコン1の表面に垂直に照射するという構成を採っている。

0045

この図9に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスと、図6に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスとの違いは、図6に示すものでは、直線偏光の入力光を用いるのに対して、図9に示すものでは,円偏光の入力光を用いるという点である。

0046

この構成上の違いにより、図9に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスは、図10に示すような動作特性を示すことになる。

0047

すなわち、(イ)入力光が右円偏光σ+ されている場合にあって、制御光が右円偏光σ+ されている場合には、右円偏光σ+ の出力光を出力し、(ロ)入力光が左円偏光σ- されている場合にあって、制御光が右円偏光σ+ されている場合には、減衰した出力光を出力し、(ハ)入力光が右円偏光σ+ されている場合にあって、制御光が左円偏光σ- されている場合には、減衰した出力光を出力し、(ニ)入力光が左円偏光σ- されている場合にあって、制御光が左円偏光σ- されている場合には、左円偏光σ- の出力光を出力するという、動作特性を示すことになる。

0048

図8に示したモデルから分かるように、入力光が左円偏光σ- されている場合には、フォトケミカルエッチングシリコン1内にExcitation Bの状態が形成されており、このとき、右円偏光σ+ の制御光が照射されると、Excitation Bの状態を打ち消すExcitation Aが形成されることで、減衰した出力光を出力することになるのである。

0049

そして、図8に示したモデルから分かるように、入力光が右円偏光σ+ されている場合には、フォトケミカルエッチングシリコン1内にExcitation Aの状態が形成されており、このとき、左円偏光σ- の制御光が照射されると、Excitation Aの状態を打ち消すExcitation Bが形成されることで、減衰した出力光を出力することになるのである。

0050

図11に、図9に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスを組み合わせることで構成される全光構成の排他的論理和ゲート装置の一例を図示する。

0051

ここで、この図11では、図12に示すような表記形式に従って、図9に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスを図示してある。なお、シリコン系光デバイス同士の光接続については、光学ミラーのようなものを用いてもよいし、光ファイバのようなものを用いてもよいし、集積化された光導波路のようなものを用いてもよい。

0052

図中に示す制御光Aと制御光Bは、右円偏光σ+ か左円偏光σ- のいずれかであり、任意に選ぶことができる。また、Aの上にバーがある記号(以下、not Aと記することがある)は、Aの偏光の逆回転を示し、Bの上にバーがある記号(以下、not Bと記することがある)は、Bの偏光の逆回転を示す。なお、not Aやnot Bについては、λ/4波長板を2枚作用させることで容易に作成することができる。

0053

図11に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置は4つの出力ポート〜を有しており、出力ポートに対応付けられる入力ポートには右円偏光σ+ が定常的に入力され、出力ポートに対応付けられる入力ポートには左円偏光σ- が定常的に入力され、出力ポートに対応付けられる入力ポートには右円偏光σ+ が定常的に入力され、出力ポートに対応付けられる入力ポートには左円偏光σ-が定常的に入力されることになる。

0054

このように構成される図11に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置では、制御光Aが右円偏光σ+ で、制御光Bが右円偏光σ+ である場合には、図10に示した動作特性(図9に示す本発明で構成されるシリコン系光デバイスの動作特性)に従って、出力ポートのみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は右円偏光σ+ となる。

0055

一方、制御光Aが右円偏光σ+ で、制御光Bが左円偏光σ- である場合には、図10に示した動作特性に従って、出力ポートのみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は左円偏光σ- となる。

0056

一方、制御光Aが左円偏光σ- で、制御光Bが右円偏光σ+ である場合には、図10に示した動作特性に従って、出力ポートのみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は左円偏光σ- となる。

0057

一方、制御光Aが左円偏光σ- で、制御光Bが左円偏光σ- である場合には、図10に示した動作特性に従って、出力ポートのみが十分なレベルの光強度を出力して、そのときの偏光状態は右円偏光σ+ となる。

0058

このようにして、図11に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置は、4つの出力ポート〜の内の1つに出力を出す形態に従って、円偏光の制御光を演算対象として、図13に示すような排他的論理和演算を行うように動作する。

0059

実際には、この後段に、出力光が右円偏光σ+ であるのか左円偏光σ- であるのかを検出するための構成が用意されることになる。

発明の効果

0060

以上説明したことから分かるように、本発明によれば、フォトケミカルエッチングシリコンの持つ光の偏光状態の保存特性を使った様々な演算機能を実現可能とするシリコン系の光デバイスを実現できるようになることで、新たな光電子集積回路の実現への道が開かれることとなるとともに、新たな光演算デバイスの実現への道が開かれることとなる。

図面の簡単な説明

0061

図1フォトケミカルエッチング法の説明図である。
図2フォトケミカルエッチングシリコンが光の偏光状態を保存することの検証に用いた実験装置の光学系の説明図である。
図3ストークスパラメータの説明図である。
図4フォトケミカルエッチングシリコンの可視発光スペクトルの説明図である。
図5右円偏光励起のストクースパラメータS3 の実験結果と、左円偏光励起のストクースパラメータS3 の実験結果の説明図である。
図6本発明により実現できるシリコン系全光スイッチの一例である。
図7本発明により実現できるシリコン系全光スイッチの動作特性の実験結果と、それをモデル化した動作特性の説明図である。
図8フォトケミカルエッチングシリコンの持つ光の偏光状態の保存特性を説明するためのモデルの説明図である。
図9本発明で構成されるシリコン系光デバイスの一例である。
図10図9に示すシリコン系光デバイスの動作説明図である。
図11図9に示すシリコン系光デバイスを組み合わせることで構成される全光構成の排他的論理和ゲート装置の説明図である。
図12図9に示すシリコン系光デバイスの表記形式の説明図である。
図13図11に示す全光構成の排他的論理和ゲート装置の動作特性の説明図である。

--

0062

1フォトケミカルエッチングシリコン
2 He-Ne laser
3 Ar + laser
4偏光子
5光学ミラー
6スリット
7 λ/4波長板
8 λ/4波長板
9 偏光子
10 光検知器

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