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JP5336534B2 - Optical resonator - Google Patents
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JP5336534B2 - Optical resonator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure the Q value of an optical resonator using a one-dimensional photonic crystal having a bar-like structure, and to minimize temperature rise near the center by decreasing thermal resistance of the resonator. <P>SOLUTION: A side slab (105) of finite width having a high heat conductivity and thinner than a one-dimensional photonic crystal (101) having a bar-like structure composed of a high refractive index material (Si, or the like), arranged periodically with a columnar or a polygonal prism structure (107) composed of a low refractive index material (air, or the like), is arranged in contact with the one-dimensional photonic crystal, and a thermal diffusion structure (106) having a high heat conductivity is arranged on the outside of the side slab. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、光共振器に関し、より詳細には中心付近の温度上昇を抑制した光共振器に関する。   The present invention relates to an optical resonator, and more particularly to an optical resonator that suppresses a temperature rise near the center.

半導体を材料とし半導体材料内で発生する誘導放出現象を利用して動作する半導体レーザー素子は様々な産業において幅広く使用されている。フォトニックバンドギャップ材料により光共振器を構成した半導体レーザ(以下、フォトニック結晶レーザと呼ぶ)は従来の光共振器よりも素子サイズをはるかに小さくすることができる。共振器構造の改良が進み、実効的に光の波長(光通信用で1.55マイクロメートル程度)の3乗程度の体積に光を閉じ込めることが可能になり、同時に光の損失や導波路への流出による漏れの小ささを表すQ値を数万から100万程度に高めることが可能になっている。面積で言えば閾値が低いことが知られている垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)よりもコンパクトなレーザーを実現できる。   2. Description of the Related Art Semiconductor laser elements that operate using a stimulated emission phenomenon generated in a semiconductor material using a semiconductor as a material are widely used in various industries. A semiconductor laser (hereinafter referred to as a photonic crystal laser) in which an optical resonator is formed of a photonic band gap material can have a much smaller element size than a conventional optical resonator. Improvement of the resonator structure has progressed, making it possible to confine light effectively in the volume of the third power of the wavelength of light (for optical communication, about 1.55 micrometers), and at the same time to the loss of light and the waveguide It is possible to increase the Q value, which represents the small amount of leakage due to spillage, from tens of thousands to about one million. A laser that is more compact than a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) that is known to have a low threshold in terms of area can be realized.

共振器Q値が従来のレーザーと同等以上でかつ体積がより小さいことから、レーザー発振に必要な電子・正孔(以下キャリアと呼ぶ)の量、そして発振閾値(出力および電流注入動作の場合の電流)はより小さくなる。共振器に効率良くキャリアを提供する手法さえあれば、原理的には面発光レーザーよりも発振閾値を小さくすることが可能である。閾値電流は光共振器構造及び素子温度ばかりでなく電流狭窄構造や抵抗・電極等の電子素子構造・特性にも依存して決まるものである(ただし、本願においては、電子素子に関する技術的項目についてはスコープには含めない)。   Since the resonator Q value is equal to or greater than that of a conventional laser and the volume is smaller, the amount of electrons and holes (hereinafter referred to as carriers) necessary for laser oscillation, and the oscillation threshold (in the case of output and current injection operations) Current) becomes smaller. In principle, the oscillation threshold value can be made smaller than that of the surface emitting laser as long as the carrier is efficiently provided to the resonator. The threshold current is determined not only by the optical resonator structure and element temperature, but also by the current confinement structure and the structure and characteristics of the electronic element such as a resistor and an electrode. Is not included in the scope).

フォトニック結晶レーザーにおいては光によりキャリアを供給する条件において励起光パワーの閾値は極めて小さくなる。光励起を前提にした場合、光キャリアを効率よく共振器部分に集中させる手法として選択成長技術による活性層の位置選択形成がある。活性層は光を吸収・増幅する一方キャリアをその中に閉じ込めるように設計することができる。動作波長・励起波長・材料の選択により励起光を活性層部分のみが吸収するようにできる。合わせて活性層に量子ドット・量子井戸を採用すればレーザーに高効率をもたらす。レーザーの閾値パワーは少なくともμWレベルまで下がっている。レーザー以外でも変調器、光スイッチ、光メモリ等の光素子がフォトニック結晶共振器による構成において原理検証あるいは実証が行われてきた。発明者らもSiフォトニック結晶共振器において、キャリアプラズマ効果による高速な光双安定現象により変調器、光スイッチ動作を実現報告してきた。更によりキャリアプラズマ効果が大きいInGaAsP量子井戸活性層と表面再結合による発熱が少ないInPフォトニック結晶に材料・構造を変更することにより長いメモリ時間を実現することにも成功した。   In the photonic crystal laser, the threshold of pumping light power becomes extremely small under the condition where carriers are supplied by light. Assuming photoexcitation, there is a method of selectively selecting the position of the active layer by a selective growth technique as a method for efficiently concentrating optical carriers in the resonator portion. The active layer can be designed to absorb and amplify light while confining carriers therein. Only the active layer portion can absorb the excitation light by selecting the operating wavelength, the excitation wavelength, and the material. In addition, if quantum dots and quantum wells are used in the active layer, the laser will be highly efficient. The threshold power of the laser has dropped to at least the μW level. In addition to lasers, principle verification or verification has been performed in the configuration of optical elements such as modulators, optical switches, and optical memories using photonic crystal resonators. The inventors have also reported that a modulator and an optical switch have been realized in the Si photonic crystal resonator by a high-speed optical bistable phenomenon due to the carrier plasma effect. Furthermore, we succeeded in realizing a long memory time by changing the material and structure to an InGaAsP quantum well active layer having a larger carrier plasma effect and an InP photonic crystal that generates less heat due to surface recombination.

変調器・光スイッチにおけるフォトニック結晶共振器の優位点は、やはり共振器Q値と小さな閉込体積とによるキャリアプラズマ効果の増強の結果極めて低パワーで動作することである。これらの低パワー動作も光によるキャリア(プラズマ)の変調を利用することで実現している。近年はフォトニック結晶ばかりでなく断面寸法がサブミクロンである高屈折率材料細線導波路からなるリング共振器においても小体積共振器と高Q値による増強効果により、低パワー化が進められている。   The advantage of the photonic crystal resonator in the modulator / optical switch is that it operates at a very low power as a result of the enhancement of the carrier plasma effect by the resonator Q value and the small confinement volume. These low power operations are also realized by utilizing the modulation of the carrier (plasma) by light. In recent years, not only photonic crystals but also ring resonators composed of high-refractive-index thin-wire waveguides with a sub-micron cross-sectional dimension have been reduced in power due to the enhancement effect of small volume resonators and high Q values. .

Eiichi Kuramochi et al. , "Ultrahigh-Q one-dimensional photonic crystal nanocavities with modulated mode-gap barriers on SiO2 claddings and on air claddings," OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.15, pp.15859-15869, 2010年7月12日, インターネット<http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-18-15-15859>Eiichi Kuramochi et al., "Ultrahigh-Q one-dimensional photonic crystal nanocavities with modulated mode-gap barriers on SiO2 claddings and on air claddings," OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.15, pp.15859-15869, 2010 July 12, Internet <http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-18-15-15859> L-D. Haret et al., "Extremely low power optical bistability in silicon demonstrated using 1D photonic crystal nanocavity," OPTICS EXPRESS, Vol.17, No.23, pp.21108-21117, 2009年11月4日, インターネット<http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-17-23-21108>LD. Haret et al., "Extremely low power optical bistability in silicon demonstrated using 1D photonic crystal nanocavity," OPTICS EXPRESS, Vol.17, No.23, pp.21108-21117, November 4, 2009, Internet <http : //www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm? URI = oe-17-23-21108> B. Schmidt et al., "Compact electro-optic modulator on silicon-on-insulator substrates using cavities with ultra-small modal volumes," OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.6, pp3140-3148, 2007年3月19日, インターネット<http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-15-6-3140>B. Schmidt et al., "Compact electro-optic modulator on silicon-on-insulator substrates using cavities with ultra-small modal volumes," OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.6, pp3140-3148, March 19, 2007 Japan, Internet <http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-15-6-3140> Y. Tanaka et al., "Investigation of point-defect cavity formed in two-dimensional photonic crystal slab with one-sided dielectric cladding," Applied Physics Letters, Vol.88, 011112, 2006年6月, インターネット<http://apl.aip.org/resource/1/applab/v88/i1/p011112_s1?isAuthorized=no>Y. Tanaka et al., "Investigation of point-defect cavity formed in two-dimensional photonic crystal slab with one-sided dielectric cladding," Applied Physics Letters, Vol. 88, 011112, June 2006, Internet <http: / /apl.aip.org/resource/1/applab/v88/i1/p011112_s1?isAuthorized=no>

レーザー・スイッチ等の光素子の駆動は電気的に行うのが望ましい。電気駆動の場合は、普遍的な半導体電子チップとの組み合わせにより小型で安価な装置を構成し、低消費電力で駆動できるのに対して、光駆動の場合は、レーザー光源や光変調装置等の光駆動装置が別途必要になるため実用性が制限されるからである。フォトニック結晶共振器ベースの光素子は光による励起および駆動の条件では既に優れた性能が得られているのに対し、電気駆動の条件では一部の面発光型フォトニック結晶レーザ(水平方向の光閉込無し)を除き良好な性能は得られていないことが、難易度の高さを示している。   It is desirable to electrically drive an optical element such as a laser switch. In the case of electric drive, a small and inexpensive device can be configured by combining with a universal semiconductor electronic chip, and it can be driven with low power consumption, whereas in the case of optical drive, a laser light source, a light modulation device, etc. This is because a light driving device is required separately, so that practicality is limited. Photonic crystal resonator-based optical devices have already achieved excellent performance under light excitation and drive conditions, while some surface-emitting photonic crystal lasers (horizontal direction) The fact that good performance is not obtained except for light confinement indicates a high degree of difficulty.

ここでは光を波長の数倍以下のスケールの微小体積に強く閉じ込めるフォトニック結晶ナノ共振器(以下ナノ共振器)に対象を限定する。ナノ共振器の定義として、Q値(外部との結合を無視したintrinsicな値:活性層の利得機構による低下分は除外)が1万以上、閉込モード体積が 3(λ/n)3(λは波長、nは屈折率)以下とする。このような共振器はフォトニック結晶以外の原理では実現困難である。ナノ共振器においてはより大型な共振器に対し、チップ体積及び面積の大幅な縮小と動作パワーの大幅な低減が原理的に可能となることから、光素子・回路の大幅な小型化、低消費エネルギー化が期待される。 Here, the target is limited to a photonic crystal nanoresonator (hereinafter referred to as a nanoresonator) that confines light in a minute volume having a scale of several times the wavelength or less. The definition of nanocavity is that the Q value (intrinsic value ignoring coupling with the outside: excluding the decrease due to the gain mechanism of the active layer) is 10,000 or more, and the confined mode volume is 3 (λ / n) 3 ( λ is a wavelength and n is a refractive index) or less. Such a resonator is difficult to realize by a principle other than the photonic crystal. In nanoresonators, in comparison with larger resonators, it is possible in principle to significantly reduce chip volume and area and to greatly reduce operating power. Energy conversion is expected.

本願においてはこのうち1次元棒状フォトニック結晶(以下1D結晶)における課題を取り上げる。従来ナノ共振器は主に2次元スラブ型フォトニック結晶(以下2D結晶)において実現されてきた。1D結晶共振器は2D結晶共振器に比べ構造が単純で加工が容易であり、特にSilicon on Insulator (SOI)基板プラットフォームにおいてシリコンフォトニクスとして開発が進められているナノ光導波路との整合性が高い特長がありながら、Q値等の性能不足によりあまり注目されて来なかった。   In this application, the problem in the one-dimensional rod-like photonic crystal (hereinafter referred to as 1D crystal) is taken up. Conventional nanocavities have been realized mainly in two-dimensional slab type photonic crystals (hereinafter referred to as 2D crystals). 1D crystal resonators are simpler and easier to process than 2D crystal resonators, and have high compatibility with nano-optical waveguides that are being developed as silicon photonics, especially on silicon on insulator (SOI) substrate platforms. However, it has not received much attention due to insufficient performance such as Q value.

1D結晶共振器に関し、最近発明者らは穴の間隔や半径を共振器中心付近で局所的に変調を加え、導波モード端にモードギャップを発生させることで光を閉じ込める原理により、適切な設計を行うと2D結晶共振器と同等の性能を達成できることを明らかにした(非特許文献1参照)。一方で1D結晶共振器においては非常に熱抵抗が大きくなり共振器中心に熱がたまりやすいことを明らかにした(非特許文献2)。1D結晶に有効な導波モードを導入するためには棒状部分を囲む材料の屈折率を棒状部分よりも十分低く保つ必要があった。例えば低屈折率部分は空気・誘電体・ポリマーなど熱伝導率の低い材料により構成することになる。従来の設計では良好な熱伝導体が細い棒状部分にしか無いため他に熱の通り道が無く熱抵抗が大きくなってしまうことが原因であった。   With regard to 1D crystal resonators, the inventors have recently made appropriate designs based on the principle of confining light by locally modulating the spacing and radius of the holes near the center of the resonator and generating a mode gap at the waveguide mode end. As a result, it was clarified that the same performance as that of the 2D crystal resonator can be achieved (see Non-Patent Document 1). On the other hand, in the 1D crystal resonator, it has been clarified that the thermal resistance becomes very large and heat is easily collected at the center of the resonator (Non-patent Document 2). In order to introduce an effective waveguide mode in the 1D crystal, it is necessary to keep the refractive index of the material surrounding the rod-shaped portion sufficiently lower than that of the rod-shaped portion. For example, the low refractive index portion is made of a material having low thermal conductivity such as air, dielectric, or polymer. The conventional design has a good heat conductor only in a thin rod-shaped portion, and there is no other way for heat and the thermal resistance is increased.

熱抵抗が大きくなることは、共振器部分で熱が発生する素子では素子温度の上昇を招く。レーザーなどの発光素子では共振器部分に利得媒体を配置し、キャリアを利得媒体に供給する必要がある。キャリアの一部は発光に寄与せずに非発光再結合を起こし発熱を生む。非発光素子においても屈折率変調のために供給したキャリアの一部が同様に発熱を生む。特にフォトニック結晶では結晶を構成する穴の側壁等に存在するエッチング面が非発光再結合中心を供給し発熱につながりやすい。また、電気駆動においては電気抵抗によるジュール発熱も問題になる。半導体レーザーの場合、原理的に発振閾値は素子温度が高いほど増大する。またキャリアプラズマ効果による光非線形効果(光双安定現象を含む)を利用する光スイッチ・変調・メモリ素子では動作原理である屈折率変調による共振器波長の制御が温度上昇による波長変化により困難になる問題がある。   An increase in thermal resistance causes an increase in element temperature in an element that generates heat in the resonator portion. In a light emitting element such as a laser, it is necessary to dispose a gain medium in the resonator portion and supply carriers to the gain medium. Some of the carriers do not contribute to light emission, cause non-radiative recombination, and generate heat. Even in the non-light emitting element, part of the carriers supplied for refractive index modulation similarly generates heat. Particularly in a photonic crystal, an etching surface existing on the side wall of a hole constituting the crystal supplies a non-radiative recombination center and easily generates heat. In electric drive, Joule heat generation due to electric resistance is also a problem. In the case of a semiconductor laser, in principle, the oscillation threshold increases as the element temperature increases. In optical switches, modulation, and memory devices that use optical nonlinear effects (including optical bistable phenomena) due to the carrier plasma effect, it becomes difficult to control the resonator wavelength by refractive index modulation, which is the operating principle, due to wavelength changes due to temperature rise. There's a problem.

このように電気駆動を行う1D結晶共振器素子においてある程度の発熱は避けられない。故に高性能な光素子を実現するためには熱抵抗を下げ排熱性能を高める必要がある。しかしながら、従来の1D結晶共振器において熱抵抗が大きくなることへの対策は考慮されていなかった。   Thus, a certain amount of heat generation is unavoidable in the 1D crystal resonator element that is electrically driven. Therefore, in order to realize a high-performance optical element, it is necessary to reduce the thermal resistance and improve the exhaust heat performance. However, a countermeasure for increasing the thermal resistance in the conventional 1D crystal resonator has not been considered.

従来の1D結晶共振器の課題として熱抵抗の増大を取り上げてきたが、もう一つの重要な熱特性として、熱緩和時間がある。これは熱が指数関数的に緩和する場合の時定数である。一般的な半導体構造は熱伝導方程式の性質により指数関数的な熱応答をする。我々はシリコンの2D結晶共振器において緩和時間の実験値が約100nsであることを報告済みである。この値を参考に、従来型の1D及び2D結晶共振器を用い、市販ソフトComsolにより数値解析を行った。その結果を非特許文献2に掲載した。2D結晶共振器において熱抵抗の計算値は実験値とほぼ一致し、計算結果が信用できることを確認した。注目すべきは前記熱抵抗が大きい1D結晶共振器において熱緩和時間も2D結晶共振器の数倍にあたる著しい増加を示したことである。熱緩和時間の増加は熱光学効果を利用した光スイッチ素子等の光素子の応答速度を遅くするため、高速な光素子の実現において障害になる。このように熱緩和時間の点でも従来の1D結晶共振器には問題があった。   Although the increase in thermal resistance has been taken up as a problem of conventional 1D crystal resonators, another important thermal characteristic is thermal relaxation time. This is the time constant when heat is exponentially relaxed. General semiconductor structures have an exponential thermal response due to the nature of the heat conduction equation. We have reported that the experimental relaxation time is about 100 ns in a silicon 2D crystal resonator. Using this value as a reference, a conventional 1D and 2D crystal resonator was used, and numerical analysis was performed using the commercial software Comsol. The result was published in Non-Patent Document 2. In the 2D crystal resonator, the calculated value of the thermal resistance almost coincided with the experimental value, and it was confirmed that the calculated result was reliable. It should be noted that in the 1D crystal resonator having a large thermal resistance, the thermal relaxation time also increased significantly, which is several times that of the 2D crystal resonator. An increase in the thermal relaxation time slows down the response speed of an optical element such as an optical switch element utilizing the thermo-optic effect, and thus becomes an obstacle to realizing a high-speed optical element. Thus, the conventional 1D crystal resonator also has a problem in terms of thermal relaxation time.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、1D結晶共振器素子に対してサイドスラブおよび熱拡散構造体を追加することにより、共振器中心付近の温度上昇を抑制した光共振器を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to add a side slab and a thermal diffusion structure to the 1D crystal resonator element, thereby increasing the temperature near the center of the resonator. An object of the present invention is to provide an optical resonator that suppresses the rise.

上記課題を解決するために、本願に係る光共振器は、内部に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を周期的に配置した高屈折率材料からなる棒状構造の1次元フォトニック結晶(棒状構造体)と、当該棒状構造体を取り巻く低屈折率媒体と、サイドスラブ及び熱拡散構造体を備えたことを特徴とする。前記サイドスラブは、熱伝導率が高く、前記棒状構造体より薄く、かつ有限の幅を有する。前記熱拡散構造体は熱伝導率が高く、当該熱拡散構造体と前記棒状構造体との間に前記サイドスラブを挟む位置に配置される。   In order to solve the above-described problems, an optical resonator according to the present application includes a one-dimensional photonic crystal having a rod-like structure made of a high-refractive index material in which cylindrical or polygonal column structures made of a low-refractive index material are periodically arranged. A rod-like structure), a low refractive index medium surrounding the rod-like structure, a side slab, and a heat diffusion structure. The side slab has high thermal conductivity, is thinner than the rod-like structure, and has a finite width. The thermal diffusion structure has high thermal conductivity, and is disposed at a position where the side slab is sandwiched between the thermal diffusion structure and the rod-shaped structure.

請求項1に記載の発明は、光共振器であって、内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の1次元フォトニック結晶と、前記1次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記1次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、1つまたは複数のサイドスラブと、前記サイドスラブの前記1次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体とを備え、前記熱拡散構造体は、半導体材料からなる半導体層と該半導体材料より熱伝導率が高い金属からなる金属層とから構成されたことを特徴とする。 The invention according to claim 1 is an optical resonator, a one-dimensional photonic crystal having a rod-like structure made of a high-refractive index medium in which a cylindrical or polygonal column structure made of a low-refractive index material is periodically arranged. One or a plurality of side slabs made of a material having high thermal conductivity, which is disposed in contact with the one-dimensional photonic crystal, which is thinner than the one-dimensional photonic crystal and has a finite width, and the side slab And a low-refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal, and the thermal diffusion structure is made of a semiconductor material. And a metal layer made of a metal having a higher thermal conductivity than that of the semiconductor material .

請求項に記載の発明は、請求項に記載の光共振器において、前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料はシリコンであり、前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、前記熱拡散構造体の厚さが前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical resonator according to the first aspect , the high refractive index medium, the side slab, and the semiconductor material are silicon, and the low refractive index surrounding the one-dimensional photonic crystal. The low refractive index material of the medium and the cylindrical or polygonal column structure is a material having a refractive index lower than that of air or a silicon oxide film, and the thickness of the thermal diffusion structure is thicker than the side slab. Features.

請求項に記載の発明は、請求項に記載の光共振器において、前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料は、InPであり、前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical resonator according to the first aspect , the high refractive index medium, the side slab, and the semiconductor material are InP, and the low refractive index surrounding the one-dimensional photonic crystal. The refractive index medium and the low refractive index material of the cylindrical or polygonal column structure are materials having a refractive index equal to or lower than that of air or a silicon oxide film, and the thermal diffusion structure is thicker than the side slab. And

請求項に記載の発明は、請求項に記載の光共振器において、半導体基板上に作製されたInPかInPよりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱体をさらに備え、前記熱拡散構造体は、前記伝熱体に接して配置されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical resonator according to the third aspect of the present invention, the optical resonator further includes a heat transfer body made of a material having higher thermal conductivity than InP or InP manufactured on a semiconductor substrate, and the thermal diffusion The structure is arranged in contact with the heat transfer body.

請求項に記載の発明は、光共振器であって、内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の1次元フォトニック結晶と、前記1次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記1次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、1つまたは複数のサイドスラブと、前記サイドスラブの前記1次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体とを備え、前記高屈折率媒体は、InPからなる層とInGaAsPからなる層とからなり、前記サイドスラブは、InPからなる2つの層と当該2つの層の間の空気層とからなり、前記熱拡散構造体は、InPからなる層とInGaAsPからなる層とからなり、前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is an optical resonator, a one-dimensional photonic crystal having a rod-like structure made of a high-refractive index medium in which a cylindrical or polygonal column structure made of a low-refractive index material is periodically arranged. One or a plurality of side slabs made of a material having high thermal conductivity, which is disposed in contact with the one-dimensional photonic crystal, which is thinner than the one-dimensional photonic crystal and has a finite width, and the side slab And a low-refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal, and the high-refractive index medium is made of InP. consists of a layer serving and of InGaAsP layers, said side slab is composed of a layer of air between the two layers and the two layers of InP, the thermal diffusion structure, InP Tona And a low refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal and a low refractive index material having a cylindrical or polygonal column structure have a refractive index lower than that of air or a silicon oxide film. The heat diffusion structure is thicker than the side slab.

以上説明したように、本発明によれば1D結晶光ナノ共振器において、必要十分なQ値を保ったまま共振器熱抵抗を低くし、共振器中心付近の温度上昇を抑制することが可能になる。動作時に非発光再結合やジュール熱などの発熱過程が存在し、かつ温度上昇により性能が制限されるレーザー、光スイッチ、光メモリ等の光素子において、本発明を実施することにより特性改善が可能になる。また素子を電気駆動する場合にサイドスラブを電流の導線にできるので、従来の多くの1D結晶共振器の設計に比べ電気駆動への整合性が高い。   As described above, according to the present invention, in the 1D crystal optical nanoresonator, it is possible to reduce the resonator thermal resistance while maintaining a necessary and sufficient Q value, and to suppress the temperature rise near the center of the resonator. Become. By implementing the present invention, it is possible to improve the characteristics of optical elements such as lasers, optical switches, and optical memories that have a heat generation process such as non-radiative recombination and Joule heat during operation and whose performance is limited by temperature rise. Become. In addition, when the element is electrically driven, the side slab can be used as a current conducting wire, so that the compatibility with the electric drive is higher than many conventional 1D crystal resonator designs.

本願の光共振器の構造は空気層の上に設けられた中空のシリコン薄膜中の光共振器にも有効であるが、特にシリコン酸化膜付のSOI構造の場合には、シリコンフォトニクスと整合性が高い、作製プロセスを単純化できる、中空構造が伴う構造脆弱性を排除できる、等の利点がある。また酸化膜を伴う場合に高性能の2D結晶共振器の実現が困難である(非特許文献4参照)ことを鑑みれば、本発明はシリコンフォトニクスにおける光電子素子の基盤として極めて有力である。   The structure of the optical resonator of the present application is also effective for an optical resonator in a hollow silicon thin film provided on an air layer. However, particularly in the case of an SOI structure with a silicon oxide film, it is compatible with silicon photonics. There are advantages such that the manufacturing process can be simplified, the structural vulnerability associated with the hollow structure can be eliminated, and the like. In view of the fact that it is difficult to realize a high-performance 2D crystal resonator with an oxide film (see Non-Patent Document 4), the present invention is extremely useful as a base of optoelectronic elements in silicon photonics.

本発明では光閉込を行うサイドスラブ部分と、高い排熱性能を有する熱拡散構造体を分離導入する手法を採用した。以下の第2の検証例で示すように、この手法はInPのように熱伝導率が比較的低い媒体において特に効果が高い。   In the present invention, a method of separating and introducing a side slab portion that performs light confinement and a heat diffusion structure having high heat exhaust performance is adopted. As shown in the second verification example below, this method is particularly effective in a medium having a relatively low thermal conductivity such as InP.

本発明の光共振器は1D結晶をベースとしており、2D結晶共振器に比べ構造の上下非対称性の影響を受けにくい。サイドスラブの位置は図1のように1D結晶部に対し下側でなく、上側でも中央部でも構わず、設計の自由度が高い。共振器及び光素子を実現する様々な加工技術への対応性に優れているといえる。同じく上下非対称性の影響を受けにくいため、図2の例のように上側と下側の低屈折率媒体が異なっていても構わない。故に各種材料への対応性も優れている。   The optical resonator of the present invention is based on a 1D crystal, and is less susceptible to the vertical asymmetry of the structure compared to a 2D crystal resonator. The position of the side slab is not below the 1D crystal part as shown in FIG. It can be said that it is excellent in adaptability to various processing technologies for realizing resonators and optical elements. Similarly, since it is difficult to be affected by the vertical asymmetry, the upper and lower low refractive index media may be different as in the example of FIG. Therefore, it has excellent compatibility with various materials.

本発明に係る光共振器の基本構成の見取図である。It is a sketch of the basic composition of the optical resonator which concerns on this invention. 本発明の第一の実施形態の光共振器の断面図である。It is sectional drawing of the optical resonator of 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態の光共振器のQ値の計算及び実験結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation of Q value and the experimental result of the optical resonator of 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態の光共振器の熱抵抗の計算及び実験結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation of the thermal resistance of the optical resonator of 1st embodiment of this invention, and an experimental result. 本発明の第一の実施形態の光共振器の熱緩和時間の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the thermal relaxation time of the optical resonator of 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態の光共振器の断面図である。It is sectional drawing of the optical resonator of 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態の光共振器の熱抵抗の計算及び実験結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation of the thermal resistance of the optical resonator of 2nd embodiment of this invention, and an experimental result. 本発明の第二の実施形態の光共振器の熱緩和時間の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the thermal relaxation time of the optical resonator of 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施形態の光共振器の断面図である。It is sectional drawing of the optical resonator of 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態の光共振器の断面図である。It is sectional drawing of the optical resonator of 4th embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
上記の通り、本願によれば、高屈折率材料からなる棒状構造体と、それを取り巻く低屈折率媒体と、熱伝導率が高く、棒状構造体より薄く、かつ有限の幅を有するサイドスラブと、その外側に配置された熱伝導率が高い熱拡散構造体を追加配置した光共振器が提供される。棒状構造体は、内部に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造からなる周期的に配置された高屈折率材料からなる1D結晶(1次元棒状フォトニック結晶)である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As described above, according to the present application, a rod-shaped structure made of a high-refractive index material, a low-refractive index medium surrounding the same, a side slab having a high thermal conductivity, thinner than the rod-shaped structure, and having a finite width, There is provided an optical resonator additionally provided with a heat diffusion structure having a high thermal conductivity disposed on the outside thereof. The rod-like structure is a 1D crystal (one-dimensional rod-like photonic crystal) made of a high-refractive index material periodically arranged in a cylindrical or polygonal column structure made of a low-refractive index material.

図1に、本発明に係る光共振器の基本構成の見取図を示す。図1に示す光共振器は、基板104上に、高屈折率材料からなる棒状構造体101と、熱伝導率の高いサイドスラブ105及び熱拡散構造体106を有する。図1に示す光共振器は、基板104と棒状構造体101及びサイドスラブ105との間に低屈折率媒体103を有し、棒状構造体101の上部は低屈折率媒体102が配置されている。すなわち、低屈折率媒体が棒状構造体101を取り巻くように配置されている。棒状構造の1D結晶である棒状構造体101の内部には、低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造が周期的に配置されている。熱拡散構造体106と基板104との間に低屈折率媒体103が配置されていてもよい。   FIG. 1 shows a sketch of the basic configuration of an optical resonator according to the present invention. The optical resonator shown in FIG. 1 has a rod-like structure 101 made of a high refractive index material, a side slab 105 and a thermal diffusion structure 106 with high thermal conductivity on a substrate 104. The optical resonator shown in FIG. 1 has a low refractive index medium 103 between a substrate 104, a rod-shaped structure 101, and a side slab 105, and a low-refractive index medium 102 is disposed on the upper portion of the rod-shaped structure 101. . That is, the low refractive index medium is arranged so as to surround the rod-like structure 101. A cylindrical or polygonal column structure made of a low refractive index material is periodically arranged inside the rod-shaped structure 101 which is a 1D crystal having a rod-shaped structure. A low refractive index medium 103 may be disposed between the thermal diffusion structure 106 and the substrate 104.

図1においてサイドスラブ105は1D結晶である棒状構造体101内の熱を外部へ伝える排熱経路として機能する。サイドスラブは仮に材料が高屈折率であっても厚さsh(図のy方向の長さ、以下同様)を薄くすることで上下の低屈折率媒体102、103と合わせた有効屈折率を低くできるので、水平方向(図のx方向)に前記棒状構造体に対し十分な光閉込効果を得ることができる。熱伝導率が高く、かつ共振器内への光閉込を阻害しない現実的なサイドスラブ材料は、棒状構造体と同様シリコンやInP等の半導体に限られる。   In FIG. 1, the side slab 105 functions as a heat exhaust path that transfers heat in the rod-like structure 101 that is a 1D crystal to the outside. Even if the material has a high refractive index, the side slab has a low effective refractive index combined with the upper and lower low-refractive index media 102 and 103 by reducing the thickness sh (the length in the y direction in the figure, hereinafter the same). Therefore, a sufficient light confinement effect can be obtained for the rod-like structure in the horizontal direction (x direction in the figure). A realistic side slab material that has high thermal conductivity and does not hinder light confinement in the resonator is limited to semiconductors such as silicon and InP as well as the rod-shaped structure.

サイドスラブ構造自体は電気的なpin構造を実現する手法として提案された例はあるが(非特許文献3参照)、放熱性に関する考慮はされていなかった。また放熱性を確保しつつ共振器Q値を高く保つ設計指針は未提示であった。本発明においてはサイドスラブに有限の幅sw(図のx方向の長さ、以下同様)を設定する。shが薄く、またsw幅が広くなると熱抵抗が大きくなる。逆にshが厚く、swが狭くなると水平方向への光閉じ込めが弱くなり共振器Q値が低下する。本発明によれば、以下に示す検討例のようにshとswを最適化することで光共振器性能を確保しつつ従来設計に対し1D結晶共振器の放熱性を著しく改善することが可能になる。   Although the side slab structure itself has been proposed as a method for realizing an electrical pin structure (see Non-Patent Document 3), no consideration has been given to heat dissipation. Further, a design guideline for keeping the resonator Q value high while ensuring heat dissipation has not been presented. In the present invention, a finite width sw (length in the x direction in the figure, the same applies hereinafter) is set in the side slab. When sh is thin and the sw width is wide, the thermal resistance increases. Conversely, when sh is thick and sw is narrow, the optical confinement in the horizontal direction is weakened, and the resonator Q value is lowered. According to the present invention, it is possible to significantly improve the heat dissipation of the 1D crystal resonator with respect to the conventional design while ensuring the optical resonator performance by optimizing sh and sw as in the following examination example. Become.

本発明のポイントは、光閉込を行うサイドスラブ105とその外側の熱拡散構造体106とを分離することである。熱拡散構造体106をサイドスラブ105から分離することで、光共振器設計にとらわれず熱拡散に最適な構造を追及することができる。具体的には半導体構造の厚みを大きくとることが可能になる。また熱伝導率の高い金属膜を配置することも可能である。また半導体基板上に配置された光共振器の場合、熱拡散構造体を基板に直接接続することも状況によっては有効である。   The point of the present invention is to separate the side slab 105 that performs light confinement from the heat diffusion structure 106 outside thereof. By separating the thermal diffusion structure 106 from the side slab 105, an optimum structure for thermal diffusion can be pursued regardless of the optical resonator design. Specifically, the thickness of the semiconductor structure can be increased. It is also possible to dispose a metal film having high thermal conductivity. In the case of an optical resonator arranged on a semiconductor substrate, it is also effective in some circumstances to directly connect the heat diffusion structure to the substrate.

<第一の実施形態>
以下に、本発明の有効性を数値シミュレーション及び実験により実証した結果を示す。
図2は第一の検証例の光共振器の構成を示し、図3〜図5は実証結果を示す。図2に示す光共振器において、1D結晶201、サイドスラブ205、及び熱拡散構造体206はシリコン薄膜からなる。これらはシリコン酸化膜層(低屈折率媒体)203を介しシリコン基板204上に配置される。この構造はSOI基板(203,204)に整合している。1D結晶201及び熱拡散構造体206はSOI層をそのまま用いて実現できる。上部低屈折率媒体202は空気であり、空気からなる結晶穴207及びサイドスラブ205はSOI層を上面からドライエッチングすることにより加工できる。共振器設計は非特許文献1にて開示した極めてQ値が高いモードギャップ1D結晶共振器(円柱穴ladder型タイプ)をベースに、格子定数αを350nm、穴半径を基準r0=105nm、変調パラメータをm=17に設定した。1D結晶201及び熱拡散構造体206の高さを210nm、1D結晶201の幅を580nm、シリコン酸化膜層203の厚さは2μmとした。本構造の光共振器性能を3次元有限差分時間領域法(FDTD)による数値解析と電子線リソグラフィーによりSOI基板を加工して得たサンプルの測定により評価した。計算の際にシリコン、シリコン酸化膜、空気の屈折率を各3.4、1.46、1.0とした。
<First embodiment>
Below, the result of having proved the effectiveness of this invention by numerical simulation and experiment is shown.
FIG. 2 shows the configuration of the optical resonator of the first verification example, and FIGS. 3 to 5 show the verification results. In the optical resonator shown in FIG. 2, the 1D crystal 201, the side slab 205, and the thermal diffusion structure 206 are made of a silicon thin film. These are disposed on the silicon substrate 204 via a silicon oxide film layer (low refractive index medium) 203. This structure is aligned with the SOI substrate (203, 204). The 1D crystal 201 and the thermal diffusion structure 206 can be realized using the SOI layer as it is. The upper low refractive index medium 202 is air, and the crystal hole 207 and the side slab 205 made of air can be processed by dry etching the SOI layer from the upper surface. The resonator design is based on a mode gap 1D crystal resonator (cylindrical hole ladder type) with a very high Q value disclosed in Non-Patent Document 1, based on a lattice constant α of 350 nm, a hole radius of reference r0 = 105 nm, and a modulation parameter. Was set to m = 17. The height of the 1D crystal 201 and the thermal diffusion structure 206 was 210 nm, the width of the 1D crystal 201 was 580 nm, and the thickness of the silicon oxide film layer 203 was 2 μm. The optical resonator performance of this structure was evaluated by numerical analysis by a three-dimensional finite difference time domain method (FDTD) and measurement of a sample obtained by processing an SOI substrate by electron beam lithography. In the calculation, the refractive indexes of silicon, silicon oxide film, and air were set to 3.4, 1.46, and 1.0, respectively.

図3にサイドスラブの高さshに対する共振器Q値の依存性を示す。ここでサイドスラブの幅swは1.2μmとした。shの増加と共にQ値は減少するが、計算ではsh=60nmにおいても100万を超える、また実験でもsh=50nmで10万を超えるQ値を確認した。Q値10万は通常の光素子応用には十分な値である。またモード体積もFDTD計算結果では1(λ/n)3を下回る値であった。図2の構造において高性能の1D結晶共振器が実現可能であることを実証した。 FIG. 3 shows the dependence of the resonator Q value on the height sh of the side slab. Here, the width sw of the side slab was set to 1.2 μm. Although the Q value decreases with increasing sh, the calculation confirmed that the Q value exceeded 1 million even at sh = 60 nm, and the experiment also confirmed that the Q value exceeded 100,000 at sh = 50 nm. The Q value of 100,000 is sufficient for normal optical device applications. The mode volume was a value less than 1 (λ / n) 3 in the FDTD calculation result. It has been demonstrated that a high-performance 1D crystal resonator can be realized in the structure of FIG.

次に、本構造の熱抵抗および熱緩和時間について調べた。非特許文献2と同様のモデルにより市販ソフトComsolにより解析した。解析においてシリコンおよびシリコン酸化膜の熱伝導率をそれぞれ163および1.5(単位はW/m/K)、空気は熱の絶縁体とした。図4に熱抵抗のsh依存性を示す。サイドスラブが厚くなると熱抵抗は単調に減少を示した。共振器サンプルの熱光学特性の測定結果から実験的に求めた熱抵抗のsh依存性と比較したところ、両者は良く一致した。このことから本構造により適切なsh及びswを与えると熱抵抗を改善できることが明らかになった。なお、本構造では低屈折率媒体にシリコン酸化膜を用いているためサイドスラブ無しの場合の熱抵抗率は少し高めの程度で留まっている。非特許文献2で検討した低屈折率媒体が全て空気の場合には、熱抵抗は更に5倍になる。   Next, the thermal resistance and thermal relaxation time of this structure were examined. Using the same model as in Non-Patent Document 2, analysis was performed with commercial software Comsol. In the analysis, the thermal conductivities of silicon and silicon oxide film were 163 and 1.5 (unit: W / m / K), respectively, and air was a thermal insulator. FIG. 4 shows the sh dependence of the thermal resistance. The thermal resistance decreased monotonously as the side slab became thicker. When they were compared with the sh dependence of the thermal resistance obtained experimentally from the measurement results of the thermo-optical characteristics of the resonator sample, they agreed well. From this, it was clarified that the thermal resistance can be improved by providing appropriate sh and sw by this structure. In this structure, since the silicon oxide film is used as the low refractive index medium, the thermal resistivity without the side slab remains at a slightly higher level. When the low refractive index medium examined in Non-Patent Document 2 is all air, the thermal resistance is further increased by a factor of five.

次に熱緩和時間に関する計算結果を図5に示す。こちらも熱抵抗と同様のsh依存性を示し、サイドスラブにより熱応答速度を加速できることが示された。いずれの場合でも、サイドスラブ採用による改善効果は非採用に対しsw=1.2μmにおいて最大で数倍、シリコン酸化膜203を除去し空気層に置き換えた場合で数十倍に及ぶことが分かった。また図5ではswを狭くするほど緩和時間が短縮されることが示されている。sh、swの設定は光共振器性能にも制約されるが、図3に示した有用なナノ共振器として動作する範囲のsh、swにおいて十分大きな熱性能の向上が得られている。   Next, the calculation result regarding the thermal relaxation time is shown in FIG. This also showed sh dependence similar to thermal resistance, and it was shown that the thermal response speed can be accelerated by the side slab. In any case, it was found that the improvement effect by adopting the side slab was several times at maximum when sw = 1.2 μm, and several tens of times when the silicon oxide film 203 was removed and replaced with an air layer compared to non-adoption. . FIG. 5 shows that the relaxation time is shortened as the sw is narrowed. Although the setting of sh and sw is also limited by the optical resonator performance, a sufficiently large thermal performance improvement is obtained in sh and sw in the range of operating as a useful nanoresonator shown in FIG.

シリコンの特長は金属に迫る高い熱伝導率を有していることである。故に熱拡散構造体としては本構造で採用している比較的薄い(210nm)シリコン薄膜でも十分な放熱性能が得られる。すなわち、非特許文献3が示すようなサイドスラブ部分を限定せず熱拡散構造体の厚さもshと同一とする設計に対し、熱緩和時間を半分以下に短縮し、熱抵抗についても15%以上の減少が期待できる。   The feature of silicon is that it has a high thermal conductivity approaching that of metal. Therefore, sufficient heat dissipation performance can be obtained even with a relatively thin (210 nm) silicon thin film employed in this structure as the thermal diffusion structure. That is, as compared with the design in which the side slab portion as shown in Non-Patent Document 3 is not limited and the thickness of the thermal diffusion structure is the same as sh, the thermal relaxation time is reduced to half or less, and the thermal resistance is also 15% or more. Can be expected to decrease.

なお、図4,5の熱抵抗や熱緩和時間の解析に際して、解析の計算領域を20μm×20μmに設定し、熱拡散構造体206の幅は、20μmから1D結晶201の幅(Wpc=580nm)および2つのサイドスラブ205の幅の合計(sw×2)を引き、2で割った値(10μm未満の値)となるように設定した。計算領域の端における境界条件として、熱は瞬時に奪われる設定とした。境界の外側に十分大きな金属あるいはシリコンのような熱の良導体が配置されている場合と近似的に同等とみなせる。実際に作製した光共振器における熱拡散構造体206の幅は少なくとも40μm以上であり、解析における計算領域を大きく超えて広がっている。なお、熱拡散構造体中を拡散した熱は最終的に基板または空気に伝わったのち散逸する。   4 and 5, the analysis calculation area is set to 20 μm × 20 μm, and the width of the thermal diffusion structure 206 is from 20 μm to the width of the 1D crystal 201 (Wpc = 580 nm). Also, the sum of the widths (sw × 2) of the two side slabs 205 was subtracted and divided by 2 (a value less than 10 μm). As a boundary condition at the end of the calculation area, heat is deprived instantly. It can be regarded as approximately equivalent to the case where a sufficiently large metal or a good heat conductor such as silicon is arranged outside the boundary. The width of the thermal diffusion structure 206 in the actually manufactured optical resonator is at least 40 μm or more, and greatly extends beyond the calculation area in the analysis. The heat diffused in the heat diffusion structure is finally transferred to the substrate or air and then dissipated.

以上、図2〜5を参照して、第一の実施形態に係る光共振器を示し説明した。これはSOIプラットフォームにおける実施形態例である。図2のシリコン酸化膜層203を除去し空気層としても本発明は有効である。特に極めて低い熱伝導率を有するシリコン酸化膜層がない方が熱緩和時間は短くなる。シリコン酸化膜層203の除去は例えばフッ化水素によるエッチングにより実現できる。   The optical resonator according to the first embodiment has been shown and described with reference to FIGS. This is an example embodiment on an SOI platform. The present invention is also effective when the silicon oxide film layer 203 of FIG. 2 is removed to form an air layer. In particular, the thermal relaxation time is shorter when there is no silicon oxide film layer having a very low thermal conductivity. The removal of the silicon oxide film layer 203 can be realized by etching with hydrogen fluoride, for example.

<第二の実施形態>
図6は第二の検証例の光共振器の構成を示し、図7〜図8は実証結果を示す。ここでは1D結晶601、サイドスラブ605、熱拡散構造体606および基板604を構成する高屈折率材料をシリコンからInPに変更した。InP及びそれをベースとする混晶材料系は半導体レーザー・受光器・変調器等に使われている重要な材料である。SOIのような酸化膜のついた構造はInPにおいても実現可能であるが、InP基板においては普及しておらず一般的ではないので、ここでは下部の低屈折率層603を空気層とする例をとりあげた。
<Second Embodiment>
FIG. 6 shows the configuration of the optical resonator of the second verification example, and FIGS. 7 to 8 show the verification results. Here, the high refractive index material constituting the 1D crystal 601, the side slab 605, the thermal diffusion structure 606, and the substrate 604 is changed from silicon to InP. InP and mixed crystal material systems based on it are important materials used in semiconductor lasers, light receivers, modulators, and the like. Although a structure with an oxide film such as SOI can be realized even in InP, it is not common in InP substrates and is not common, so here, an example in which the lower refractive index layer 603 is an air layer is used. I picked up.

InPの場合、熱伝導率(68W/m/K)がシリコンよりも相当低いことに注意する必要がある。まずサイドスラブ605の幅sw・膜厚shをより厳密に最適化する必要がある。加えて熱拡散構造体606について、シリコンを材料とした場合と異なり厚さ200〜300nmのInP層における熱伝導がボトルネックになる。排熱性能を更に高めるために(1)この部分のInP膜厚を大幅に厚くする、(2)InPその他の高熱伝導率媒体により熱を直接基板(InP)に伝え排熱する、(3)熱伝導率の非常に高い金属の膜を熱拡散構造体に加える、等の対策が必要になる。本検証例では(1)および(2)を採用し、InP基板604とInPから成る熱拡散構造体606を結ぶInPから成る伝熱部608を配置した。図6の構造において下部の低屈折率層603(空気層603とも呼ぶ)と伝熱部608の厚さを1μm、1D結晶601と熱拡散構造体606の厚さ(高さ)を210nmとした。サイドスラブ605の厚さshと幅swを変えた時の熱抵抗と熱緩和時間の変化を数値解析した。本検討では空気層とした下部の低屈折率層603とサイドスラブ605の端を一致させたが、この一致は必ずしも必要ではない。図7はサイドスラブ無しの場合の熱抵抗を1として熱抵抗をプロットした図である。サイドスラブ605の幅swが1.2μmにおける比較では、厚さshが50nmの場合の熱抵抗がサイドスラブ無しの場合の熱抵抗の1/8となり、本検証例の有効性が明確に示された。熱伝導率の違いにより図中に示したとおりシリコンの同等構造(シリコンナノ共振器)に比べ熱抵抗が大幅に増加するが、本発明によりInPナノ共振器の熱抵抗を典型的シリコンナノ共振器の2倍以内に抑制する見通しがついた。   Note that InP has a much lower thermal conductivity (68 W / m / K) than silicon. First, the width sw and the film thickness sh of the side slab 605 need to be optimized more strictly. In addition, unlike the case of using silicon as a material for the thermal diffusion structure 606, thermal conduction in an InP layer having a thickness of 200 to 300 nm becomes a bottleneck. In order to further improve the exhaust heat performance, (1) the InP film thickness of this part is greatly increased, (2) heat is transferred directly to the substrate (InP) by InP or other high thermal conductivity medium, and (3) It is necessary to take measures such as adding a metal film having a very high thermal conductivity to the thermal diffusion structure. In this verification example, (1) and (2) are adopted, and a heat transfer portion 608 made of InP connecting the InP substrate 604 and the heat diffusion structure 606 made of InP is disposed. In the structure of FIG. 6, the thickness of the lower low-refractive index layer 603 (also referred to as the air layer 603) and the heat transfer portion 608 is 1 μm, and the thickness (height) of the 1D crystal 601 and the heat diffusion structure 606 is 210 nm. . The change of the thermal resistance and the thermal relaxation time when the thickness sh and the width sw of the side slab 605 were changed was numerically analyzed. In the present study, the lower refractive index layer 603 serving as the air layer and the end of the side slab 605 are matched, but this matching is not always necessary. FIG. 7 is a diagram in which the thermal resistance is plotted assuming that the thermal resistance in the case of no side slab is 1. In the comparison when the width sw of the side slab 605 is 1.2 μm, the thermal resistance when the thickness sh is 50 nm is 1/8 of the thermal resistance when there is no side slab, and the effectiveness of this verification example is clearly shown. It was. Although the thermal resistance is greatly increased as shown in the figure due to the difference in thermal conductivity as compared to the equivalent structure of silicon (silicon nanoresonator), the thermal resistance of the InP nanoresonator can be increased by the present invention to a typical silicon nanoresonator. There is a prospect of restraining within 2 times.

図8(a)および(b)は、熱緩和時間のsh、sw依存性をそれぞれ示す。熱抵抗と同様に熱緩和時間は大きな単調変化を示した。サイドスラブ無しの場合の緩和時間は500nsを超えるため、1桁以上の短縮が得られる。   FIGS. 8A and 8B show the sh and sw dependence of the thermal relaxation time, respectively. Similar to thermal resistance, the thermal relaxation time showed a large monotonic change. Since the relaxation time without the side slab exceeds 500 ns, a reduction of one digit or more can be obtained.

図7および8は、InPの場合の熱抵抗および熱緩和時間のsw依存性が、シリコンの場合に比べ大きく、InPスラブ内の熱伝導がボトルネックになっていることを示している。シリコンと同様に、shを許される範囲で最大化するまたswを最小化する効果は極めて大きい。また、InPから成る伝熱部608の採用効果は大きく、InPに替わり伝熱部608を空気層にした場合に比べ熱抵抗で最大2倍、緩和時間では更に大きな改善が得られる。   7 and 8 show that the sw dependence of the thermal resistance and thermal relaxation time in the case of InP is larger than that in the case of silicon, indicating that the heat conduction in the InP slab is a bottleneck. Similar to silicon, the effect of maximizing sh in an allowable range and minimizing sw is extremely large. In addition, the effect of adopting the heat transfer portion 608 made of InP is great, and the heat resistance is doubled by a maximum as compared with the case where the heat transfer portion 608 is replaced with an air layer instead of InP, and the relaxation time is further improved.

図6の構造においてsh=50nm、sw=1.0μm、1D結晶601の幅を525nm、1D結晶601及び熱拡散構造体606の厚さ(高さ)hを300nmとした場合、熱抵抗は図7の単位で0.11となった。非特許文献1にて開示したモードギャップ1D結晶共振器(円柱穴ladder型タイプ)をベースに、格子定数αを400nmに、穴半径を基準r0=150nm、変調パラメータm=6.85に設定し本構造に配置したモデルに対しInPの屈折率を3.17としてFDTD法で解析したところ、約20万のQ値と1(λ/n)3を下回るモード体積を有する共振器モードが得られた。以上の通り、本検証例において熱性能に優れ実用的なナノ共振器が得られることを数値解析的に実証した。 In the structure of FIG. 6, when sh = 50 nm, sw = 1.0 μm, the width of the 1D crystal 601 is 525 nm, and the thickness (height) h of the 1D crystal 601 and the thermal diffusion structure 606 is 300 nm, the thermal resistance is The unit of 7 was 0.11. Based on the mode gap 1D crystal resonator (cylindrical hole ladder type) disclosed in Non-Patent Document 1, the lattice constant α is set to 400 nm, the hole radius is set to the reference r0 = 150 nm, and the modulation parameter m = 6.85. When the model arranged in this structure was analyzed by the FDTD method with a refractive index of InP of 3.17, a resonator mode having a Q value of about 200,000 and a mode volume of less than 1 (λ / n) 3 was obtained. It was. As described above, it has been numerically verified that a practical nanoresonator having excellent thermal performance can be obtained in this verification example.

以上、図6〜8を参照して、第二の実施形態に係る光共振器を説明した。本構造の加工は主にInP材料が対象になる。結晶穴やサイドスラブ部分は、高精度の電子線リソグラフィー技術とドライエッチングによる加工を組み合わせることで実現できる。伝熱部608を含むInPからなる部分は、InP基板604上への結晶成長技術により実現できる。空気層603の配置は単純な結晶成長またはエッチング技術のみでは困難である。既に普及している選択エッチング・選択成長、加工プロセス後再成長、等の技術の組み合わせが必要である。例えば、まずは犠牲層材料であるInGaAsPをInP基板604上に全面成長した後、空気層603となる部分を残しエッチング除去する。次に伝熱部606のInPを選択再成長し、その後1D結晶601、サイドスラブ605、熱拡散構造体606のInPを基板全面に再成長する。次に結晶穴607とサイドスラブ605の加工を電子線リソグラフィーおよびドライエッチングにより行う。最後に空気層603となる部分として残されたInGaAsP犠牲層を選択エッチングにより除去し空気層603とすれば完成する。ここに記述した例の他にも本構造を実現する手法の組み合わせと手順はある。   The optical resonator according to the second embodiment has been described above with reference to FIGS. The processing of this structure is mainly for InP materials. Crystal holes and side slab portions can be realized by combining high-precision electron beam lithography and processing by dry etching. A portion made of InP including the heat transfer portion 608 can be realized by a crystal growth technique on the InP substrate 604. The arrangement of the air layer 603 is difficult only by simple crystal growth or etching techniques. A combination of techniques such as selective etching / selective growth, regrowth after the processing process, etc. that are already in widespread use is necessary. For example, first, InGaAsP, which is a sacrificial layer material, is grown on the entire surface of the InP substrate 604, and then etched away leaving a portion that becomes the air layer 603. Next, InP in the heat transfer section 606 is selectively regrown, and then InP in the 1D crystal 601, the side slab 605, and the thermal diffusion structure 606 is regrown on the entire surface of the substrate. Next, the crystal hole 607 and the side slab 605 are processed by electron beam lithography and dry etching. Finally, the InGaAsP sacrificial layer left as a portion to become the air layer 603 is removed by selective etching to form the air layer 603, which is completed. In addition to the examples described here, there are combinations and procedures for realizing this structure.

<第三の実施形態>
図9は本発明の第三の実施形態の構成を示す。図6の構造から熱拡散構造体部分の変更を行っている。まずInP伝熱部(図6の608)を採用せず全体が空気層903上の中空構造であるとする(機械的支持は図示範囲外の共振器から遠方にて実施)。一方InP層905の上に金属層907を形成する。この金属層907を形成する構成は、第二の実施形態にて述べた(3)熱伝導率の非常に高い金属の膜を熱拡散構造体に加える構成に相当する。本実施形態では、金属としてはInPよりも熱伝導率が高いAl,Au,Ag,Cu等が好ましい。金属層を厚さ160nmのAu(熱伝導率400W/m/K)に設定し数値解析を行ったところ、図7及び8に示した第二の実施形態の結果には若干劣るものの、熱抵抗および緩和時間の改善が得られた。第三の実施形態の第二の実施形態に対する利点は、空気層部903の作製に選択再成長が不要となり加工を単純化できることである。金属層907の形成は一般的な真空蒸着等の製膜法とリフトオフ法等によるパタニングとの組み合わせにより容易に実現できる。光素子の電気的駆動の際は、金属層907を電極として利用できる。
<Third embodiment>
FIG. 9 shows the configuration of the third embodiment of the present invention. The heat diffusion structure portion is changed from the structure of FIG. First, it is assumed that the InP heat transfer section (608 in FIG. 6) is not adopted and the entire structure is a hollow structure on the air layer 903 (mechanical support is performed far from the resonator outside the illustrated range). On the other hand, a metal layer 907 is formed on the InP layer 905. The configuration for forming the metal layer 907 corresponds to the configuration described in the second embodiment (3) in which a metal film having a very high thermal conductivity is added to the thermal diffusion structure. In the present embodiment, Al, Au, Ag, Cu or the like having higher thermal conductivity than InP is preferable as the metal. When the metal layer was set to 160 nm thick Au (thermal conductivity 400 W / m / K) and numerical analysis was performed, the thermal resistance was slightly inferior to the results of the second embodiment shown in FIGS. And an improvement in relaxation time was obtained. The advantage of the third embodiment over the second embodiment is that selective re-growth is not necessary for the production of the air layer portion 903 and the processing can be simplified. Formation of the metal layer 907 can be easily realized by a combination of a general film forming method such as vacuum deposition and patterning by a lift-off method or the like. When the optical element is electrically driven, the metal layer 907 can be used as an electrode.

なお、第一の実施形態で説明した共振器構成における熱拡散構造体206を、シリコン薄膜に替えて、シリコン薄膜とシリコンよりも熱伝導率が高い金属(Al,Au,Ag,Cu等)層とから構成しても、本実施形態と同様に熱抵抗および緩和時間の改善が得られる。また、第二の実施形態で説明した共振器構成における熱拡散構造体606を、InPに替えて、InP層とInPよりも熱伝導率が高い金属(Al,Au,Ag,Cu等)層とから構成しても、本実施形態と同様に熱抵抗および緩和時間の改善が得られる。   The thermal diffusion structure 206 in the resonator configuration described in the first embodiment is replaced with a silicon thin film, and a silicon thin film and a metal (Al, Au, Ag, Cu, etc.) layer having higher thermal conductivity than silicon. Even in this configuration, improvement in thermal resistance and relaxation time can be obtained as in the present embodiment. In addition, instead of InP, the thermal diffusion structure 606 in the resonator configuration described in the second embodiment is replaced with an InP layer and a metal (Al, Au, Ag, Cu, etc.) layer having higher thermal conductivity than InP. Even if it comprises, the improvement of thermal resistance and relaxation time is obtained similarly to this embodiment.

<第四の実施形態>
図10は第四の実施形態に係る光共振器の構成を示す。1D結晶1001は下部InP層1009、中間InGaAsP層1010、上部InP層1011の一部からなり、結晶穴1012が貫通している。サイドスラブ1002はInP層1009、1011の一部からなり、1D結晶1001を支持し熱や電流の通り道となる。またサイドスラブ1002は中間の空気層1006と共に水平方向から光を1D結晶1001に閉じ込める働きをする。空気層1004、1005は上下から光を1D結晶1001に閉じ込める役割をする。熱拡散構造体1003はInGaAsP層1008,1010およびInP層1009,1011のうちサイドスラブ1002の外側の部分からなり、1D結晶1001及びサイドスラブ1002を支持するとともに熱を水平及び基板方向へ拡散する。
<Fourth embodiment>
FIG. 10 shows a configuration of an optical resonator according to the fourth embodiment. The 1D crystal 1001 includes a lower InP layer 1009, an intermediate InGaAsP layer 1010, and a part of the upper InP layer 1011, and a crystal hole 1012 passes therethrough. The side slab 1002 is composed of a part of the InP layers 1009 and 1011 and supports the 1D crystal 1001 and serves as a path for heat and current. The side slab 1002 functions to confine light in the 1D crystal 1001 from the horizontal direction together with the intermediate air layer 1006. The air layers 1004 and 1005 serve to confine light in the 1D crystal 1001 from above and below. The thermal diffusion structure 1003 is composed of portions of the InGaAsP layers 1008 and 1010 and the InP layers 1009 and 1011 that are outside the side slab 1002, supports the 1D crystal 1001 and the side slab 1002, and diffuses heat in the horizontal and substrate directions.

本構造の作製においてはまずInP基板1007上にInGaAsP層1008、InP層1009、InGaAsP層1010、InP層1011の順に基板全面への結晶成長を行う。各層の膜厚は下から順に例えば1μm、50nm、200nm、50nmとする。下層InGaAsP層1008と中間InGaAsP層1010の組成は、これらがInPに対する選択エッチングにより空気層1005及び1006をそれぞれ作製する際の犠牲層になるようにし、かつ前者が後者より相当エッチングレートが高くなるように設定する。次に上面からInP層1009まで貫通する選択エッチング用穴1013をドライエッチング等で作製する。次にクエン酸等の薬液を使いInPとInGaAsPの選択エッチングを実施する。InP層1009、1011のエッチングは無視できる程度でそのまま維持される。InGaAsP層1010の一部が除去されて空気層1006が形成される。エッチングは1D結晶1001の一部をなすInGaAsP層1010が所定の幅まで狭くなった時点で停止する。穴1013を通し下層InGaAsP層1008もエッチングされるが中間InGaAsP層1010より相当エッチングレートが高いため1D結晶1001及びサイドスラブ1002の下のInGaAsP層1008は全て除去されて完全に空気層1005に置換される。最後に電子線リソグラフィーおよびドライエッチングにより結晶穴1012を加工することにより本構造は完成する。本構造ではInPサイドスラブを上下2層配置することにより排熱性能を高めている。第四の実施形態においては結晶成長が1回で済み高度な再成長技術・選択成長技術の適用を不要にできる。   In manufacturing this structure, first, an InGaAsP layer 1008, an InP layer 1009, an InGaAsP layer 1010, and an InP layer 1011 are grown on the InP substrate 1007 in this order on the entire surface of the substrate. The thickness of each layer is, for example, 1 μm, 50 nm, 200 nm, and 50 nm in order from the bottom. The compositions of the lower InGaAsP layer 1008 and the intermediate InGaAsP layer 1010 are such that they become sacrificial layers when the air layers 1005 and 1006 are formed by selective etching with respect to InP, respectively, and the former has a considerably higher etching rate than the latter. Set to. Next, a selective etching hole 1013 penetrating from the upper surface to the InP layer 1009 is formed by dry etching or the like. Next, selective etching of InP and InGaAsP is performed using a chemical solution such as citric acid. Etching of the InP layers 1009 and 1011 is maintained as it is to a negligible extent. A part of the InGaAsP layer 1010 is removed to form an air layer 1006. Etching is stopped when the InGaAsP layer 1010 forming a part of the 1D crystal 1001 becomes narrow to a predetermined width. The lower InGaAsP layer 1008 is also etched through the hole 1013, but the etching rate is considerably higher than that of the intermediate InGaAsP layer 1010. Therefore, the 1D crystal 1001 and the InGaAsP layer 1008 under the side slab 1002 are all removed and completely replaced with the air layer 1005. The Finally, this structure is completed by processing the crystal hole 1012 by electron beam lithography and dry etching. In this structure, exhaust heat performance is improved by arranging two layers of InP side slabs on the top and bottom. In the fourth embodiment, crystal growth needs to be performed only once, and application of advanced regrowth technology / selective growth technology can be eliminated.

101、201、601、901、1001 棒状構造体
102、202、602、902、1004 低屈折率媒体(棒状構造体の上側)
103、203、603、903、1005 低屈折率媒体(棒状構造体の下側)
1006 低屈折率媒体(棒状構造体の横)
104、204、604、908、1007 基板
105、205、605、904、1002 サイドスラブ
106、206、606、905、1003 熱拡散構造体
107、207、607、906、1012 結晶穴
608 伝熱部
907 金属層
1008 下層InGaAsP層
1009、1011 InP層
1010 上層InGaAsP層
1013 犠牲層エッチング用穴
101, 201, 601, 901, 1001 Bar-shaped structure 102, 202, 602, 902, 1004 Low refractive index medium (above bar-shaped structure)
103, 203, 603, 903, 1005 Low refractive index medium (under the rod-shaped structure)
1006 Low refractive index medium (next to rod-like structure)
104, 204, 604, 908, 1007 Substrate 105, 205, 605, 904, 1002 Side slab 106, 206, 606, 905, 1003 Thermal diffusion structure 107, 207, 607, 906, 1012 Crystal hole 608 Heat transfer section 907 Metal layer 1008 Lower InGaAsP layer 1009, 1011 InP layer 1010 Upper InGaAsP layer 1013 Sacrificial layer etching hole

Claims (5)

光共振器であって、
内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の1次元フォトニック結晶と、
前記1次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記1次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、1つまたは複数のサイドスラブと、
前記サイドスラブの前記1次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、
前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体と
を備え
前記熱拡散構造体は、半導体材料からなる半導体層と該半導体材料より熱伝導率が高い金属からなる金属層とから構成されたことを特徴とする光共振器。
An optical resonator,
A one-dimensional photonic crystal having a rod-like structure made of a high-refractive index medium in which a cylindrical or polygonal column structure made of a low-refractive index material is periodically arranged;
One or a plurality of side slabs made of a material having high thermal conductivity, arranged in contact with the one-dimensional photonic crystal, and thinner than the one-dimensional photonic crystal and having a finite width;
A thermal diffusion structure disposed in contact with the side of the side slab that is opposite to the side in contact with the one-dimensional photonic crystal;
A low refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal ,
The thermal diffusion structure is constituted by a semiconductor layer made of a semiconductor material and a metal layer made of a metal having a higher thermal conductivity than the semiconductor material .
前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料はシリコンであり、
前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、
前記熱拡散構造体の厚さが前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする請求項に記載の光共振器。
The high refractive index medium, the side slab, and the semiconductor material are silicon;
The low refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal and the low refractive index material having the cylindrical or polygonal column structure are materials having a refractive index lower than that of air or a silicon oxide film,
The optical resonator according to claim 1 , wherein the thermal diffusion structure is thicker than the side slab.
前記高屈折率媒体、前記サイドスラブ、及び前記半導体材料は、InPであり、
前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、
前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする請求項に記載の光共振器。
The high refractive index medium, the side slab, and the semiconductor material are InP;
The low refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal and the low refractive index material having the cylindrical or polygonal column structure are materials having a refractive index lower than that of air or a silicon oxide film,
The optical resonator according to claim 1 , wherein the thermal diffusion structure is thicker than the side slab.
半導体基板上に作製されたInPかInPよりも熱伝導率の高い材料からなる伝熱体をさらに備え、
前記熱拡散構造体は、前記伝熱体に接して配置されていることを特徴とする請求項に記載の光共振器。
A heat transfer body made of a material having higher thermal conductivity than InP or InP produced on a semiconductor substrate;
The optical resonator according to claim 3 , wherein the heat diffusion structure is disposed in contact with the heat transfer body.
光共振器であって、
内部に周期的に低屈折率材料からなる円柱または多角柱構造を配置した高屈折率媒体からなる棒状構造の1次元フォトニック結晶と、
前記1次元フォトニック結晶に接して配置した、熱伝導率が高い材料からなる、前記1次元フォトニック結晶より薄く、かつ有限の幅を有する、1つまたは複数のサイドスラブと、
前記サイドスラブの前記1次元フォトニック結晶と接する側と対向する側に接して配置した熱拡散構造体と、
前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体と
を備え、
前記高屈折率媒体は、InPからなる層とInGaAsPからなる層とからなり、
前記サイドスラブは、InPからなる2つの層と当該2つの層の間の空気層とからなり、
前記熱拡散構造体は、InPからなる層とInGaAsPからなる層とからなり、
前記1次元フォトニック結晶を取り巻く低屈折率媒体及び前記円柱または多角柱構造の低屈折率材料は、空気またはシリコン酸化膜の屈折率以下の屈折率を有する材料であり、
前記熱拡散構造体は、前記サイドスラブよりも厚いことを特徴とする光共振器。
An optical resonator,
A one-dimensional photonic crystal having a rod-like structure made of a high-refractive index medium in which a cylindrical or polygonal column structure made of a low-refractive index material is periodically arranged;
One or a plurality of side slabs made of a material having high thermal conductivity, arranged in contact with the one-dimensional photonic crystal, and thinner than the one-dimensional photonic crystal and having a finite width;
A thermal diffusion structure disposed in contact with the side of the side slab that is opposite to the side in contact with the one-dimensional photonic crystal;
A low refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal;
With
The high refractive index medium includes a layer made of InP and a layer made of InGaAsP.
The side slab consists of two layers made of InP and an air layer between the two layers ,
The thermal diffusion structure includes a layer made of InP and a layer made of InGaAsP,
The low refractive index medium surrounding the one-dimensional photonic crystal and the low refractive index material having the cylindrical or polygonal column structure are materials having a refractive index lower than that of air or a silicon oxide film,
The thermal diffusion structure, the optical resonator you characterized thicker than the side slabs.
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