薄膜半導体/ポリマー複合材料による能動光デバイスの研究

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本研究では、半導体層を100nm(従来の1/10〜1/50)程度に薄くし、半導体に比べて屈折率が大きく異なる誘電体層で挟む光導波路構造を用いることにより、半導体層と誘電体層の光学的複合性質を利用する新しい能動光デバイスの可能性を探ることを目的として行い、以下に挙げる成果を得た。1)電子線リソグラフィー、メタンと水素の混合ガスによるドライエッチングと2回の有機金属気相成長法によって、細線状活性層が周期状に配置された分布帰還(DFB)構造を作製し、さらに厚さ130nmの薄膜構造化してポリマーで光閉じ込めを行う半導体薄膜分布帰還(DFB)レーザを試作し、光励起下で室温連続動作を達成した。ストライプ幅2μm、共振器長120μmの素子において、しきい値励起光入力1.5mW(電流換算値27μA)という極低電流動作可能性を実証した。2)この薄膜半導体/ポリマー複合導波路構造を有する半導体薄膜DFBレーザの回折格子周期とそのブラッグ波長の関係を測定した結果、薄膜半導体/ポリマー複合導波路構造の等価屈折率はほぼ設計通りの2.30であり、半導体コア層の屈折率と光閉じ込め層の屈折率の平均値となっていることを世界で初めて実験より明らかにした。3)回折格子周期の異なる20素子を10μmの間隔で配置した多波長レーザアレイを試作した結果、発振波長はそれぞれの素子の設定値に対して±0.4nmの範囲で制御できることを実験的に明らかにした。これより、低密度波長多重通信用光源への応用可能性を示した。4)回折格子周期を一定にし、ストライプ幅を変化させることにより発振波長を制御する方法により、電子ビーム露光装置の最小ステップ幅(1.25nm)に制限されない狭い波長間隔の多波長レーザアレイを実現した。