高量子効率シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物を用いた光導波路および光増幅方法
【課題】シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた導波路およびシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた光増幅方法を提供する。
【解決手段】本発明は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法を提供する。本発明の光増幅方法は、１０％を越える量子効率を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路には、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号が供給される。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源によって励起される。その結果。第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有する光出力信号が生成する。例えば、第３パワーは、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路ストライプの長さに応じて増加する。
【解決手段】本発明は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法を提供する。本発明の光増幅方法は、１０％を越える量子効率を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路には、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号が供給される。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源によって励起される。その結果。第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有する光出力信号が生成する。例えば、第３パワーは、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路ストライプの長さに応じて増加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として光学装置（optical device）に関し、より詳細には、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた高量子効率光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ結晶シリコンのユニークな構造特性、電気特性、および光学特性は、光電子デバイスおよび集積記憶装置で用いると利益をもたらす。シリコンは、加工技術が発達しているため、光学装置の製造に選択される材料である。しかし、間接的なバンドギャップは、発光装置にとって、非効率な物質である。何年にもわたる様々な研究開発活動は、シリコンベース発光光電子を実現するために、シリコンの光機能を調整することに照準を合わせられてきた。室温での効率的な発光の実現は、全てのシリコンベースオプトエレクトロニクスの実現に向かう重要なステップである。
【０００３】
安定で信頼性のある光電子デバイスには、高いフォトルミネッセンス（ＰＬ）およびエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）量子効率を有するシリコンナノ結晶が要求される。集積化光電子デバイスを積極的に進めるための１つのアプローチは、シリコンナノ結晶が埋め込まれたシリコン酸化薄膜（ＳｉＯｘ薄膜：ｘ≦２）を製造することである。正孔対の再結合による発光は、ナノ結晶サイズによって大きく異なるシリコンナノ結晶に制限される。ナノ結晶シリコンを含有するＳｉＯｘ薄膜の電気特性および光学特性は、シリコンナノ結晶のサイズ、濃度、および濃度分布によって異なる。容量結合プラズマ源を用いるプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）などの種々の薄膜堆積技術が、安定で信頼性のあるナノ結晶シリコン薄膜の製造のために、研究されている。
【０００４】
しかし、従来のＰＥＣＶＤおよびスパッタリング技術は、低プラズマ密度、プラズマに結合する非効率な電力、低いイオン／中和比（low ion/neutral ratio）、および制御されないバルク、並びに高イオン衝撃エネルギーによる界面損傷などの制約を受ける。従って、プラズマを発生させる従来の容量結合プラズマ（ＣＣＰ）によって形成された酸化膜は、衝突イオン種の高イオン衝撃エネルギーによる信頼性の問題を引き起こす可能性がある。任意のプラズマから生じるバルクまたは界面損傷を制御することまたは最低限に抑えることが重要である。しかし、プラズマを発生させるＣＣＰの高周波を利用して、イオンエネルギーを制御することはできない。適用される電力を増加させることによって反応速度を増加させる試みは、堆積フィルムの衝撃を増加させ、高い欠陥濃度を有する低品質なフィルムを生じさせる結果となる。
【０００５】
堆積処理は、スパッタリング，ＰＥＣＶＤ等の従来のプラズマに基づく方法よりも広範囲の処理および増強されたプラズマ特性を与える。堆積処理には、ＰＬ／ＥＬベースの装置開発のために、粒子の生成および粒子サイズの制御が求められる。プラズマ密度を高め、プラズマ衝撃を最小化し得るプロセスは、プラズマにより生じる微細構造の損傷なしに、高品質フィルムを確実に成長させることができる。また、界面の制御と膜のバルク品質とを独立して与え得る処理は、高性能および高信頼性の電子機器を確実に製造することができる。活性プラズマ種、ラジカル、およびイオンを効率的に発生させることのできるプラズマ処理は、プロセス制御および特性制御によって、高品質薄膜開発を可能とする。
【０００６】
高品質のＳｉＯｘ薄膜を製造するためには、シリコンナノ結晶粒子上に高品質の絶縁層を確保するために、成長中の膜の酸化も極めて重要である。高濃度で活性酸化ラジカルを生成し得る処理は、酸化物マトリクス内のシリコンナノ粒子の効率的な不動態化を確実にすることができる。プラズマによって誘発される損傷を最小限とするプラズマ処理は、高品質な装置の製造に重要な高品質の界面を形成することが可能となる。低熱量での効率的な酸化処理および水素化処理は、高品質な光電子デバイスの処理に非常に重要であり、大きな意義があるものとなる。高温での熱処理は、他の素子層を干渉し得る。また、熱活性種は反応性が低いため、効率および熱量の観点から適切ではない。
【０００７】
さらに、高品質なフィルムの形成／堆積、構造、酸化、水素化、粒子の生成、粒子サイズの制御、プラズマ密度およびイオンエネルギーの独立制御、および、広面積処理の点において、より全面的な解決策および可能性を提供できるプラズマ処理が、高性能な光電子デバイスの開発に求められる。
【０００８】
また、種々のプラズマ条件が、薄膜の特性および目的の用途に応じて要求される薄膜の品質に影響を及ぼすように、プラズマ処理を薄膜フィルムの特性に関連付けることも重要である。目的の用途に応じた重要なプラズマ特性および薄膜特性のいくつかは、堆積比率、基板温度、熱量、密度、微細構造、界面の品質、不純物、プラズマにより生じる損傷、活性種（ラジカル／イオン）を発生させるプラズマ状態、プラズマ電位、処理、システム（系）の規模、電気特性および電気的信頼性である。
【０００９】
また、薄膜の品質を評価するために非常に重要なこれらの特性同士の相関関係は、プロセスマップが目的の用途に応じたフィルムの品質に影響を及ぼす。プロセスマップに応じて別々に関連付けられる、プラズマエネルギー、組成（イオンに対するラジカルの割合）、システム（系）の圧力、プラズマ電位、電子温度、および、温度状態などの低密度プラズマシステム（系）または他の高密度プラズマシステム（系）において、単に処理を拡張発展させるだけでは、薄膜を研究し、または、発展させることはできない。
【００１０】
透明ガラス、石英、プラスチック基板上に形成される大規模デバイスである、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の製造は、一般的に低温処理されることが望ましい。これらの透明基板は、６５０℃を超える温度に晒されると損傷を受ける。このような温度の問題を解決するために、低温でのＳｉの酸化処理が開発されている。低温でのＳｉの酸化処理では、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源などの高密度プラズマ源が用いられ、１２００℃の化学酸化法に匹敵する品質のＳｉ酸化物を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許公報ＵＳ２００６／０２１１２６７号公報（２００６年９月２１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、フォトルミネッセンス（ＰＬ）量子効率（ＱＥ）は、低波長での吸収光子量に対する長波長での放出光子量の割合として定義される。フォトルミネッセンス（ＰＬ）量子効率（ＱＥ）は、膜または装置の光変換効率の単位である。物質による吸収エネルギーは、励起波長の一部であるので、光子エネルギーは、波長に反比例する。ＱＥは、装置効率を特徴付けるために、一連の波長以上になることもある。
【００１３】
従って、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜を用いて高量子効率導波路デバイスを製造することは有用である。
【００１４】
本発明は、その目的は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた導波路および光増幅方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の光増幅方法は、上記の課題を解決するために、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法であって、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する工程、
上記シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する工程、
２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源により、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程、および、
第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を生成する工程とを含むことを特徴としている。
【００１６】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、厚さ４００μｍ〜１０００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成してもよい。
【００１７】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成し、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を光源にさらし、
光出力信号を生成する工程では、上記ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成してもよい。
【００１８】
本発明の光増幅方法では、光出力信号を生成する工程では、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成してもよい。
【００１９】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に光入力信号を供給する工程では、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、第１半値全幅未満の第２半値全幅（第２ＦＷＨＭ）を有する光出力信号を生成してもよい。
【００２０】
本発明の光増幅方法では、光入力信号を供給する工程では、１００ｎｍの第１ＦＷＨＭを有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、２５ｎｍの第２ＦＷＨＭを有する光出力信号を生成してもよい。
【００２１】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅のある導波路を形成し、
第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成してもよい。
【００２２】
本発明の光増幅方法では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得を有する光出力信号を生成してもよい。
【００２３】
本発明の光増幅方法では、線形利得を有する光出力信号を生成する工程では、下記（ａ）および（ｂ）からなる群より選択される線形利得を有する光出力信号を生成してもよい。
（ａ）５０μｍのストライプ幅、および、１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
（ｂ）５００μｍのストライプ幅、および、０〜３０００μｍのストライプ長に対し、１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【００２４】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成してもよい。
【００２５】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積させてもよい。
【００２６】
本発明の光増幅方法では、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ＨＤＰＥＣＶＤ処理後、ＳｉＯｘ堆積，アニール処理，ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶の組込みを含んでもよい。
【００２７】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程は、以下の工程を含んでもよい。
・２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入する工程
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入する工程
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極に供給する工程
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極に供給する工程。
【００２８】
本発明の光増幅方法では、ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、５００〜１１００℃で、１０分〜１２０分間のアニール処理を行ってもよい。
【００２９】
本発明の光増幅方法では、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程では、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用してもよい。
【００３０】
本発明の光増幅方法では、アニール処理に応じた、ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶を組み込む工程では、直径２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶を形成してもよい。
【００３１】
本発明の導波路は、上記の課題を解決するために、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路であって、光学指数を有する底部基板と、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプとを備え、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、底部基板を覆っており、上部基板および底部基板よりも大きい光学指数を有すると共に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる第２界面、および第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する第３界面を有する導波路。
【００３２】
本発明の導波路は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの厚さは、４００μｍ〜１０００ｎｍであってもよい。
【００３３】
本発明の導波路は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路が、１．５８〜１．７５の光学指数を有してもよい。
【００３４】
本発明の導波路は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅を有してもよい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた高量子効率の導波路、および、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた光増幅方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の部分断面図である。
【図２】誘導結合プラズマ源を用いた高密度プラズマ（ＨＤＰ）システム概略図である。
【図３】シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）導波路および波長（λ）が７２０ｎｍで動作のサポートモードを示す図である。
【図４】ＶＳＬ法（Variable Stripe Length Method）による測定のための実験装置を示す図である。
【図５】図５は、固定のストライプ長（ストライプ長：２０００μｍ）に対し、種々の電力で光励起された導波路の狭発光スペクトルを示すグラフである。
【図６Ａ】固定励起パワーでのストライプ長に対する発光スペクトル強度を示すグラフである。
【図６Ｂ】固定励起パワーでのストライプ長に対する発光スペクトル強度を示すグラフである。
【図６Ｃ】固定励起パワーでのストライプ長に対する発光スペクトル強度を示すグラフである。
【図７】光回路用途に集積された光励起されたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路増幅器を示す図である。
【図８】高ＳＮＲ（シグナルノイズ比）用途のために、光検出器の前に光学的前置増幅器として用いたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を設置して構成した検出モジュールを示す図である。
【図９】シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜マイクロディスク導波路を示す概略図である。
【図１０】高反射隆起エッジミラーを備えたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を示す図である。
【図１１】シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を用いた光増幅方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下では、７５０ｎｍ付近の波長に対する利得材料として、新開発の高量子効率シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜を用いた光導波路増幅器について説明する。吸収および散乱による光信号の強度減少は、システム性能の悪化につながる。本発明の導波路は、長距離光信号伝搬を実現できると共に、光学系設計内の電力量を増加させることができる。本発明の導波路では、導波モードの膜厚が約６００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜が、基板と空気との間に挟持されていてもよい。光導波路理論に基づく計算では、この膜厚では、１つのＴＥモードと１つのＴＭモードとをサポートする。
【００３８】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜は、光励起されると、超高量子効率を示す。新型増幅器の利得は、一般的に容認されたＶＳＬ（variable stripe length）法により測定することができる。この測定時には、導波路の発光スペクトルが明らかに狭くなること観測される。例えば、３９０ｎｍで光励起した場合、バンド幅が３０ｎｍ，７５０ｎｍに中心がある１３０程度の利得が見られる。
【００３９】
このような光励起型導波路増幅器は、集積光回路間の通信に利用することができる。また、この導波路は、検出限界を超えた信号レベルを高めるための増幅器として、光検出器（特に、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）ベース光検出器）の前方に使用し、７５０ｎｍを超える遮断波長以上の検出を高めることもできる。
【００４０】
このように、本発明によれば、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を用いた光導波路を提供することができる。すなわち、本発明の光導波路の製造方法は、１０％以上の量子効率のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）を製造する。ここで、光入力信号は、７００ｎｍ〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有し、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に供給される。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源によって励起される。その結果、第１パワーよりも大きい第３パワーを有する光出力信号が生成する。第３パワーは、上記導波路のストライプ長さに応じて、増加してもよい。
【００４１】
一方、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって形成してもよい。具体的には、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによりＳｉＯｘストライプを堆積した後、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプをアニール処理し、ＳｉＯｘストライプにシリコンナノ結晶を組み込む。これにより、直径約２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶が形成される。ＨＤＰＥＣＶＤプロセスは、例えば、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３のより高いプラズマ密度を使用する。
【００４２】
以下、上記の方法およびシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路について詳細に説明する。
【００４３】
図１は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の部分断面図である。導波路１００は、光学指数を有する底部基板１０２を備えている。例えば、底部基板１０２は、二酸化シリコンであってもよい。底部基板１０２上には、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプ１０４が形成されている。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、その下にある底部基板１０２の光学指数よりも、大きな光学指数を有している。さらに、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面１０６を有している。典型的には、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４（導波路１００）は、約１．５８〜１．７５の光学指数を有している。
【００４４】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、第２界面１０８および第３界面を有する。第２界面１０８は、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる。第３界面１１０は、第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４の厚さ１１２は、約４００μｍ〜１０００ｎｍである。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、約５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅（図示せず）およびストライプ長１１６を有する。
【００４５】
〔機能の説明〕
上述した高利得導波路増幅器は、７５０ｎｍ近辺の波長で約５０ｎｍの動作幅を有する高量子効率シリコン過剰のシリコン酸化物材料を用いて製造される。ＳｉＯｘ薄膜導波路は、４８％程度の量子効率を有する高品質の薄膜を製造するＨＤＰＣＶＤ（高密度プラズマ化学気相堆積法）プロセスを用いて堆積される。
【００４６】
図２は、誘導結合プラズマ源を用いた高密度プラズマ（ＨＤＰ）システム概略図である。図２のシステムは、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘを堆積するためのＨＤＰＥＣＶＤプロセスを実現するために利用できるシステムの一例である。上部電極１は、高周波（ＲＦ）電源２によって駆動され、下部電極３は、低周波電源４によって駆動される。高周波電力は、高密度誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）源（高周波電源２）から、マッチング回路５および高域フィルタ７を介して、上部電極１に連結されている。低域フィルタ９および整合変成器１１を介する下部電極３に対する電力は、上部電極１とは独立して変えることができる。上部電極１に供給される電力周波数は、ＩＣＰ設計に基づき、約１３．５６ＭＨｚ〜約３００ＭＨｚとすることができる。下部電極３に供給される電力周波数は、イオンエネルギーを制御するために、約５０ＫＨｚ〜約１３．５６ＭＨｚとすることができる。圧力は、５００ｍＴｏｒｒ以下とすることができる。上部電極１に供給される電力は、約１０Ｗ／ｃｍ２とし、下部電極３に電力は、約３Ｗ／ｃｍ２とすることができる。
【００４７】
ＨＤＰシステムの興味深い特徴の１つは、プラズマにさらされた誘導コイルがなく、供給源に生じる不純物を取り除く。また、ＨＤＰシステムでは、上部電極１および下部電極３に対する電力制御を、独立して行うことができる。上部電極１および下部電極３はプラズマにさらされていないので、可変コンデンサを用いてＨＤＰシステム本体の電位を調節する必要はない。つまり、上部電極１および下部電極３間のクロストークは無く、プラズマ電位は低く、通常２０Ｖ未満である。ＨＤＰシステムの電位は、フロートタイプの電位であり、システム設計および電力結合の作用に基づいている。
【００４８】
ＨＤＰシステムにおけるＨＤＰ手段は、１×１０１１ｃｍ−３よりも大きい電子濃度を有し、１０ｅＶ未満の電子温度を有する、真の高密度プラズマプロセスである。しかも、ＨＤＰシステムは、多くの高密度プラズマシステム、および、容量結合形プラズマ手段のような従来の設計のように、上部電極１に接続されたコンデンサとシステム本体と間に、異なるバイアスを維持する必要はない。また、上述のように、上部電極１に高周波（ＲＦ）電力が供給され、下部電極３には低周波（ＬＦ）電力が供給される。
【００４９】
図３は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）導波路および波長（λ）が７２０ｎｍで動作のサポートモードを示す図である。このモードは、対応するＴＥ軌跡およびＴＭ軌跡に、軌跡１が交差している。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜（ｎ１＝１．６４の光学指数を有する）は、上部媒体として、大気（ｎ＝１）と共に石英（ｎ２＝１．４６）上に堆積されている。光導波路理論に基づく計算では、８００ｎｍ付近の波長でサポートされないモード以下に、厚さの限界が存在する。図３のように、厚さ６００ｎｍの導波路には、ある横電波（ＴＥ）モードまたは垂直偏波（ＴＭ）モードが、指数が対照的な導波を得るために支援する。厚さ６００ｎｍの導波路は、高量子効率のために最適化されたプロセスウインドウを用いた上述したＨＤＰＣＶＤプロセスによって製造される。実質的には、厚さのばらつきによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、８００ｎｍ付近の波長で動作する少数のモードをサポートする。
【００５０】
図４は、ＶＳＬ法（Variable Stripe Length Method）の実験装置を示す図である。ストライプは、ビーム拡大平行レンズを経た、円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）によって形成される。ＶＳＬ法の測定は、ポンプ光を取り除くために、長波長帯で行った。図４のように、レーザビーム（３９０ｎｍでチタン：サファイアフェムト秒レーザにおける第２高長波から生成）は、β−ホウ酸バリウム（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶を経た後、通常の円形レンズによって拡大され平行になる。その後、拡大されたビームは、シリンドリカルレンズと一直線となり、測定波長において必要なストライプ長（ｌ）が形成される。理論的には、純利得（ｇｍｏｄ）がある場合、増幅した自然発光の測定強度ＩＡＳＥは、下記の（１）式で示される。
式（１） ＩＡＳＥ＝Ｊｓｐ／ｇｍｏｄ（ｅｘｐ（ｇｍｏｄ×ｌ）−１）。
【００５１】
導波路では、利得（ｇｍｏｄ）は、利得ストライプ長（ｌ）の関数として、測定強度データを当てはめることによって推定できる。
【００５２】
図５は、固定のストライプ長（ストライプ長：２０００μｍ）に対し、種々の電力で光励起された導波路の狭発光スペクトルを示すグラフである。図５には、発光スペクトルが、励起強度の増加につれて狭くなることが明確に示されている。発光スペクトルが狭くなる現象は、試料が自然発光の閾値以上に励起された場合に増幅した自然発光（ＡＳＥ）がもたらした直接の結果である。図５のように、ストライプ長が２０００μｍに固定されたストライプでは、励起強度の増加につれて、より強い発光を示す。同様に、発光スペクトルは、＞１００ｎｍ〜２５ｎｍを変動する半値全幅（ＦＷＨＭ）と共に狭くなる。全集光を用いて利得を測定するよりも、ストライプ長の関数としてスペクトル強度ピークを用いて利得を測定することが重要である。全集光を用いて利得を測定した場合、多くの散光が含まれる。
【００５３】
図６Ａ〜図６Ｃは、固定の励起パワーにおけるストライプに対する、発光スペクトル強度を示すグラフである。図６Ａでは、励起パワーは３００μＷである。図６Ａには、発光スペクトルピークは、ストライプ長に応じて増加することが明確に示されている。発光スペクトルは、増幅した自然発光により、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１００ｎｍから２７ｎｍまで狭くなる。
【００５４】
図６Ｂでは、発光ピーク強度が、ストライプ長の関数として示される。明りょうな閾値の挙動が、励起されたストライプに従って、増幅した自然発光の直接の結果として観察される。破線は、光利得のない場合の閾値の挙動を示している。光利得のない場合の閾値は、ストライプ長と共に直線的に増加すると見込まれる。
【００５５】
図６Ｃは、５００μｍおよび５０μｍの幅で励起したストライプを比較したグラフである。この場合の利得は、ＩＡＳＥとして対応するスペクトルピークを上記（１）式に当てはめることによって推定される。ストライプ幅が５０μｍである場合の利得は、１３５／ｃｍにまで増加し、約３５０μｍ以上のストライプ長で飽和状態となる。この利得は、これまで知られた光利得の中で最も高い。
【００５６】
図７は、光回路用途に集積された光励起されたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路増幅器を示す図である。信号は、検出器に入る前に利得を得るため、信号伝搬が高められる。
【００５７】
図８は、高ＳＮＲ（シグナルノイズ比）用途のために、光検出器（ＰＩＮ光検出器）１０１の前に光学的前置増幅器として用いたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路１００を設置して構成した検出モジュールを示す図である。
【００５８】
図９は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜マイクロディスク導波路を示す概略図である。活性媒体としてシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜を用いたレーザ作用に加えて、例えば、高線質係数のマイクロディスクおよび光子キャビティなどの適当な光キャビティデザインを付加してもよい。図９のように、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜は、マイクロディスク内部に形成される。導波路は、臨界結合付近に達するために、マイクロディスクに非常に近接して配置することができる。結合励起光は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜によって徐々に吸収されるので、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜は、上述したように光利得と共に徐々に増幅される。マイクロディスクの線質係数は、利得が損失を十分に越える程度に十分高い場合、レーザ作用を生じる。
【００５９】
図１０は、高反射隆起エッジミラーを備えたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を示す図である。図１０には、起こり得る２つの励起の仕組みが示されている。一方は、頂部（上面）での励起であり、他方は縁部（端面）での励起である。上記ミラーは、金コーティングまたは他の多層膜からなる誘電体コーティングによって形成することができる。
【００６０】
図１１は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を用いた光増幅方法を示すフローチャートである。図１１に示す方法は、明確にするため、各工程に通し番号を付しているが、付された番号は工程の順番を示すものではない。つまり、当然のことながら、図中の工程のうち、一部の工程を省略してもよいし、同時に行ってもよいし、正確な順序を維持せずに行ってもよい。図１１の方法は、ステップ１１００（Ｓ１１００）から開始する。
【００６１】
まず、Ｓ１１０２では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２未満）導波路を形成（準備）する。Ｓ１１０４では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘに、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する。Ｓ１１０６では、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘを励起する。Ｓ１１０８では、第１波長で第１パワーより大きい第３パワーを有する光出力信号を生成する。この光出力信号は、１０％を越える量子効率を有する。
【００６２】
実施の一形態では、Ｓ１１０２において、厚さ約４００ｎｍ〜１０００ｎｍ，約１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成してもよい。また、別の形態では、Ｓ１１０２のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路の形成には、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路の形成が含まれるので、Ｓ１１０６では、光源（励起源）に、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路のストライプ長がさらされる。その結果、Ｓ１１０８の光出力信号の生成には、ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加した第３パワーを有する光出力信号の生成が含まれる。同様に、第３パワーは、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて、増加する。
【００６３】
別の形態では、Ｓ１１０４のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘへの光入力信号の供給には、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号の供給が含まれる。その結果、Ｓ１１０８の光出力信号の生成には、第１ＦＷＨＭ未満の第２ＦＷＭＨを有する光出力信号の生成が含まれる。例えば、Ｓ１１０４において約１００ｎｍの第１ＦＷＨＭの光入力信号を供給する場合、Ｓ１１０８では約２５ｎｍの第２ＦＷＨＭの光出力信号を生成する。
【００６４】
同様に、Ｓ１１０２において幅のあるシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘの形成すれば、Ｓ１１０８ではストライプ長およびストライプ幅に応じた光出力信号を生成する。Ｓ１１０８では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得（lenear power）を有する光出力信号を生成する。例えば、Ｓ１１０８では、約５０μｍのストライプ幅、および、約１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、約１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。別の例では、Ｓ１１０８では、約５００μｍのストライプ幅、および、約０〜３０００μｍのストライプ長に対し、約１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【００６５】
別の形態では、Ｓ１１０２のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘの形成には、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ堆積させることが含まれる。ＨＤＰＥＣＶＤプロセスは、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用する。ＨＤＰＥＣＶＤプロセスは、ＳｉＯｘストライプを堆積する。その後、アニール処理することにより、シリコンナノ結晶が、ＳｉＯｘストライプに組み込まれる。つまり、アニールの結果、シリコンナノ結晶サイズが、増加する。
【００６６】
より具体的には、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによるシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの堆積は、以下のステップを含んでいてもよい。
・約２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入するステップ
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入するステップ
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、約１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極（図２参照）に供給するステップ
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、約１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極（図２参照）に供給するステップ。
【００６７】
実施の一形態では、ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、約５００〜１１００℃で、約１０分〜１２０分間のアニール処理を含んでいてもよい。これにより、例えば、アニール処理によって、直径約２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶が形成される。
【００６８】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路の製造方法および実施方法は、上述の通りである。上記導波管の構造の細部、および、製造工程の詳細は、本発明を説明するための例示である。しかし、本発明は、上述の例に何ら限定されるものではない。また、当業者であれば、別の変形例および形態を想起するであろう。
【００６９】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７０】
本発明は、以下のように表現することもできる。
〔１〕シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法であって、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する工程、
上記シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する工程、
２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源により、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程、および、
第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を生成する工程とを含む光増幅方法。
【００７１】
〔２〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、厚さ約４００μｍ〜１０００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７２】
〔３〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成し、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を光源にさらし、光出力信号を生成する工程では、上記ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７３】
〔４〕光出力信号を生成する工程では、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７４】
〔５〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に光入力信号を供給する工程では、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号を供給し、光出力信号を生成する工程では、第１半値全幅未満の第２半値全幅（第２ＦＷＨＭ）を有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７５】
〔６〕光入力信号を供給する工程では、約１００ｎｍの第１ＦＷＨＭを有する光入力信号を供給し、光出力信号を生成する工程では、約２５ｎｍの第２ＦＷＨＭを有する光出力信号を生成する上記〔５〕に記載の光増幅方法。すなわち、上記〔５〕の光増幅方法において、第１ＦＷＨＭが約１００ｎｍであり、第２ＦＷＨＭが約２５ｎｍである。
【００７６】
〔７〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅のある導波路を形成し、第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７７】
〔８〕ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得（lenear power）を有する光出力信号を生成する上記〔７〕に記載の光増幅方法。
【００７８】
〔９〕線形利得（lenear power）を有する光出力信号を生成する工程では、下記（ａ）および（ｂ）からなる群より選択される線形利得を有する光出力信号を生成する上記〔８〕に記載の光増幅方法。
（ａ）約５０μｍのストライプ幅、および、約１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、約１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
（ｂ）約５００μｍのストライプ幅、および、約０〜３０００μｍのストライプ長に対し、約１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【００７９】
〔１０〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、約１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００８０】
〔１１〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積させる上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００８１】
〔１２〕ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ＨＤＰＥＣＶＤ処理後、ＳｉＯｘ堆積，アニール処理，ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶の組込みを含む上記〔１１〕に記載の光増幅方法。
【００８２】
〔１３〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程は、以下の工程を含む上記〔１２〕に記載の光増幅方法。
・約２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入する工程
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入する工程
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、約１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極（図２参照）に供給する工程
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、約１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極（図２参照）に供給する工程。
【００８３】
〔１４〕ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、約５００〜１１００℃で、約１０分〜１２０分間のアニール処理を行う上記〔１３〕に記載の光増幅方法。
【００８４】
〔１５〕ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程では、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用する上記〔１１〕に記載の光増幅方法。
【００８５】
〔１６〕アニール処理に応じた、ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶を組み込む工程では、直径約２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶を形成する上記〔１２〕に記載の光増幅方法。
【００８６】
〔１７〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路であって、光学指数を有する底部基板と、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプとを備え、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、底部基板を覆っており、上部基板および底部基板よりも大きい光学指数を有すると共に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる第２界面、および第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する第３界面を有する導波路。
【００８７】
〔１８〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの厚さは、約４００μｍ〜１０００ｎｍである上記〔１７〕に記載の導波路。
【００８８】
〔１９〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、約１．５８〜１．７５の光学指数を有する上記〔１７〕に記載の導波路。
【００８９】
〔２０〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、約５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅を有する上記〔１７〕に記載の導波路。
【００９０】
〔関連出願〕
本願は、Huang等により発明された米国特許出願第12/197,045（２００８年８月２２日出願）の一部継続出願（ＣＩＰ出願）である。米国特許出願第12/197,045は、Huang等により発明された米国特許出願第12/126,430（２００８年５月２３日出願）の一部継続出願である。米国特許出願第12/126,430は、以下の出願の一部継続出願である。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/418,273（２００６年５月４日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/327,612（２００６年１月６日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/013,605（２００４年１２月１５日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/801,377（２００４年３月１５日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/139,726（２００５年５月２６日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/871,939（２００４年６月１７日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/801,374（２００４年３月１５日出願）。
上述の全ての出願が、本願の参考文献として援用される。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明に係る導波路は、特に高い光ルミネセンス量子効率を有するため、安定性および信頼性に優れている。したがって、発光素子を用いる分野にて利用可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１００ 導波路（シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路）
１０４ ＳｉＯｘストライプ
１０６ 第１界面
１０８ 第２界面
１１０ 第３界面
１１６ ストライプ長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として光学装置（optical device）に関し、より詳細には、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた高量子効率光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ結晶シリコンのユニークな構造特性、電気特性、および光学特性は、光電子デバイスおよび集積記憶装置で用いると利益をもたらす。シリコンは、加工技術が発達しているため、光学装置の製造に選択される材料である。しかし、間接的なバンドギャップは、発光装置にとって、非効率な物質である。何年にもわたる様々な研究開発活動は、シリコンベース発光光電子を実現するために、シリコンの光機能を調整することに照準を合わせられてきた。室温での効率的な発光の実現は、全てのシリコンベースオプトエレクトロニクスの実現に向かう重要なステップである。
【０００３】
安定で信頼性のある光電子デバイスには、高いフォトルミネッセンス（ＰＬ）およびエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）量子効率を有するシリコンナノ結晶が要求される。集積化光電子デバイスを積極的に進めるための１つのアプローチは、シリコンナノ結晶が埋め込まれたシリコン酸化薄膜（ＳｉＯｘ薄膜：ｘ≦２）を製造することである。正孔対の再結合による発光は、ナノ結晶サイズによって大きく異なるシリコンナノ結晶に制限される。ナノ結晶シリコンを含有するＳｉＯｘ薄膜の電気特性および光学特性は、シリコンナノ結晶のサイズ、濃度、および濃度分布によって異なる。容量結合プラズマ源を用いるプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）などの種々の薄膜堆積技術が、安定で信頼性のあるナノ結晶シリコン薄膜の製造のために、研究されている。
【０００４】
しかし、従来のＰＥＣＶＤおよびスパッタリング技術は、低プラズマ密度、プラズマに結合する非効率な電力、低いイオン／中和比（low ion/neutral ratio）、および制御されないバルク、並びに高イオン衝撃エネルギーによる界面損傷などの制約を受ける。従って、プラズマを発生させる従来の容量結合プラズマ（ＣＣＰ）によって形成された酸化膜は、衝突イオン種の高イオン衝撃エネルギーによる信頼性の問題を引き起こす可能性がある。任意のプラズマから生じるバルクまたは界面損傷を制御することまたは最低限に抑えることが重要である。しかし、プラズマを発生させるＣＣＰの高周波を利用して、イオンエネルギーを制御することはできない。適用される電力を増加させることによって反応速度を増加させる試みは、堆積フィルムの衝撃を増加させ、高い欠陥濃度を有する低品質なフィルムを生じさせる結果となる。
【０００５】
堆積処理は、スパッタリング，ＰＥＣＶＤ等の従来のプラズマに基づく方法よりも広範囲の処理および増強されたプラズマ特性を与える。堆積処理には、ＰＬ／ＥＬベースの装置開発のために、粒子の生成および粒子サイズの制御が求められる。プラズマ密度を高め、プラズマ衝撃を最小化し得るプロセスは、プラズマにより生じる微細構造の損傷なしに、高品質フィルムを確実に成長させることができる。また、界面の制御と膜のバルク品質とを独立して与え得る処理は、高性能および高信頼性の電子機器を確実に製造することができる。活性プラズマ種、ラジカル、およびイオンを効率的に発生させることのできるプラズマ処理は、プロセス制御および特性制御によって、高品質薄膜開発を可能とする。
【０００６】
高品質のＳｉＯｘ薄膜を製造するためには、シリコンナノ結晶粒子上に高品質の絶縁層を確保するために、成長中の膜の酸化も極めて重要である。高濃度で活性酸化ラジカルを生成し得る処理は、酸化物マトリクス内のシリコンナノ粒子の効率的な不動態化を確実にすることができる。プラズマによって誘発される損傷を最小限とするプラズマ処理は、高品質な装置の製造に重要な高品質の界面を形成することが可能となる。低熱量での効率的な酸化処理および水素化処理は、高品質な光電子デバイスの処理に非常に重要であり、大きな意義があるものとなる。高温での熱処理は、他の素子層を干渉し得る。また、熱活性種は反応性が低いため、効率および熱量の観点から適切ではない。
【０００７】
さらに、高品質なフィルムの形成／堆積、構造、酸化、水素化、粒子の生成、粒子サイズの制御、プラズマ密度およびイオンエネルギーの独立制御、および、広面積処理の点において、より全面的な解決策および可能性を提供できるプラズマ処理が、高性能な光電子デバイスの開発に求められる。
【０００８】
また、種々のプラズマ条件が、薄膜の特性および目的の用途に応じて要求される薄膜の品質に影響を及ぼすように、プラズマ処理を薄膜フィルムの特性に関連付けることも重要である。目的の用途に応じた重要なプラズマ特性および薄膜特性のいくつかは、堆積比率、基板温度、熱量、密度、微細構造、界面の品質、不純物、プラズマにより生じる損傷、活性種（ラジカル／イオン）を発生させるプラズマ状態、プラズマ電位、処理、システム（系）の規模、電気特性および電気的信頼性である。
【０００９】
また、薄膜の品質を評価するために非常に重要なこれらの特性同士の相関関係は、プロセスマップが目的の用途に応じたフィルムの品質に影響を及ぼす。プロセスマップに応じて別々に関連付けられる、プラズマエネルギー、組成（イオンに対するラジカルの割合）、システム（系）の圧力、プラズマ電位、電子温度、および、温度状態などの低密度プラズマシステム（系）または他の高密度プラズマシステム（系）において、単に処理を拡張発展させるだけでは、薄膜を研究し、または、発展させることはできない。
【００１０】
透明ガラス、石英、プラスチック基板上に形成される大規模デバイスである、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の製造は、一般的に低温処理されることが望ましい。これらの透明基板は、６５０℃を超える温度に晒されると損傷を受ける。このような温度の問題を解決するために、低温でのＳｉの酸化処理が開発されている。低温でのＳｉの酸化処理では、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源などの高密度プラズマ源が用いられ、１２００℃の化学酸化法に匹敵する品質のＳｉ酸化物を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許公報ＵＳ２００６／０２１１２６７号公報（２００６年９月２１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、フォトルミネッセンス（ＰＬ）量子効率（ＱＥ）は、低波長での吸収光子量に対する長波長での放出光子量の割合として定義される。フォトルミネッセンス（ＰＬ）量子効率（ＱＥ）は、膜または装置の光変換効率の単位である。物質による吸収エネルギーは、励起波長の一部であるので、光子エネルギーは、波長に反比例する。ＱＥは、装置効率を特徴付けるために、一連の波長以上になることもある。
【００１３】
従って、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜を用いて高量子効率導波路デバイスを製造することは有用である。
【００１４】
本発明は、その目的は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた導波路および光増幅方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の光増幅方法は、上記の課題を解決するために、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法であって、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する工程、
上記シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する工程、
２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源により、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程、および、
第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を生成する工程とを含むことを特徴としている。
【００１６】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、厚さ４００μｍ〜１０００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成してもよい。
【００１７】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成し、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を光源にさらし、
光出力信号を生成する工程では、上記ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成してもよい。
【００１８】
本発明の光増幅方法では、光出力信号を生成する工程では、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成してもよい。
【００１９】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に光入力信号を供給する工程では、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、第１半値全幅未満の第２半値全幅（第２ＦＷＨＭ）を有する光出力信号を生成してもよい。
【００２０】
本発明の光増幅方法では、光入力信号を供給する工程では、１００ｎｍの第１ＦＷＨＭを有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、２５ｎｍの第２ＦＷＨＭを有する光出力信号を生成してもよい。
【００２１】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅のある導波路を形成し、
第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成してもよい。
【００２２】
本発明の光増幅方法では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得を有する光出力信号を生成してもよい。
【００２３】
本発明の光増幅方法では、線形利得を有する光出力信号を生成する工程では、下記（ａ）および（ｂ）からなる群より選択される線形利得を有する光出力信号を生成してもよい。
（ａ）５０μｍのストライプ幅、および、１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
（ｂ）５００μｍのストライプ幅、および、０〜３０００μｍのストライプ長に対し、１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【００２４】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成してもよい。
【００２５】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積させてもよい。
【００２６】
本発明の光増幅方法では、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ＨＤＰＥＣＶＤ処理後、ＳｉＯｘ堆積，アニール処理，ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶の組込みを含んでもよい。
【００２７】
本発明の光増幅方法では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程は、以下の工程を含んでもよい。
・２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入する工程
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入する工程
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極に供給する工程
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極に供給する工程。
【００２８】
本発明の光増幅方法では、ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、５００〜１１００℃で、１０分〜１２０分間のアニール処理を行ってもよい。
【００２９】
本発明の光増幅方法では、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程では、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用してもよい。
【００３０】
本発明の光増幅方法では、アニール処理に応じた、ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶を組み込む工程では、直径２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶を形成してもよい。
【００３１】
本発明の導波路は、上記の課題を解決するために、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路であって、光学指数を有する底部基板と、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプとを備え、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、底部基板を覆っており、上部基板および底部基板よりも大きい光学指数を有すると共に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる第２界面、および第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する第３界面を有する導波路。
【００３２】
本発明の導波路は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの厚さは、４００μｍ〜１０００ｎｍであってもよい。
【００３３】
本発明の導波路は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路が、１．５８〜１．７５の光学指数を有してもよい。
【００３４】
本発明の導波路は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅を有してもよい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた高量子効率の導波路、および、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜を用いた光増幅方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の部分断面図である。
【図２】誘導結合プラズマ源を用いた高密度プラズマ（ＨＤＰ）システム概略図である。
【図３】シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）導波路および波長（λ）が７２０ｎｍで動作のサポートモードを示す図である。
【図４】ＶＳＬ法（Variable Stripe Length Method）による測定のための実験装置を示す図である。
【図５】図５は、固定のストライプ長（ストライプ長：２０００μｍ）に対し、種々の電力で光励起された導波路の狭発光スペクトルを示すグラフである。
【図６Ａ】固定励起パワーでのストライプ長に対する発光スペクトル強度を示すグラフである。
【図６Ｂ】固定励起パワーでのストライプ長に対する発光スペクトル強度を示すグラフである。
【図６Ｃ】固定励起パワーでのストライプ長に対する発光スペクトル強度を示すグラフである。
【図７】光回路用途に集積された光励起されたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路増幅器を示す図である。
【図８】高ＳＮＲ（シグナルノイズ比）用途のために、光検出器の前に光学的前置増幅器として用いたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を設置して構成した検出モジュールを示す図である。
【図９】シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜マイクロディスク導波路を示す概略図である。
【図１０】高反射隆起エッジミラーを備えたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を示す図である。
【図１１】シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を用いた光増幅方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下では、７５０ｎｍ付近の波長に対する利得材料として、新開発の高量子効率シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜を用いた光導波路増幅器について説明する。吸収および散乱による光信号の強度減少は、システム性能の悪化につながる。本発明の導波路は、長距離光信号伝搬を実現できると共に、光学系設計内の電力量を増加させることができる。本発明の導波路では、導波モードの膜厚が約６００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜が、基板と空気との間に挟持されていてもよい。光導波路理論に基づく計算では、この膜厚では、１つのＴＥモードと１つのＴＭモードとをサポートする。
【００３８】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜は、光励起されると、超高量子効率を示す。新型増幅器の利得は、一般的に容認されたＶＳＬ（variable stripe length）法により測定することができる。この測定時には、導波路の発光スペクトルが明らかに狭くなること観測される。例えば、３９０ｎｍで光励起した場合、バンド幅が３０ｎｍ，７５０ｎｍに中心がある１３０程度の利得が見られる。
【００３９】
このような光励起型導波路増幅器は、集積光回路間の通信に利用することができる。また、この導波路は、検出限界を超えた信号レベルを高めるための増幅器として、光検出器（特に、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）ベース光検出器）の前方に使用し、７５０ｎｍを超える遮断波長以上の検出を高めることもできる。
【００４０】
このように、本発明によれば、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を用いた光導波路を提供することができる。すなわち、本発明の光導波路の製造方法は、１０％以上の量子効率のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）を製造する。ここで、光入力信号は、７００ｎｍ〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有し、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に供給される。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源によって励起される。その結果、第１パワーよりも大きい第３パワーを有する光出力信号が生成する。第３パワーは、上記導波路のストライプ長さに応じて、増加してもよい。
【００４１】
一方、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって形成してもよい。具体的には、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによりＳｉＯｘストライプを堆積した後、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプをアニール処理し、ＳｉＯｘストライプにシリコンナノ結晶を組み込む。これにより、直径約２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶が形成される。ＨＤＰＥＣＶＤプロセスは、例えば、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３のより高いプラズマ密度を使用する。
【００４２】
以下、上記の方法およびシリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物導波路について詳細に説明する。
【００４３】
図１は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）導波路の部分断面図である。導波路１００は、光学指数を有する底部基板１０２を備えている。例えば、底部基板１０２は、二酸化シリコンであってもよい。底部基板１０２上には、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプ１０４が形成されている。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、その下にある底部基板１０２の光学指数よりも、大きな光学指数を有している。さらに、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面１０６を有している。典型的には、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４（導波路１００）は、約１．５８〜１．７５の光学指数を有している。
【００４４】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、第２界面１０８および第３界面を有する。第２界面１０８は、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる。第３界面１１０は、第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４の厚さ１１２は、約４００μｍ〜１０００ｎｍである。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ１０４は、約５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅（図示せず）およびストライプ長１１６を有する。
【００４５】
〔機能の説明〕
上述した高利得導波路増幅器は、７５０ｎｍ近辺の波長で約５０ｎｍの動作幅を有する高量子効率シリコン過剰のシリコン酸化物材料を用いて製造される。ＳｉＯｘ薄膜導波路は、４８％程度の量子効率を有する高品質の薄膜を製造するＨＤＰＣＶＤ（高密度プラズマ化学気相堆積法）プロセスを用いて堆積される。
【００４６】
図２は、誘導結合プラズマ源を用いた高密度プラズマ（ＨＤＰ）システム概略図である。図２のシステムは、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘを堆積するためのＨＤＰＥＣＶＤプロセスを実現するために利用できるシステムの一例である。上部電極１は、高周波（ＲＦ）電源２によって駆動され、下部電極３は、低周波電源４によって駆動される。高周波電力は、高密度誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）源（高周波電源２）から、マッチング回路５および高域フィルタ７を介して、上部電極１に連結されている。低域フィルタ９および整合変成器１１を介する下部電極３に対する電力は、上部電極１とは独立して変えることができる。上部電極１に供給される電力周波数は、ＩＣＰ設計に基づき、約１３．５６ＭＨｚ〜約３００ＭＨｚとすることができる。下部電極３に供給される電力周波数は、イオンエネルギーを制御するために、約５０ＫＨｚ〜約１３．５６ＭＨｚとすることができる。圧力は、５００ｍＴｏｒｒ以下とすることができる。上部電極１に供給される電力は、約１０Ｗ／ｃｍ２とし、下部電極３に電力は、約３Ｗ／ｃｍ２とすることができる。
【００４７】
ＨＤＰシステムの興味深い特徴の１つは、プラズマにさらされた誘導コイルがなく、供給源に生じる不純物を取り除く。また、ＨＤＰシステムでは、上部電極１および下部電極３に対する電力制御を、独立して行うことができる。上部電極１および下部電極３はプラズマにさらされていないので、可変コンデンサを用いてＨＤＰシステム本体の電位を調節する必要はない。つまり、上部電極１および下部電極３間のクロストークは無く、プラズマ電位は低く、通常２０Ｖ未満である。ＨＤＰシステムの電位は、フロートタイプの電位であり、システム設計および電力結合の作用に基づいている。
【００４８】
ＨＤＰシステムにおけるＨＤＰ手段は、１×１０１１ｃｍ−３よりも大きい電子濃度を有し、１０ｅＶ未満の電子温度を有する、真の高密度プラズマプロセスである。しかも、ＨＤＰシステムは、多くの高密度プラズマシステム、および、容量結合形プラズマ手段のような従来の設計のように、上部電極１に接続されたコンデンサとシステム本体と間に、異なるバイアスを維持する必要はない。また、上述のように、上部電極１に高周波（ＲＦ）電力が供給され、下部電極３には低周波（ＬＦ）電力が供給される。
【００４９】
図３は、シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）導波路および波長（λ）が７２０ｎｍで動作のサポートモードを示す図である。このモードは、対応するＴＥ軌跡およびＴＭ軌跡に、軌跡１が交差している。シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜（ｎ１＝１．６４の光学指数を有する）は、上部媒体として、大気（ｎ＝１）と共に石英（ｎ２＝１．４６）上に堆積されている。光導波路理論に基づく計算では、８００ｎｍ付近の波長でサポートされないモード以下に、厚さの限界が存在する。図３のように、厚さ６００ｎｍの導波路には、ある横電波（ＴＥ）モードまたは垂直偏波（ＴＭ）モードが、指数が対照的な導波を得るために支援する。厚さ６００ｎｍの導波路は、高量子効率のために最適化されたプロセスウインドウを用いた上述したＨＤＰＣＶＤプロセスによって製造される。実質的には、厚さのばらつきによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、８００ｎｍ付近の波長で動作する少数のモードをサポートする。
【００５０】
図４は、ＶＳＬ法（Variable Stripe Length Method）の実験装置を示す図である。ストライプは、ビーム拡大平行レンズを経た、円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）によって形成される。ＶＳＬ法の測定は、ポンプ光を取り除くために、長波長帯で行った。図４のように、レーザビーム（３９０ｎｍでチタン：サファイアフェムト秒レーザにおける第２高長波から生成）は、β−ホウ酸バリウム（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶を経た後、通常の円形レンズによって拡大され平行になる。その後、拡大されたビームは、シリンドリカルレンズと一直線となり、測定波長において必要なストライプ長（ｌ）が形成される。理論的には、純利得（ｇｍｏｄ）がある場合、増幅した自然発光の測定強度ＩＡＳＥは、下記の（１）式で示される。
式（１） ＩＡＳＥ＝Ｊｓｐ／ｇｍｏｄ（ｅｘｐ（ｇｍｏｄ×ｌ）−１）。
【００５１】
導波路では、利得（ｇｍｏｄ）は、利得ストライプ長（ｌ）の関数として、測定強度データを当てはめることによって推定できる。
【００５２】
図５は、固定のストライプ長（ストライプ長：２０００μｍ）に対し、種々の電力で光励起された導波路の狭発光スペクトルを示すグラフである。図５には、発光スペクトルが、励起強度の増加につれて狭くなることが明確に示されている。発光スペクトルが狭くなる現象は、試料が自然発光の閾値以上に励起された場合に増幅した自然発光（ＡＳＥ）がもたらした直接の結果である。図５のように、ストライプ長が２０００μｍに固定されたストライプでは、励起強度の増加につれて、より強い発光を示す。同様に、発光スペクトルは、＞１００ｎｍ〜２５ｎｍを変動する半値全幅（ＦＷＨＭ）と共に狭くなる。全集光を用いて利得を測定するよりも、ストライプ長の関数としてスペクトル強度ピークを用いて利得を測定することが重要である。全集光を用いて利得を測定した場合、多くの散光が含まれる。
【００５３】
図６Ａ〜図６Ｃは、固定の励起パワーにおけるストライプに対する、発光スペクトル強度を示すグラフである。図６Ａでは、励起パワーは３００μＷである。図６Ａには、発光スペクトルピークは、ストライプ長に応じて増加することが明確に示されている。発光スペクトルは、増幅した自然発光により、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１００ｎｍから２７ｎｍまで狭くなる。
【００５４】
図６Ｂでは、発光ピーク強度が、ストライプ長の関数として示される。明りょうな閾値の挙動が、励起されたストライプに従って、増幅した自然発光の直接の結果として観察される。破線は、光利得のない場合の閾値の挙動を示している。光利得のない場合の閾値は、ストライプ長と共に直線的に増加すると見込まれる。
【００５５】
図６Ｃは、５００μｍおよび５０μｍの幅で励起したストライプを比較したグラフである。この場合の利得は、ＩＡＳＥとして対応するスペクトルピークを上記（１）式に当てはめることによって推定される。ストライプ幅が５０μｍである場合の利得は、１３５／ｃｍにまで増加し、約３５０μｍ以上のストライプ長で飽和状態となる。この利得は、これまで知られた光利得の中で最も高い。
【００５６】
図７は、光回路用途に集積された光励起されたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路増幅器を示す図である。信号は、検出器に入る前に利得を得るため、信号伝搬が高められる。
【００５７】
図８は、高ＳＮＲ（シグナルノイズ比）用途のために、光検出器（ＰＩＮ光検出器）１０１の前に光学的前置増幅器として用いたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路１００を設置して構成した検出モジュールを示す図である。
【００５８】
図９は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜マイクロディスク導波路を示す概略図である。活性媒体としてシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜を用いたレーザ作用に加えて、例えば、高線質係数のマイクロディスクおよび光子キャビティなどの適当な光キャビティデザインを付加してもよい。図９のように、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜は、マイクロディスク内部に形成される。導波路は、臨界結合付近に達するために、マイクロディスクに非常に近接して配置することができる。結合励起光は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜によって徐々に吸収されるので、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ膜は、上述したように光利得と共に徐々に増幅される。マイクロディスクの線質係数は、利得が損失を十分に越える程度に十分高い場合、レーザ作用を生じる。
【００５９】
図１０は、高反射隆起エッジミラーを備えたシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を示す図である。図１０には、起こり得る２つの励起の仕組みが示されている。一方は、頂部（上面）での励起であり、他方は縁部（端面）での励起である。上記ミラーは、金コーティングまたは他の多層膜からなる誘電体コーティングによって形成することができる。
【００６０】
図１１は、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を用いた光増幅方法を示すフローチャートである。図１１に示す方法は、明確にするため、各工程に通し番号を付しているが、付された番号は工程の順番を示すものではない。つまり、当然のことながら、図中の工程のうち、一部の工程を省略してもよいし、同時に行ってもよいし、正確な順序を維持せずに行ってもよい。図１１の方法は、ステップ１１００（Ｓ１１００）から開始する。
【００６１】
まず、Ｓ１１０２では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２未満）導波路を形成（準備）する。Ｓ１１０４では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘに、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する。Ｓ１１０６では、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘを励起する。Ｓ１１０８では、第１波長で第１パワーより大きい第３パワーを有する光出力信号を生成する。この光出力信号は、１０％を越える量子効率を有する。
【００６２】
実施の一形態では、Ｓ１１０２において、厚さ約４００ｎｍ〜１０００ｎｍ，約１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成してもよい。また、別の形態では、Ｓ１１０２のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路の形成には、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路の形成が含まれるので、Ｓ１１０６では、光源（励起源）に、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路のストライプ長がさらされる。その結果、Ｓ１１０８の光出力信号の生成には、ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加した第３パワーを有する光出力信号の生成が含まれる。同様に、第３パワーは、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて、増加する。
【００６３】
別の形態では、Ｓ１１０４のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘへの光入力信号の供給には、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号の供給が含まれる。その結果、Ｓ１１０８の光出力信号の生成には、第１ＦＷＨＭ未満の第２ＦＷＭＨを有する光出力信号の生成が含まれる。例えば、Ｓ１１０４において約１００ｎｍの第１ＦＷＨＭの光入力信号を供給する場合、Ｓ１１０８では約２５ｎｍの第２ＦＷＨＭの光出力信号を生成する。
【００６４】
同様に、Ｓ１１０２において幅のあるシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘの形成すれば、Ｓ１１０８ではストライプ長およびストライプ幅に応じた光出力信号を生成する。Ｓ１１０８では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得（lenear power）を有する光出力信号を生成する。例えば、Ｓ１１０８では、約５０μｍのストライプ幅、および、約１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、約１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。別の例では、Ｓ１１０８では、約５００μｍのストライプ幅、および、約０〜３０００μｍのストライプ長に対し、約１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【００６５】
別の形態では、Ｓ１１０２のシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘの形成には、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプ堆積させることが含まれる。ＨＤＰＥＣＶＤプロセスは、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用する。ＨＤＰＥＣＶＤプロセスは、ＳｉＯｘストライプを堆積する。その後、アニール処理することにより、シリコンナノ結晶が、ＳｉＯｘストライプに組み込まれる。つまり、アニールの結果、シリコンナノ結晶サイズが、増加する。
【００６６】
より具体的には、ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによるシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの堆積は、以下のステップを含んでいてもよい。
・約２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入するステップ
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入するステップ
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、約１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極（図２参照）に供給するステップ
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、約１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極（図２参照）に供給するステップ。
【００６７】
実施の一形態では、ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、約５００〜１１００℃で、約１０分〜１２０分間のアニール処理を含んでいてもよい。これにより、例えば、アニール処理によって、直径約２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶が形成される。
【００６８】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路の製造方法および実施方法は、上述の通りである。上記導波管の構造の細部、および、製造工程の詳細は、本発明を説明するための例示である。しかし、本発明は、上述の例に何ら限定されるものではない。また、当業者であれば、別の変形例および形態を想起するであろう。
【００６９】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７０】
本発明は、以下のように表現することもできる。
〔１〕シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法であって、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する工程、
上記シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する工程、
２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源により、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程、および、
第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を生成する工程とを含む光増幅方法。
【００７１】
〔２〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、厚さ約４００μｍ〜１０００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７２】
〔３〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成し、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を光源にさらし、光出力信号を生成する工程では、上記ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７３】
〔４〕光出力信号を生成する工程では、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７４】
〔５〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に光入力信号を供給する工程では、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号を供給し、光出力信号を生成する工程では、第１半値全幅未満の第２半値全幅（第２ＦＷＨＭ）を有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７５】
〔６〕光入力信号を供給する工程では、約１００ｎｍの第１ＦＷＨＭを有する光入力信号を供給し、光出力信号を生成する工程では、約２５ｎｍの第２ＦＷＨＭを有する光出力信号を生成する上記〔５〕に記載の光増幅方法。すなわち、上記〔５〕の光増幅方法において、第１ＦＷＨＭが約１００ｎｍであり、第２ＦＷＨＭが約２５ｎｍである。
【００７６】
〔７〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅のある導波路を形成し、第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００７７】
〔８〕ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得（lenear power）を有する光出力信号を生成する上記〔７〕に記載の光増幅方法。
【００７８】
〔９〕線形利得（lenear power）を有する光出力信号を生成する工程では、下記（ａ）および（ｂ）からなる群より選択される線形利得を有する光出力信号を生成する上記〔８〕に記載の光増幅方法。
（ａ）約５０μｍのストライプ幅、および、約１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、約１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
（ｂ）約５００μｍのストライプ幅、および、約０〜３０００μｍのストライプ長に対し、約１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【００７９】
〔１０〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、約１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００８０】
〔１１〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積させる上記〔１〕に記載の光増幅方法。
【００８１】
〔１２〕ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ＨＤＰＥＣＶＤ処理後、ＳｉＯｘ堆積，アニール処理，ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶の組込みを含む上記〔１１〕に記載の光増幅方法。
【００８２】
〔１３〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程は、以下の工程を含む上記〔１２〕に記載の光増幅方法。
・約２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入する工程
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入する工程
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、約１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極（図２参照）に供給する工程
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、約１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極（図２参照）に供給する工程。
【００８３】
〔１４〕ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、約５００〜１１００℃で、約１０分〜１２０分間のアニール処理を行う上記〔１３〕に記載の光増幅方法。
【００８４】
〔１５〕ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程では、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用する上記〔１１〕に記載の光増幅方法。
【００８５】
〔１６〕アニール処理に応じた、ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶を組み込む工程では、直径約２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶を形成する上記〔１２〕に記載の光増幅方法。
【００８６】
〔１７〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路であって、光学指数を有する底部基板と、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプとを備え、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、底部基板を覆っており、上部基板および底部基板よりも大きい光学指数を有すると共に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる第２界面、および第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する第３界面を有する導波路。
【００８７】
〔１８〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの厚さは、約４００μｍ〜１０００ｎｍである上記〔１７〕に記載の導波路。
【００８８】
〔１９〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、約１．５８〜１．７５の光学指数を有する上記〔１７〕に記載の導波路。
【００８９】
〔２０〕シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、約５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅を有する上記〔１７〕に記載の導波路。
【００９０】
〔関連出願〕
本願は、Huang等により発明された米国特許出願第12/197,045（２００８年８月２２日出願）の一部継続出願（ＣＩＰ出願）である。米国特許出願第12/197,045は、Huang等により発明された米国特許出願第12/126,430（２００８年５月２３日出願）の一部継続出願である。米国特許出願第12/126,430は、以下の出願の一部継続出願である。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/418,273（２００６年５月４日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/327,612（２００６年１月６日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/013,605（２００４年１２月１５日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/801,377（２００４年３月１５日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第11/139,726（２００５年５月２６日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/871,939（２００４年６月１７日出願）。
・Pooran Joshi等により発明された米国特許出願第10/801,374（２００４年３月１５日出願）。
上述の全ての出願が、本願の参考文献として援用される。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明に係る導波路は、特に高い光ルミネセンス量子効率を有するため、安定性および信頼性に優れている。したがって、発光素子を用いる分野にて利用可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１００ 導波路（シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路）
１０４ ＳｉＯｘストライプ
１０６ 第１界面
１０８ 第２界面
１１０ 第３界面
１１６ ストライプ長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法であって、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する工程、
上記シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する工程、
２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源により、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程、および、
第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を生成する工程とを含むことを特徴とする光増幅方法。
【請求項２】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、厚さ４００μｍ〜１０００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項３】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成し、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を光源にさらし、
光出力信号を生成する工程では、上記ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項４】
光出力信号を生成する工程では、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項５】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に光入力信号を供給する工程では、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、第１半値全幅未満の第２半値全幅（第２ＦＷＨＭ）を有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項６】
光入力信号を供給する工程では、１００ｎｍの第１ＦＷＨＭを有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、２５ｎｍの第２ＦＷＨＭを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の光増幅方法。
【請求項７】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅のある導波路を形成し、
第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項８】
ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得を有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項７に記載の光増幅方法。
【請求項９】
線形利得を有する光出力信号を生成する工程では、下記（ａ）および（ｂ）からなる群より選択される線形利得を有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項８に記載の光増幅方法。
（ａ）５０μｍのストライプ幅、および、１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
（ｂ）５００μｍのストライプ幅、および、０〜３０００μｍのストライプ長に対し、１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【請求項１０】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項１１】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積させることを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項１２】
ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ＨＤＰＥＣＶＤ処理後、ＳｉＯｘ堆積，アニール処理，ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶の組込みを含むことを特徴とする請求項１１に記載の光増幅方法。
【請求項１３】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程は、以下の工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の光増幅方法。
・２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入する工程
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入する工程
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極に供給する工程
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極に供給する工程。
【請求項１４】
ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、５００〜１１００℃で、１０分〜１２０分間のアニール処理を行うことを特徴とする請求項１３に記載の光増幅方法。
【請求項１５】
ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程では、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用することを特徴とする請求項１１に記載の光増幅方法。
【請求項１６】
アニール処理に応じた、ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶を組み込む工程では、直径２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶を形成することを特徴とする請求項１２に記載の光増幅方法。
【請求項１７】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路であって、光学指数を有する底部基板と、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプとを備え、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、底部基板を覆っており、上部基板および底部基板よりも大きい光学指数を有すると共に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる第２界面、および第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する第３界面を有することを特徴とする導波路。
【請求項１８】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの厚さは、４００μｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項１９】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、１．５８〜１．７５の光学指数を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項２０】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項１】
シリコンナノ結晶を含むシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）を用いた光増幅方法であって、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）導波路を形成する工程、
上記シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を供給する工程、
２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源により、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程、および、
第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を生成する工程とを含むことを特徴とする光増幅方法。
【請求項２】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、厚さ４００μｍ〜１０００ｎｍのシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項３】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成し、
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を励起する工程では、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を光源にさらし、
光出力信号を生成する工程では、上記ＳｉＯｘストライプ長の増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項４】
光出力信号を生成する工程では、第２波長での光源の第２パワーの増加に応じて増加する第３パワーを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項５】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路に光入力信号を供給する工程では、第１半値全幅（第１ＦＷＨＭ）を有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、第１半値全幅未満の第２半値全幅（第２ＦＷＨＭ）を有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項６】
光入力信号を供給する工程では、１００ｎｍの第１ＦＷＨＭを有する光入力信号を供給し、
光出力信号を生成する工程では、２５ｎｍの第２ＦＷＨＭを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の光増幅方法。
【請求項７】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅のある導波路を形成し、
第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項８】
ストライプ長およびストライプ幅に応じた第３パワーを有する光出力信号を生成する工程では、一定のストライプ幅でのストライプ長の変化に応じて、線形利得を有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項７に記載の光増幅方法。
【請求項９】
線形利得を有する光出力信号を生成する工程では、下記（ａ）および（ｂ）からなる群より選択される線形利得を有する光出力信号を生成することを特徴とする請求項８に記載の光増幅方法。
（ａ）５０μｍのストライプ幅、および、１μｍ〜４００μｍのストライプ長に対し、１３７／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
（ｂ）５００μｍのストライプ幅、および、０〜３０００μｍのストライプ長に対し、１３．５／ｃｍの線形利得を有する光出力信号を生成する。
【請求項１０】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、１．５８〜１．７５の光学指数を有するシリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項１１】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、高密度プラズマ強化化学気相成長プロセス（ＨＤＰＥＣＶＤプロセス）によって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積させることを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
【請求項１２】
ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路を形成する工程では、ＨＤＰＥＣＶＤ処理後、ＳｉＯｘ堆積，アニール処理，ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶の組込みを含むことを特徴とする請求項１１に記載の光増幅方法。
【請求項１３】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程は、以下の工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の光増幅方法。
・２０〜４０ｃｍ３（ＳＣＣＭ）のシラン（ＳｉＨ４）を導入する工程
・１５〜３５ｃｍ３（ＳＣＣＭ）の亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を導入する工程
・１３．５６ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数、および、１〜２０Ｗ／ｃｍ２の電力密度の電力を、上部電極に供給する工程
・５０ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、および、１〜５Ｗ／ｃｍ２以下の電力密度の電力を、下部電極に供給する工程。
【請求項１４】
ＳｉＯｘストライプのアニール処理は、５００〜１１００℃で、１０分〜１２０分間のアニール処理を行うことを特徴とする請求項１３に記載の光増幅方法。
【請求項１５】
ＨＤＰＥＣＶＤプロセスによって、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプを堆積する工程では、１０ｅＶ未満の電子温度で、１×１０１１ｃｍ−３より高いプラズマ密度を使用することを特徴とする請求項１１に記載の光増幅方法。
【請求項１６】
アニール処理に応じた、ＳｉＯｘストライプ内へのシリコンナノ結晶を組み込む工程では、直径２ｎｍ〜１０ｎｍのシリコンナノ結晶を形成することを特徴とする請求項１２に記載の光増幅方法。
【請求項１７】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路であって、光学指数を有する底部基板と、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ（ｘは２以下）ストライプとを備え、シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、底部基板を覆っており、上部基板および底部基板よりも大きい光学指数を有すると共に、７００〜９５０ｎｍの第１波長で第１パワーを有する光入力信号を受入れる第１界面、２５０〜５５０ｎｍの第２波長で第２パワーを有する光源励起信号を受入れる第２界面、および第１波長で、第１パワーよりも大きい第３パワーを有し、１０％を越える量子効率を有する光出力信号を供給する第３界面を有することを特徴とする導波路。
【請求項１８】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプの厚さは、４００μｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項１９】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘ導波路は、１．５８〜１．７５の光学指数を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【請求項２０】
シリコンナノ結晶を含むＳｉＯｘストライプは、５０μｍ〜５００μｍのストライプ幅を有することを特徴とする請求項１７に記載の導波路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１０９３６６（Ｐ２０１０−１０９３６６Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４２４７１（Ｐ２００９−２４２４７１）
【出願日】平成２１年１０月２１日（２００９．１０．２１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２１日（２００９．１０．２１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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