通信波長帯光学利得材料の開発：Er-Scシリケイト

Adel Najar¹　尾身博雄^1,3　俵毅彦^2,3
1機能物質科学研究部　²量子光物性研究部　³NTTナノフォトニクスセンタ

　光インターコネクションの実現には高効率で信頼性の高いデバイス、たとえば光源、変調器、増幅器、スイッチ、検出器などが必要となる。特に、Si基板上でオンチップ光源を実現するためにはSi系の光学利得結晶材料の開発が不可欠である。
　私たちは、通信波長帯の波長1.5 µmで発光するEr³⁺イオンを添加させる母結晶として一般によく知られている従来型のYシリケイト結晶に替えて、Er³⁺イオンからの特異な光学特性が期待できる新しい母結晶としてScシリケイト結晶に注目し、ナノスケールの積層成長技術と高温熱処理を組み合わせることにより、SiO₂/Si基板上にEr-Scシリケイト膜を形成することに挑戦した（図1左）。
　成長したEr-Scシリケイト膜のフォトルミネッセンス(PL)測定から、①900から1100^oCの熱処理で発光波長が1528 nmのEr_xSc_2-xSiO₅膜が形成されること、②それ以上の熱処理温度で発光波長が 1537 nmのEr_xSc_2-xSi₂O₇膜が形成されること、③Er_xSc_2-xSi₂O₇膜のPL強度はEr_xSc_2-xSiO₅膜のものよりも約5倍強いこと、④PL励起(PLE)とPL測定（図1中と右）からEr_xSc_2-xSi₂O₇膜でのEr³⁺イオンのエネルギーレベルが決定できること、⑤Er_xSc_2-xSi₂O₇膜からのPLスペクトルピークの半値幅は温度の上昇に伴い1.1から2.3 nmへ変化することがわかった。
　なお、このEr³⁺イオンのPLピークの狭線幅の起因は、Scシリケイト結晶のSc³⁺イオンは小さなイオン半径(0.745 Å)をもつため、そのSc格子サイトをEr³⁺イオンが置換した場合にはEr³⁺イオンはその周りにあるSc³⁺イオンからの強い結晶場の影響を受け、Er³⁺イオンのエネルギーレベルが明瞭に分裂したためと考えることができる。今後は、Er_xSc_2-xSi₂O₇膜の導波路型光増幅器構造を作製し、高効率な光学利得結晶としての可能性を探索していく予定である。


図1　（左）作製した試料の膜構造。（中）1250℃の熱処理で作製した試料からのPL励起のカラーマップ。（右）4Kで測定したPL励起とPLスペクトル。