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ビーム出射方向制御可能なフォトニック結晶レーザの研究

Research Project

Project/Area Number 11J06022
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Electronic materials/Electric materials
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

梁 永  京都大学, 工学研究科, 特別研究員DC1

Project Period (FY) 2011 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywordsフォトニック結晶 / レーザ / 3次元結合波理論 / ビーム出射方向 / 面発光 / 2次元結合波理論
Research Abstract

本年度は、ビーム出射方向制御可能なフォトニック結晶レーザの高性能化に向けて、昨年度までに構築してきた3次元結合波理論の高度化を図り、様々なフォトニック結晶構造に対する体系的な解析を行った。フォトニック結晶レーザは2次元周期構造であるフォトニック結晶を共振器として利用している。そのため、フォトニック結晶の格子配列、孔形状や組み合わせた格子の相対的位置などのパラメータが、出射ビームの方向や出力を決定する。また、レーザの発振モードは、面積の増大や、発振閾値以上での動作において、電流注入や誘導放出による不均一なキャリア分布による影響を受ける。そのため、モード間利得差の低下によって多モード化し、意図しない方向へのビーム出射や出力の飽和などをもたらす。そこで、昨年度までに、構築してきた、任意な格子配列と孔形状に対してその動作特性を高速かっ高精度に解析可能な3次元結合波理論に対して、今年度は、大面積動作時や、閾値以上でのモードの安定性や競合などを議論できるように、空間ホールバーニングの影響を取りこむよう理論を拡張した。また、この理論によって得られる解析結果と実験とを比較評価し、拡張した理論は実験をよく説明できていることを確認した。これらの成果は、科学雑誌Apptied Physics Letters, Nature Photonicsなどにおいて発表した。今後、この理論を用いることで、ビーム出射方向を安定かつ自在に制御可能なフォトニック結晶の設計指針が得ることができ、高出力化動作も含めた、体系的な設計が可能になると期待できる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画どおり、フォトニック結晶レーザを設計するための3次元結合波理論をさらに大幅に拡張し、自在なビーム出射方向制御に不可欠な単一モード安定性だけでなく、閾値以上でのレーザ発振特性の動的変化の定量的解析をも可能とする理論へと発展させた。さらに、理論と実験双方の検討により、単一モードで安定に動作する高性能高出力デバイスの設計指針を明快に示した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、上記で確立した閾値以上のレーザ理論をさらに発展させ、熱分布の影響を包含したモデルの構築を目指す。さらに、キャリアや熱の不均一な分布による影響を考慮し、様々な格子構造を組み合わせた構造に対する系統的な解析と設計を行い、高出力化や、ビーム出射方向制御の領域を拡げるなど、高性能化を実現していく。これにより、フォトニック結晶レーザ全体としての物理の体系化を行う。

Report

(3 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (22 results)

All 2014 2013 2012 2011

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (13 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Mode stability in photonic-crystal surface-emitting lasers with large κ_<ID>L2014

    • Author(s)
      Y. Liang, T. Okino, K. Kitamura, C. Peng, K. Ishizkai, and S. Noda
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: VOL.104 Issue: 2 Pages: 21102-21102

    • DOI

      10.1063/1.4861708

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers2014

    • Author(s)
      K. Hirose^*. Y. Liang^*, Y. Kurosaka, A. Watanabe, T. Sugiyama, and S. Noda (^*equal contribution)
    • Journal Title

      Nature Photonics

      Volume: (印刷中) Issue: 5 Pages: 406-411

    • DOI

      10.1038/nphoton.2014.75

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Three-dimensional coupled-wave theory analysis for triangular-lattice photonic-crystal surface-emitting lasers with transverse-electric polarization2013

    • Author(s)
      Y. Liang, C. Peng, K. Ishizaki, S. Iwahashi, K. Sakai, Y. Tanaka, K. Kitamura, S. Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: VOL. 21 Pages: 565-580

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Three-dimensional coupled-wave analysis for square-lattice photonic-crystal lasers with transverse electric polarization : finite-size effects2012

    • Author(s)
      Y. Liang, C. Peng, K. Sakai, S. Iwahashi, S. Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: VOL. 20 Issue: 14 Pages: 15945-15961

    • DOI

      10.1364/oe.20.015945

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  • [Journal Article] Three-dimensional coupled-wave theory analysis of a centered-rectangular lattice photonic crystal laser with a transverse-electric-like mode2012

    • Author(s)
      C. Peng, Y. Liang, K. Sakai, S. Iwahashi, S. Noda
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: VOL. 86 Issue: 3

    • DOI

      10.1103/physrevb.86.035108

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  • [Journal Article] Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure2012

    • Author(s)
      Y. Kurosaka, K. Hirose, A. Watanabe, T. Sugiyama, Y. Liang, and S. Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: VOL. 20 Issue: 19 Pages: 21773-21783

    • DOI

      10.1364/oe.20.021773

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  • [Journal Article] Three-dimensional coupled-wave model for square-lattice photonic crystal lasers with transverse electric polarization : A general approach2011

    • Author(s)
      Y.Liang, C.Peng, K.Sakai, S.Iwahashi, S.Noda
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 84 Issue: 19 Pages: 195119-195119

    • DOI

      10.1103/physrevb.84.195119

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  • [Journal Article] Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers on air holes with arbitrary sidewalls2011

    • Author(s)
      C.Peng, Y.Liang, K.Sakai, S.Iwahashi, S.Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 19 Issue: 24 Pages: 24672-24686

    • DOI

      10.1364/oe.19.024672

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    • Author(s)
      梁永, 沖野剛士, 北村恭子, 石崎賢司, 野田 進
    • Organizer
      応用物理学会第61回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      青山学院大学 (神奈川県)
    • Year and Date
      2014-03-17
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  • [Presentation] Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers (XI) -Nonuniformity of gain profile-2013

    • Author(s)
      梁永, 沖野剛士, 北村恭子, 石崎賢司, 野田 進
    • Organizer
      応用物理学会第74回応用物理学学術講演会
    • Place of Presentation
      同志社大学(京都府)
    • Year and Date
      2013-09-18
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  • [Presentation] Three-dimensional coupled-wave theory for triangular-lattice photonic-cryst al lasers2013

    • Author(s)
      Y. Liang, C. Peng, K. Ishizaki, S. Iwahashi, K. Sakai, Y. Tanaka, K. Kitamura, and S. Noda
    • Organizer
      The 10th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim and the 18th OptoElectronics and Communicatio ns Conference/Photonics in Switching 2013 (CLEO-PR& OECC/PS 2013)
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館 (京都府)
    • Year and Date
      2013-07-04
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Two-dimensional beam-steering achieved using photonic-crystal lasers2013

    • Author(s)
      T. Nobuoka, K. Kitamura, S. Iwahashi, T. Okino, Y. Liang, and S. Noda
    • Organizer
      The Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference (CLEO -2013)
    • Place of Presentation
      San Jose, California, USA
    • Year and Date
      2013-06-13
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Three-dimensional coupled-wave theory for centered-rectangular lattice photonic crystal lasers2013

    • Author(s)
      Y. Liang, C. Peng, S. Iwahashi, Y. Tanaka, K. Ishizaki, and S. Noda
    • Organizer
      The 7th International Conference on Nanophotonics (ICNP) and the 3rd Conference on Advances in Optoelectr onics and Micro/Nano Optics (ICNP/AOM 2013)
    • Place of Presentation
      Hong Kong, China
    • Year and Date
      2013-05-22
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Coupled-wave analysis for photonic-crystal surface-emitting lasers (X)-Above-threshold analysis-2013

    • Author(s)
      梁永, 石崎賢司, 沖野剛士, 北村恭子, 田中良典, 西本昌哉, 野田進
    • Organizer
      応用物理学会第60回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2013-03-29
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  • [Presentation] Modeling triangular-lattice photonic-crystal surface-emitting lasers with a three-dimensional coupled-wave theory2013

    • Author(s)
      Y. Liang. C. Peng, K. Ishizaki, S. Iwahashi, K. Sakai, Y. Tanaka, K. Kitamura, and S. Noda
    • Organizer
      6th GCOE International Symposium on Photonics and Electronics Science and Engineering
    • Place of Presentation
      Kyoto University, Japan
    • Year and Date
      2013-03-11
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Modeling photonic crystal surface emitting lasers with a coupled-wave approach2013

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      Y. Liang, C. Peng, K. Ishizaki, S. Iwahashi, K. Sakai, Y. Tanaka, K. Kitamura, and S. Noda
    • Organizer
      The 13th International OSA Network of Students Conference
    • Place of Presentation
      EPFL Lausanne, Switzerland
    • Year and Date
      2013-01-11
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  • [Presentation] 2次元フォトニック結晶レーザの結合波理論による解析(IX)-有限周期構造の影響-2012

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      梁永, 石崎賢司, Chao Peng, 北村恭子, 田中良典, 沖野剛士, 西本昌哉, 野田進
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      応用物理学会第73回応用物理学学術講演会
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      愛媛大学・松山大学(愛媛県)
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      2012-09-13
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  • [Presentation] Three-dimensional coupled-wave model for photonic-crystal surface-em itting lasers2012

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      Y. Liang, C. Peng, K. Sakai, S. Iwahashi, S. Noda
    • Organizer
      The Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference
    • Place of Presentation
      San Jose, California, USA
    • Year and Date
      2012-05-08
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  • [Presentation] Coupled-wave analysis for two-dimensional photonic-crystal lasers-Analysis of triangular lattice-2012

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      梁永
    • Organizer
      応用物理学会第59回応用物理学関係連合講演会
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      早稲田大学(東京都)
    • Year and Date
      2012-03-16
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  • [Presentation] Three-dimensional coupled-wave model for photonic-crystal surface-emitting lasers2012

    • Author(s)
      Y.Liang
    • Organizer
      5th International Symposium on Photonics and Electronics Science and Engineering
    • Place of Presentation
      京都大学桂キャンパス(京都府)
    • Year and Date
      2012-03-09
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  • [Presentation] 2次元フォトニック結晶レーザの結合波理論による解析-非Γ点モードの解析-2011

    • Author(s)
      梁永
    • Organizer
      応用物理学会第72回応用物理学学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学小白川キャンパス(山形県)
    • Year and Date
      2011-09-01
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      2011 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] フォトニック結晶レーザ2013

    • Inventor(s)
      野田進, 沖野剛士, 北村恭子, 田中良典, 梁永
    • Industrial Property Rights Holder
      野田進, 沖野剛士, 北村恭子, 田中良典, 梁永
    • Industrial Property Number
      2013-046564
    • Filing Date
      2013-03-08
    • Related Report
      2012 Annual Research Report

URL: 

Published: 2011-12-12   Modified: 2024-03-26  

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