Fundamental studies on semiconductor coupled multilayer cavity for novel planar-type terahertz emission devices

• Project/Area Number: 22360030
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Applied optics/Quantum optical engineering
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: KITADA Takahiro 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 特任准教授 (90283738)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): ISU Toshiro 徳島大学, 大学院・ソシオテクノサイエンス研究部, 特任教授 (00379546) ; MORITA Ken 千葉大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (30448344)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): MIZOGUCHI Koji 大阪府立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (10202342)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000); Fiscal Year 2013: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2012: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2011: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2010: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: テラヘルツ/赤外材料・素子 / 微小共振器 / 非線形光学応答 / MBE，エピタキシャル / 半導体ナノ構造 / MBE、エピタキシャル / テラヘルツ/赤外料・素子 / 差小共振器 / MBE,エピタキシャル

Research Abstract

Difference-frequency generation (DFG) of two cavity modes in a semiconductor coupled multilayer cavity is a new concept for compact and useful planar-type terahertz emission devices. In this study, we developed fundamental technologies for design and fabrication of the coupled multilayer cavity based on GaAs/AlAs multilayer structures and demonstrated its usefulness as a terahertz light source by measuring various types of frequency-mixing signals using femtosecond laser pulses. We found that the nonlinear susceptibility inversion inside the coupled cavity structure is one of the most important technologies for strong DFG in the terahertz region. The susceptibility inversion was successfully introduced by direct wafer-bonding of two epitaxial films grown on high-index substrates. Signal enhancement due to the inversion was clearly observed in both simulated and experimentally measured terahertz waveforms using femtosecond laser pulses.

Research Products

• [Journal Article] Terahertz emission from a GaAs/AlAs coupled multilayer cavity with nonlinear optical susceptibility inversion (2013)
  • Author(s): T. Kitada, S. Katoh, T. Takimoto, Y. Nakagawa, K. Morita, and T. Isu
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: Vol.102, No.25 Issue: 25
  • DOI: 10.1063/1.4813012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Terahertz Waveforms Generated by Second-Order Nonlinear Polarization in GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavities Using Ultrashort Laser Pulses (2013)
  • Author(s): T. Kitada, S. Katoh, T. Takimoto, Y. Nakagawa, K. Morita, and T. Isu
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: Vol.5, No.3 Issue: 3 Pages: 6500308-6500308
  • DOI: 10.1109/jphot.2013.2267536
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Terahertz Radiation from a (113)B GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity by Ultrashort Laser Pulse Excitation (2012)
  • Author(s): S. Katoh, T. Takimoto, Y. Nakagawa, K. Morita, T. Kitada, and T. Isu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: Vol.51, No.4 Issue: 4S Pages: 04DG05-04DG05
  • DOI: 10.1143/jjap.51.04dg05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation of Terahertz Radiation from Two Cavity Modes of a GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2011)
  • Author(s): K. Morita, S. Katoh, T. Takimoto, F. Tanaka, Y. Nakagawa, S. Saito, T. Kitada, and T. Isu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.4, No.10 Issue: 10 Pages: 102102-102102
  • DOI: 10.1143/apex.4.102102
  • NAID: 10029790517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-Resolved Measurements on Sum-Frequency Generation Strongly Enhanced in (113)B GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2011)
  • Author(s): F. Tanaka, T. Takimoto, K. Morita, T. Kitada, and T. Isu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: Vol.50, No.4 Issue: 4S Pages: 04DG03-04DG03
  • DOI: 10.1143/jjap.50.04dg03
  • NAID: 210000070320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel terahertz emission devices based on efficient optical frequency conversion in GaAs/AlAs coupled multilayer cavity structures on high-index substrates (2011)
  • Author(s): T. Kitada, F. Tanaka, T. Takahashi, K. Morita, and T. Isu
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: Vol.7937 Pages: 79371H-79371H
  • DOI: 10.1117/12.872103
• [Journal Article] Optical Anisotropy of Strongly Enhanced Sum Frequency Generation in (113)B GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2010)
  • Author(s): K. Morita, F. Tanaka, T. Takahashi, T. Kitada, and T. Isu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.3, No.7 Issue: 7 Pages: 072801-072801
  • DOI: 10.1143/apex.3.072801
  • NAID: 10026495327
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong Sum Frequency Generation in a GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity Grown on a (113)B-Oriented GaAs Substrate (2010)
  • Author(s): F. Tanaka, T. Takahashi, K. Morita, T. Kitada, and T Isu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: Vol.49, No.4 Issue: 4S Pages: 04DG01-04DG01
  • DOI: 10.1143/jjap.49.04dg01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong Sum Frequency Generation in a GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity Grown on a (113)B-Oriented GaAs Substrate (2010)
  • Author(s): F.Tanaka, et al.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: Vol.49
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical Anisotropy of Strongly Enhanced Sum Frequency Generation in (113)B GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2010)
  • Author(s): K.Morita, et al.
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.3 Pages: 72801-72801
  • NAID: 10026495327
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GaAs/AlAs結合共振器によるテラヘルツ波発生への膜厚不均一の影響 (2014)
  • Author(s): 北田 貴弘, 加藤 翔, 原山 千穂, 大柄根斉宣, 井須 俊郎
  • Organizer: 2014年第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原キャンパス(神奈川県相模原市)
  • Year and Date: 2014-03-17
• [Presentation] GaAs/AlAs 結合共振器によるテラヘルツ波発生への膜厚不均一の影響 (2014)
  • Author(s): 北田 貴弘, 加藤 翔, 原山 千穂, 大柄根 斉宣, 井須 俊郎
  • Organizer: 2014年 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学相模原ｷｬﾝﾊﾟｽ（神奈川県）
• [Presentation] (113)B基板上のInAs量子ドットを有するGaAs/AlAs 結合共振器へのフェムト秒パルス照射によるテラヘルツ帯差周波発生 (2013)
  • Author(s): 大柄根 斉宣, 加藤 翔, 中河 義典, 森田 健, 北田 貴弘, 井須 俊郎
  • Organizer: 2013年第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス(京都府京田辺市)
• [Presentation] Optical properties of InAs QDs embedded in strain-relaxed InGaAs barriers on (113)B GaAs substrate (2013)
  • Author(s): S. Katoh, Y. Yasunaga, Y. Nakagawa, K. Morita, T. Kitada and T. Isu
  • Organizer: 第32回電子材料シンポジウム(EMS-32)
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県）
• [Presentation] Terahertz emission from a (113)B GaAs/AlAs coupled multilayer cavity with self-assembled InAs quantum dots (2013)
  • Author(s): M. Ogarane, S. Katoh, Y. Nakagawa, K. Morita, T. Kitada and T. Isu
  • Organizer: 第32回電子材料シンポジウム(EMS-32)
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県）
• [Presentation] 量子ドット結合共振器による二波長レーザ∼新しいテラヘルツ光源を目指して (2013)
  • Author(s): 北田 貴弘, 盧 翔孟, 井須 俊郎
  • Organizer: 第2回 和歌山大・徳島大合同光・ナノテクノロジー研究会
  • Place of Presentation: 徳島大学（徳島県）
• [Presentation] (113)B基板上のInAs量子ドットを有するGaAs/AlAs結合共振器へのフェムト秒パルス照射によるテラヘルツ帯差周波発生 (2013)
  • Author(s): 大柄根 斉宣, 加藤 翔, 中河 義典, 森田 健, 北田 貴弘, 井須 俊郎
  • Organizer: 2013年第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府）
• [Presentation] 分極反転したGaAs/AlAs結合共振器によるテラヘルツ帯差周波発生 (2012)
  • Author(s): 森田健, 他
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2012-03-18
• [Presentation] 超短パルス光照射によるGaAs/AlAs結合共振器からのテラヘル帯差周波発生とそのシミュレーション (2012)
  • Author(s): 北田 貴弘, 滝本 隼主, 加藤 翔, 森田 健, 井須 俊郎
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 超短パルス光照射によるGaAs/AlAs結合共振器かりのアフヘル帯差周波発生とそのシミュレーション (2012)
  • Author(s): 北田貴弘, 他
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] GaAs/AlAs多層膜結合共振器構造によるテラヘルツ発光素子 (2012)
  • Author(s): 井須 俊郎, 北田 貴弘, 森田 健, 中河義典
  • Organizer: (社)レーザー学会学術講演会第32回年次大会
  • Place of Presentation: TKP 仙台カンファレンスセンター(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2012-01-31
  • Invited
• [Presentation] GaAs/AlAs多層膜結合共振器構造によるテラヘルツ発光素子 (2012)
  • Author(s): 井須俊郎, 他
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第32回年次大会
  • Place of Presentation: TKP仙台カンファレンスセンター(宮城県仙台市)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-31
• [Presentation] 半導体多層膜結合共振器によるテラヘルツ光発生 (2012)
  • Author(s): 森田 健, 北田 貴弘, 井須 俊郎
  • Organizer: 電子情報通信学会電子デバイス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学(宮城県仙台市)
  • Invited
• [Presentation] (113)BGaAs基板上に作製した歪緩和In_<0.45> Ga_<0.55>Asバリア層に埋め込んだ InAs量子ドット (2012)
  • Author(s): 加藤 翔, 安長 千徳, 中河 義典, 森田 健, 北田 貴弘, 井須 俊郎
  • Organizer: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学・松山大学(愛媛県松山市)
• [Presentation] InAs QDs embedded in strain-relaxed InGaAs barriers on (113)B GaAs substrates (2012)
  • Author(s): S. Katoh, et al.
  • Organizer: International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN2012)
  • Place of Presentation: Mercure Hotel （ブリスベン、オーストラリア）
• [Presentation] Terahertz radiation using a GaAs/AlAs coupled multilayer cavity (2012)
  • Author(s): K. Morita, et al.
  • Organizer: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON2012)
  • Place of Presentation: De Oosterpoort （フローニンゲン、オランダ）
• [Presentation] 半導体多層膜結合共振器によるテラヘルツ光発生 (2012)
  • Author(s): 森田 健、他
  • Organizer: 電子情報通信学会電子デバイス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学 （宮城県仙台市）
  • Invited
• [Presentation] (113)B GaAs基板上に作製した歪緩和In0.45Ga0.55Asバリア層に埋め込んだInAs量子ドット (2012)
  • Author(s): 加藤 翔、他
  • Organizer: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学・松山大学（愛媛県松山市）
• [Presentation] Terahertz radiation from a (113)B GaAs/AlAs coupled multilayer cavity by ultrashort laser pulse excitation (2011)
  • Author(s): S.Katoh, et al
  • Organizer: 2011 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2011)
  • Place of Presentation: 愛知県産業労働センター(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2011-09-29
• [Presentation] (113)B GaAs/AlAs多層膜結合共振器構造におけるテラヘルツ帯差周波信号の励起偏光方向依存性 (2011)
  • Author(s): 加藤翔, 他
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県山形市)
  • Year and Date: 2011-09-01
• [Presentation] GaAs/AlAs結合共振器に生じる非線形分極とテラヘルツ帯差周波発生 (2011)
  • Author(s): 北田貴弘, 他
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県山形市)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] GaAs/AlAs結合共振器における二つの共振器モードを利用したテラヘルツ帯差周波発生 (2011)
  • Author(s): 森田健, 他
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県山形市)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] GaAs/AlAs多層膜結合共振器のテラヘルツ帯差周波発生の分極反転効果 (2011)
  • Author(s): 滝本隼主, 他
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県山形市)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] Terahertz Difference-frequency Generation of two cavity modes in a (113)B GaAs/AlAs coupled multilayer cavity (2011)
  • Author(s): S.Katoh, et al
  • Organizer: 第30回電子材料シンポジウム(EMS-30)
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
  • Year and Date: 2011-06-30
• [Presentation] GaAs/AlAs coupled multilayer cavity with polarization inverted structure fabricated by wafer-bonding method (2011)
  • Author(s): K. Morita, T. Takimoto, S. Katoh, F. Tanaka, Y. Nakagawa, T. Kitada, and T. Isu
  • Organizer: The 38th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2011)
  • Place of Presentation: Maritim proArte Hotel(ベルリン,ドイツ)
  • Year and Date: 2011-05-24
• [Presentation] GaAs/AlAs coupled multilayer cavity with polarization inverted structure fabricated by wafer-bonding method (2011)
  • Author(s): K.Morita, et al
  • Organizer: The 38th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2011)
  • Place of Presentation: Maritim proArte Hotel(ベルリン、ドイツ)
  • Year and Date: 2011-05-24
• [Presentation] (113)B GaAs/AlAs多層膜結合共振器構造の二つの共振器モードを利用したテラヘルツ帯差周波発生 (2011)
  • Author(s): 加藤翔, 他
  • Organizer: 2011年春季第58回応用物理学会関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学(神奈川県厚木市)
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] ウエハ接合により作製したGaAs/AlAs多層膜結合共振器 (2011)
  • Author(s): 滝本隼主, 他
  • Organizer: 2011年春季第58回応用物理学会関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学(神奈川県厚木市)
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] 多層膜結合共振器構造へのフェムト秒パルス照射によるテラヘルツ帯差周波発生 (2011)
  • Author(s): 森田健, 他
  • Organizer: 2011年春季第58回応用物理学会関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学(神奈川県厚木市)
  • Year and Date: 2011-03-24
• [Presentation] Novel terahertz emission devices based on efficient optical frequency conversion in GaAs/AlAs coupled multilayer cavity structures on high-index substrates (2011)
  • Author(s): T. Kitada, F. Tanaka, T. Takahashi, K. Morita, and T. Isu
  • Organizer: SPIE Photonics West2011
  • Place of Presentation: The Moscone Center(サンフランシスコ,米国)
  • Year and Date: 2011-01-26
  • Invited
• [Presentation] Novel terahertz emission devices based on efficient optical frequency conversion in GaAs/AlAs coupled multilayer cavity structures on high-index substrates (2011)
  • Author(s): T.Kitada, et al.
  • Organizer: SPIE Photonics West 2011
  • Place of Presentation: The Moscone Center(サンフランシスコ、米国)
  • Year and Date: 2011-01-26
• [Presentation] Time-Resolved Measurements on Sum Frequency Generation Strongly Enhanced in (113)B GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2010)
  • Author(s): F.Tanaka, et al.
  • Organizer: 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2010)
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区本郷)
  • Year and Date: 2010-09-22
• [Presentation] GaAs/AlAs多層膜結合共振器における非線形分極構造の制御 (2010)
  • Author(s): 北田 貴弘, 田中 文也, 滝本 隼主, 森田 健, 井須 俊郎
  • Organizer: 2010年秋季第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎県長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] GaAs/AlAs多層膜結合共振器における非線形分極構造の制御 (2010)
  • Author(s): 北田貴弘, 他
  • Organizer: 2010年秋季第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] 非対称なGaAs/AlAs多層膜結合共振器の作製とその光学特性 (2010)
  • Author(s): 田中文也, 他
  • Organizer: 2010年秋季第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] 分極反転したGaAs/AlAs多層膜結合共振器構造の作製とその光学特性 (2010)
  • Author(s): 森田健, 他
  • Organizer: 2010年秋季第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-14
• [Presentation] Optical anisotropy of sum-frequency generation in a (113)B GaAs/AlAs coupled multilayer cavity (2010)
  • Author(s): F.Tanaka, et al.
  • Organizer: 第29回電子材料シンポジウム(EMS-29)
  • Place of Presentation: ラフォーレ修善寺(静岡県伊豆市)
  • Year and Date: 2010-07-14
• [Presentation] Frequency-Mixing-Signal Generation on a GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2010)
  • Author(s): T.Isu, et al.
  • Organizer: The 9th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed and Nano Materials (EXCON'10)
  • Place of Presentation: The Novotel Brisbane(クイーンズランド、 オーストラリア)
  • Year and Date: 2010-07-13
• [Presentation] Optical Anisotropy of Enhanced Sum-Frequency Generation Signal in (113)B GaAs/AlAs Coupled Multilayer Cavity (2010)
  • Author(s): K. Morita, F. Tanaka, T. Takahashi, T. Kitada, and T. Isu
  • Organizer: The 37th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2010)
  • Place of Presentation: 高松シンボルタワー(香川県高松市)
  • Year and Date: 2010-06-04
• [Remarks]
  • URL: http://www.frc.tokushima-u.ac.jp/frc-nano/