| Project/Area Number |
22K20493
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0402:Nano/micro science, applied condensed matter physics, applied physics and engineering, and related fields
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
高野 恵介 信州大学, 学術研究院理学系, 助教 (70583102)
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| Project Period (FY) |
2022-08-31 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | テラヘルツ波 / 周波数変換 / 時間変化媒質 / 時間壁 / 半導体導波路 / 自己補対構造 |
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| Outline of Research at the Start |
時間的な電磁波の分散関係変化である時間壁を利用することで、電磁波の周波数変換が可能である。その変換効率は電磁波強度によらないため、強い光源が得にくいテラヘルツ周波数領域の電磁波(テラヘルツ波)の周波数変換に適する。これまでに半導体導波路を伝搬するテラヘルツ波に対して20%程度の周波数変換効率が示されているが、理論的に示される同構造での数十%以上の変換効率には達していない。本研究では、時間壁の生成部に自己補対構造に近い形状を持つ２次元金属チェッカーボードパターンを用いることで、さらに高効率なテラヘルツ波周波数変換が可能であることを示す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
GaAs導波路内での周波数変換後テラヘルツ波の減衰が超短パルス光で励起したGaAs表面の導電損であることを明確にするため，励起光強度を変えた場合の周波数変換後テラヘルツ波の導波路内減衰係数を測定した。励起光強度の増大による半導体表面に励起される電子密度の増大によって導電損が小さくなる傾向が得られた。実験で得られた減衰係数によって，周波数変換後テラヘルツ波強度の理論値からの減少が説明できることも示した。また，理論的な周波数変換効率に強い光パルスが半導体を励起する場合には，伝導帯の電子状態密度が励起可能な電子数に制限を与える。実験で用いたレーザーの強度およびスペクトル幅と，GaAsのエネルギーバンドを考慮した伝導電子密度を仮定して，周波数変換後のテラヘルツ波の減衰の電磁界シミュレーションを行ったところ，実験の減衰傾向を再現した。これにより，光励起部の伝導損が周波数変換後テラヘルツ波の減衰の主要因であると結論づけられた。半導体導波路に入射する偏光状態によって，周波数の上方変換と下方変換が選択可能であることを実証した。同一導波路構造で，上下方向の周波数変換を選択的に得られることになり，高効率で高機能なテラヘルツ波周波数変換デバイスが将来のテラヘルツ波応用の要素技術となることが期待される。
実効的に半導体導波路表面の電気伝導度を上昇させ，周波数変換テラヘルツ波の減衰を低減するために，GaAs導波路表面に，金属チェッカーボード構造を付与した構造を提案し，実験を実施した。実験の結果，金属チェッカーボード構造の付与は，むしろ損失を増大させる結果となった。光励起後にも導波路中の電磁波の進行方向に導電率の周期性が残り，周波数変換後のテラヘルツ波の散乱を増大させたと考えられる。進行方向に周期性のないスリット配列のような構造が必要なことが示唆される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光ポンプ・テラヘルツプローブ分光法によるテラヘルツ波の周波数変換の観測結果と，GaAsの物性値を取り込んだ電磁界シミュレーション結果とを比較し，導波路内での電磁波損失の原因を明確にした。また入射テラヘルツ波の偏光による上下方向の周波数変換の選択性を見出した。伝搬損を低減させるため，表面の電気伝導度を実効的に向上させる構造として，半導体表面に金属チェッカーボード構造を施した構造を提案し，実験を行ったが，むしろ伝搬損を増大させることがわかった。損失を低減し，さらに機能性を増す構造として，新たに半導体と誘電体の積層導波路構造の検討を開始した。前年度に試作に用いたGaAsウェハの光励起キャリア寿命が，実験に用いたパルスレーザーの繰り返し周波数よりも長いことが問題になっていたが，光ポンプ・テラヘルツプローブ分光法によって市販ウェハ中から適切なキャリア寿命のウェハを見出して入手できるようになった。入手したGaAsウェハと誘電体ウェハを積層した導波路の試作を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の中で明らかになった周波数変換後テラヘルツ波の光励起部の導電損による減衰効果について論文および国際会議発表を行う。本研究課題の研究期間は当初2023年度までであったが，投稿中の論文原稿の受理が2024年度内となる見込みであり，研究期間を延長して論文発表を完了させる。
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