2016 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ共振器シリコンラマンレーザーの光利得機構の解明と発振特性評価
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15H05428
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
高橋 和 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20512809)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | シリコンラマンレーザー / フォトニック結晶 / 微小共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、高Q値シリコンナノ共振器を用いたシリコンラマンレーザーの①光利得機構の理解、②発振特性の解明を目指している。本年度の研究成果を記す。
【光利得機構の理解】初年度に引き続いて、時間分解測定を行った結果、2光子吸収キャリアが共振波長変化を誘発して、光利得の動的変化を引き起こすことを突き止め、従来考えられてきた自由キャリア吸収だけでなく、共振波長変化も大きな発振阻害要因であることが判明した。つづいて、当初の予定通り、新たな光利得スペクトル測定法の開発と実施を行い、ラマンレーザの利得形状を取得した。考察の結果、強励起下では、2光子吸収だけでは理解できない、レーザ出力低下が起きていることが判明した。
【発振特性の解明】空気孔ばらつきを導入したFDTDシミュレーションを行い、Q値、波長、周波数差、ラマン利得の相関を調べた。初年度に得られた実験結果と比較することで、想定していなかった損失要因が判明した。また、体積を増加したラマンレーザー構造において、初めて発振を確認して、出力向上、周波数ばらつきの影響を低減できることを確認した。これより、今後のレーザー出力向上、歩留まり向上の目途が立った。さらに、1.3 um帯でラマンレーザーを発振させることにも成功した。
【当初の予定を超える成果】産業技術総合研究所と協力して、フォトリソグラフィーで作製したナノ共振器の最高Q値を250万以上に更新するとともに、ラマンレーザー作製に向けた準備を進めた。また、結晶方位が45°回転したSOI基板を開発して、劈開面と同一方向にラマンレーザーを作製することに成功した。さらに、電流励起型ラマンレーザー開発に向けた研究を開始し、ポストプロセス法の開発にも着手した。
ラマンレーザーのポストプロセス開発のために、インクジェット装置を今年度の研究費で購入した。本研究は、京都大学野田進研究室の協力を得て行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
【当初の予想を超える成果】
産業技術総合研究所と協力して、フォトリソグラフィーで作製したナノ共振器の最高Q値を250万以上に更新した。また、ラマンレーザーの結晶方位が、(100)SOI基板の劈開面から４５°傾く問題を解決した。さらに、電流励起型ラマンレーザー開発に向けた研究を開始し、ポストプロセス法の開発にも着手した。最後に、ラマンレーザーの産業化に向けて、フォトリソグラフィーで、ラマンレーザーを作製する準備も進めた。
【計画どおり達成できた研究成果】
①光利得機構の解明については、当初計画通りに、発振励起スペクトルと呼ぶべき新たな光利得スペクトル測定手法を開発して、見事、シリコンラマンレーザの利得形状を測定することに成功した。また、時間分解測定を詳細に行った結果、主要な発振阻害要因である２光子吸収－自由キャリア吸収の他に、２光子吸収－共振波長変化が重要であることが判明した。これらの結果は、ラマンレーザーの特性改善や電流励起動作への指針を与えた。②発振特性評価については、ナノ共振器の体積を増加させることで、出力向上と歩留まり向上の効果がダブルで得られることを解明した。動作波長の短波長化も行い、1.3 um帯でラマンレーザーを発振させることに成功した。詳細はこれからの研究次第だが、短波長化した方が、レーザー性能が向上している傾向がある。
【計画どおり研究を進められなかった項目】
ラマンレーザーの温度依存性評価が完遂できていない。当初計画内で、唯一、未達成の項目である。最終年度に遂行する。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、当初計画において唯一未遂行となっているラマンレーザの温度依存性評価を完遂して、ラマンレーザーが広い温度範囲で発振可能であることを示す。共振器構造改良による性能改善が可能と分かったので、さらに構造を改良して、ラマンレーザの高出力化と歩留り向上の研究を推進する。また、表面プロセス、ポストプロセスを数多く試し、新たな性能改善の可能性を探るとともに、SOI基板依存性もより多くの基板を用いて調べていく。以上のプロセスを経て、性能が改良されたレーザーサンプルに対して、開発した光利得スペクトル手法を適用して、当初目的である①光利得メカニズムの理解と、②発振特性の解明を進めていく。
過去２年の研究で得られた成果、ラマンレーザーの時間分解測定結果、光利得スペクトル測定結果、統計評価、短波長動作、結晶方位を45°回転したSOI基板へのラマンレーザー作製、CMOSプロセスに関する論文を投稿する。また、国際会議発表を増やしていく。
研究開始時には、研究室所属学生が１名のみであったが、現在では９名に増えた。これにより、研究が当初計画以上に進展しはじめた。M2が3名もいるため、ラマンレーザーの産業化に向けた研究を前倒しで進めていく。まず、ラマンレーザーをCMOSプロセスで作製して、レーザー発振を達成する偉業に挑む。本来、企業が行う内容と思われるが、産業技術総合研究所の協力を得て、我々が世界に先がけて行う。つづいて、SLDを光源に用いたラマンレーザー発振に、京都大学野田研究室の協力を得て挑む。自然放出光を励起源としたラマンレーザーは、ラマンレーザーが誕生して半世紀、例がなく、高いインパクトが得られるだろう。以上の研究を持って、産業化に向けたブレークスルーを完了して、電流励起型シリコンラマンレーザー開発挑戦への足がかりとする。
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Research Products
(23 results)
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[Presentation] Photonic crystal nanocavities with Q factor of 2 million fabricated by CMOS compatible process2017
Author(s)
Kohei Ashida, Makoto Okano, Minoru Ohtsuka, Miyoshi Seki, Nobuyuki Yokoyama, Keiji Koshino, Masahiko Mori, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, and Susumu Noda
Organizer
Photonics West 2017
Place of Presentation
San Francisco, USA
Year and Date
2017-01-30 – 2017-01-30
Int'l Joint Research
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