2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of monolithic cavity wavelength converter made of widegap semiconductors
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17K19078
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
片山 竜二 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40343115)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川原村 敏幸 高知工科大学, システム工学群, 教授 (00512021)
谷川 智之 東北大学, 金属材料研究所, 講師 (90633537)
上向井 正裕 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80362672)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2019-03-31
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| Keywords | ワイドギャップ半導体 / GaN / 波長変換素子 / 量子光学 / モノリシック微小共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、「分極反転が必須」という波長変換素子の既成概念にとらわれない、簡素な構造と作製工程を用い部品を全て一体集積化したモノリシック共振器型波長変換素子の開発を目的とした。新規提案する素子構造は、例えばｃ面サファイア基板上の単結晶窒化物半導体GaNにより構成されるモノリシック微小共振器型構造である。この素子に励起光を入射すると、非線形光学効果により直交偏光した量子もつれ光子対が発生し、量子暗号通信や量子コンピュータに用いる量子光源を実現できる。この共振器鏡での反射位相変化を制御して二波が強め合うため、従来の強誘電体素子のような結晶方位の周期変調（分極反転）などの特殊な構造は一切不要である。従来個別の光学部品を用い構成され光学定盤を専有していた大型の共振器型波長変換素子を、10 μm程度のサイズへと縮小することで劇的な小型化と高安定化を狙い、実際に波長変換素子としての機能の実証を目指した。
実績として、(i)上記の新規構造をもつ第二高調波発生（SHG）デバイスを設計し、(ii)デバイスの作製プロセスを開発し、(iii)波長変換の原理実証に成功した。特に、当初提案であったコランダム系酸化物多層膜による微小垂直共振器に代えて、単一の結晶方位を有する窒化物半導体薄膜を用いて、面内に共振させる新規構造を提案した。深掘り加工によりDBR反射鏡を形成し、長さ1.1μmの活性領域に光波をおよそ2000倍に強く閉じ込め、反射位相を制御することで結晶方位反転を導入することなく波長変換が可能となるシンプルな構造である。ドライエッチングと結晶異方性エッチングを併用するシンプルなプロセスを用いてその作製に成功し、世界最小サイズの共振器型波長変換素子からの第二高調波発生に成功した。
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