2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Raman gain induced by incoherent light in high quality photonic crystal devices
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18H01479
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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) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | シリコンラマンレーザ / 高Q値微小共振器 / フォトニック結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実用的な小型シリコンレーザチップを開発できれば、情報、通信、環境、医療と幅広い分野で応用が期待できる。研究代表者は、従来より1万分の1以下の閾値とサイズを持つシリコンラマンレーザを高Q値ナノ共振器を用いて開発してきた。現在のところ、室温で安定して連続発振する唯一のバルクシリコンレーザである。
このレーザは、コヒーレント光、つまりレーザ光により励起されて発振するレーザである。また、励起レーザの波長を特定波長に一致させる必要がある。乾電池に繋ぐだけで動作する半導体レーザと比べて、使いやすさの点で難がある。もし、ブロードなインコヒーレント光源でラマンレーザを励起することができれば、これらの短所を克服するだけでなく、1チップで多波長発振するラマンレーザが開発可能となる。この夢に向けて、本研究では、“高品質ナノ共振器における非コヒーレント光励起による誘導ラマン利得”を調べている。
研究2年目となる令和元年度は、ナノ共振器ラマンレーザの高品質化研究を推進するとともに、非コヒーレント光による誘導ラマン散乱の増強について、顕微分光測定を用いて調べた。大きな成果として、産業技術総合研究所との共同研究により、CMOS互換プロセスを用いてナノ共振器シリコンラマンレーザを作製することに成功した。実用的なシリコンレーザチップ作製に重要な成果である。
その他の研究実績は下記のとおりである。ラマンレーザの高性能化を阻害する最大の要因について、80個のサンプルを測定して明らかにした。ラマンレーザのインコヒーレント励起には、レーザの低閾値化が重要となるため、従来よりも10倍以上高い理論Q値を有するナノ共振器を作製した。顕微分光測定系の低損失化を進め、これまでよりも強いラマン散乱光をインコヒーレント光励起により確認した。誘導ラマン散乱の観測にはあと数倍、励起効率を高める必要があることを明らかにした。
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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
令和元年度は、シリコンラマンレーザの高品質化においてフルペーパー論文を3本（IEEE J. Sel. Top. Quantum Electronics、OSA Continuum x 2）出版した。インコヒーレント励起においては、プロシーディング論文を1本出版した。その他、Q値を高めたナノ共振器によるラマンレーザの低閾値化、1.2 um帯で動作するラマンレーザ開発、新しい共振器構造の探索、ラマンレーザのセンサ応用に関して学会発表を行った。
【フォトリソグラフィーによる作製】CMOS互換プロセスを用いたラマンレーザサンプルの作製を産業技術総合研究所と進めて、レーザ発振を達成した。ラマンレーザを作製するシリコン基板の結晶方向を工夫することで簡易に作製できることを実証した。
【ラマンレーザの作製歩留まり向上】作製歩留まりに最も影響する原因が、作製精度に起因する2つの共振モードの周波数ばらつきであることを解明した。共振器構造を改良することで、作製精度が不十分であっても、高歩留まりでラマンレーザを作製できることを計算で確認した。
【動作波長の短波化】ラマン散乱は、波長の4乗に反比例するので、動作波長を短くすることで、ラマン利得を高めることができる。シリコンのバンドギャップに近づくと、共鳴ラマン散乱の利用も視野に入る。前年度に購入した1.2 um帯で動作する波長可変レーザを用いて、1.2 umにおいてQ値100万以上を有するナノ共振器を作製した。これにより、この波長帯でもラマンレーザが作製できる見通しが立った。
【インコヒーレント励起】上述の研究で得られた高性能サンプルを用いてインコヒーレント励起によるラマン散乱光測定を行った。従来よりも2倍大きいラマン散乱を得ることができたが、レーザ発振までに10倍は効率を高める必要がある。さらなる測定系の改善とサンプル構造の改良が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年となる令和2年度は，これまでの準備段階を経て、非コヒーレント光による誘導ラマン利得の精密測定を行う．Q値を上げたレーザサンプル、導波路結合損失を低減したサンプルを用いて、インコヒーレント光源を用いて，ナノ共振器からのラマン散乱スペクトル測定を行う．インコヒーレント光源として、1.4 um帯のスーパールミネッセントダイオード（SLD）を利用する。3つの方法で励起して（SLD，SLD＋レーザ，レーザ），3者の結果を比較することで，レーザ発振の鍵となる学理を解明する．レーザ発振が得られない場合には、本質的にレーザ発振がインコヒーレント光では起こせないのか、測定系の損失が大きくて励起光量が足らないだけなのか明確にする。
レーザ励起による誘導ラマン散乱励起スペクトル（SRE）測定により，高性能化したサンプルの利得メカニズムを調べる．SRE測定を効率的に行える測定系を令和元年度に構築したので、より簡易に精密な測定が可能となる．SLD＋レーザ励起の場合は，ロックイン検出を用いた高感度測定系により，ブロードなSLD光励起とレーザ励起によるラマン利得の生成が可能かどうか調べる．
インコヒーレント励起によるレーザ発振に重要となる1.2 um帯において動作するシリコンラマンレーザを開発する。これまでのところ、発振に必要なQ値が得られていない。サンプル作製プロセスを改良して高Q値化を達成して、レーザ発振を実現する。1.5 um帯よりも低閾値での発振が得られると予想しており、短波長化によるラマン利得の増大を実証する。
インコヒーレント励起の研究を進めている過程で、ラマンレーザは静電気検知に利用できる可能性が判明した。そこで、静電気検知の実証実験も進めて、学会発表を行っていく。静電気検知以外にも、パッシブ光デバイスであるシリコンラマンレーザの新しい応用方法を開拓する萌芽的研究を進める。
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