2022 Fiscal Year Research-status Report
ハイブリッドナノフォトニクスによる印刷マイクロレーザーと量子光集積回路の統合研究
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19KK0379
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
吉岡 宏晃 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (20706882)
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| Project Period (FY) |
2020 – 2023
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| Keywords | 微小光共振器 / レーザー / インクジェット / 光集積回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、基課題研究における代表者独自のインクジェット印刷法を高度に発展させ、微小励起光源として利用できるマイクロディスクレーザーと量子光集積回路を統合することを研究目的とする。当該年度は、海外での結合導波路チップの改良・作製を経て、国内でマイクロディスクレーザーの統合を進めた。
結合導波路チップの改良・作製（海外）では、前年度までに最適化した印刷クラッド層の形状・構造および統合するマイクロディスクレーザーの発振波長を考慮したデザインで、Si3N4（n = 2.02）から成る結合導波路チップ（コの字型導波路の両端にグレーティングカプラ）を電子ビーム描画装置などのツールを用いて新たに作製した。
印刷法によるマイクロディスクレーザーの実装（国内）では、まずフッ素系高分岐ポリマー（n = 1.45）を用いて導波路上にクラッド層を印刷実装した。その後、トリアジン系高分岐ポリマー（n = 1.76）をホスト材料とするマイクロディスクレーザーを、伝搬光が局在するディスクエッジ付近のポジションを狙って実装した。波長600 nm付近に蛍光ピークをもつRhodamine6GとPyrromethene597の二種類のレーザー色素を添加したマイクロディスクについて実装を行った。そして、AFMを用いて三次元的な形状プロファイルを評価し、良好な垂直結合型の集積化が達成された。その後、光励起を用いた顕微分光法により、レーザー発振およびレーザー光の導波路への結合について評価を行った。その結果、Rhodamine6Gを用いたマイクロディスクにて良好なレーザー発振を得、導波路へのレーザー光の結合および結合位置について実験的に知見を得た。また、屈折率マッチングを考慮した、チタニアナノ粒子（n = ~2.5）と高分岐ポリマーの混合分散インクによる無機有機ハイブリッドマイクロディスクに関する良好な知見も得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当該年度は、海外での結合導波路チップの改良・作製を経て、国内でマイクロディスクレーザーの統合を進めた。当該年度前半は、新型コロナウイルスの感染拡大に関する各種制限が緩和されつつある中、遅めの渡航開始となったが２か月間の海外共同研究先でのサンプル作製を行うことができた。その際、結合導波路チップのデザインの最適化もある程度順調に行うことができた。また、次年度使用するチップの作製も前倒しで計画し、プロトタイプのデザインを完成させるも、本渡航期間終盤において装置のトラブルにより当初通り次回の渡航時に実施することとなった。その後、国内に戻り作製した結合導波路チップ上にマイクロディスクレーザーを実装する作業に移った。そして実装作業は順調に進み、レーザー発振評価、導波路へのレーザー光の結合評価など、実験的に十分な評価を行うことができた。これは、単に通常のリソグラフィーでの構築が難しい垂直結合（積層方向結合）が確認できたという評価のみならず、多数の結合位置条件における特性を網羅的に実験にて評価し、これまでにない示唆的な知見を得たという点で大きな進展である。一方で、前年度までの各種制限における渡航延期の影響による全体としての進捗遅延をカバーするには至っていない。
以上より、当該単年度における飛躍的な発展があったが、前年度までの新型コロナウイルスの感染拡大の影響による渡航延期の影響により事業期間全体としての進捗は、やや遅れていると判断せざるを得ない。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の流れは、国内・国外での実験を効率的に織り交ぜて、①「精密配置ための印刷最適化、顕微分光セットアップの高性能化、モードカスケード計算解析」、②「ナノファブリケーションによる埋め込み型結合導波路作製」、③「モードカスケード（伝搬モードの空間分離）の実験解析とマイクロディスクレーザーのチップ統合」の実施である。今後は、③におけるモードカスケードを見据えた二波長帯に対応した結合導波路チップの作製（海外）を経て、マイクロディスクの統合を進めていく。
具体的には、まず、本年度進展したマイクロディスクレーザーの導波路への光結合に関して、三次元FDTD法により垂直結合の経時変化について評価する。その知見を元に、空間モードカスケードの実験解析につなげる。次に、海外にて、モードカスケードを評価するための二波長帯に対応した結合導波路チップを開発する。その後、国内にてこれまでと同様にディスクエッジ近傍で導波路と結合するようにマイクロディスクを実装する。その際、導波路との屈折率マッチングを考慮した、チタニアベースのマイクロディスクの実装を想定するが、十分にマッチングが取れない場合は、屈折率の比較的低いSU-8による結合導波路の作製を検討する。そして、本年度におけるアクティブ型のマイクロディスクレーザーからの光伝搬とは異なり、導波路側からNIR-通信波長帯でチューナブルかつ狭線幅の光を結合させその透過スペクトルの測定により評価する。その際、海外もしくは国内の装置にて実施する。
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[Journal Article] Pneumatically Tunable Droplet Microlaser2023
Author(s)
Yamagishi Hiroshi、Fujita Keitaro、Miyagawa Junnosuke、Mikami Yuya、Yoshioka Hiroaki、Oki Yuji、Takada Naoki、Baba Soumei、Saito Shimpei、Someya Satoshi、Lin Zhan‐Hong、Huang Jer‐Shing、Yamamoto Yohei
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Journal Title
Laser & Photonics Reviews
Volume: 17
Pages: 2200874～2200874
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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