2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of internal absorption loss for high-Q silicon nanocavities and the development of novel functional optical devices
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21H01373
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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) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | シリコンラマンレーザ / フォトニック結晶 / カソードルミネッセンス / 高Q値ナノ共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究初年度は、当初計画に従って、シリコンナノ共振器の吸収損失の正体と消去メカニズムの解明を、近赤外低温カソードルミネッセンスによる欠陥分析、欠陥を消去する熱処理の最適化、顕微分光測定によるデバイス評価を三位一体で行い進めた。その結果、主要な3つの研究テーマ、①動作波長の短波化、②Q値向上、③CMOS互換プロセスで作製されたデバイスの機能拡張において、着実な進歩が得られた。
①初年度より、1.2 um帯においてシリコンラマンレーザ発振を確認することができた。これは、シリコンラマンレーザの最短波長となる。1.5 um帯のラマンレーザよりもQ値が低かったにも関わらず、同等の低い閾値が得られた。ラマンレーザの動作波長を短くすると、高性能化が可能なことが実証できた。当初計画を上回り、1.08 umで動作する高Q値ナノ共振器を作製して、2万以上のQ値を得た。シリコンのバンドギャップよりも高いエネルギーにおいて、1万以上の高Q値が得られたことは、シリコンフォトニクスの新たな可能性として重要である。
②ナノ共振器の最高Q値である1100万の更新はできなかった。しかしながら、熱処理を最適化することにより、CMOS互換プロセスで作製したナノ共振器の最高Q値を、250万から350万に更新することができた。大量作製が可能なCMOSプロセスで作製したナノ共振器でもこれほど高いQ値が得られたことにより、シリコンナノ共振器の応用が進むだろう。
③CMOS作製したシリコンラマンレーザの閾値も、熱処理を最適化することにより、従来の半分まで低減できた。レーザ発振するサンプルも、歩留まり50%以上で得られた。ラマンレーザの実用化研究を加速させる成果である。予想以上に研究が進んだため、CMOS作製したシリコンナノ共振器の応用範囲を広げるために、産業界で大きな問題となっている空間電荷を検知する研究を進めた。
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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
研究期間内で達成することを目標としていた1.2 um帯で動作するシリコンラマンレーザを1年目から実現できた。その発振閾値とQ値を解析したところ、ラマンレーザの閾値は、レーザの動作波長を短くすることにより、下げることができることを実証できた。以上の結果を受けて、当初計画には無かった、1.1 um帯で動作するラマンレーザ開発に着手した。すでに、シリコンのバンドギャップよりも短い1.08 umにおいて、2万以上のQ値を得た。
シリコンナノ共振器のQ値向上を妨げている吸収損失の原因を、様々な熱処理を加えたチップについて低温カソードルミネッセンス測定を行うことにより調べた。徐々に、吸収損失の正体と消去メカニズムが明らかとなってきた。得られた知見を生かして、熱処理の雰囲気と温度の最適化を進めることにより、CMOS互換プロセスで作製したナノ共振器の最高Q値を350万に更新することができた。さらに、CMOS作製したシリコンラマンレーザの閾値も、従来の半分まで低減できた。さらなる高Q値化と、サブマイクロワット閾値に向けた研究を進めている。CMOSプロセスでシリコン中に発生する欠陥の解明に向けて、新しいシリコン基板を用いたサンプル作製にも着手した。
以上の研究について、1.2 umで動作するナノ共振器シリコンラマンレーザ、機械学習で設計した高Q値ナノ共振器を用いたシリコンラマンレーザ、シリコンラマンレーザによる空間電荷検知、CMOS互換プロセスで作製された高Q値ナノ共振器を用いた空間電荷検知に関する4本のフルペーパー論文をOptics Expressにて発表した。空間電荷検知については、米国光学会の国際会議において、M2の学生が招待講演を行った。進行中の研究については、2022年春季応用物理学会で4件発表した。コロナ禍によりサンプル作製回数を減らさざるをえないなか、計画を上回る成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
いまのところ研究遂行の問題は生じていない。2年目も、カソードルミネッセンス、熱処理、顕微分光測定を三位一体で行って、吸収損失の正体と消去メカニズムの解明、シリコンナノ共振器の機能拡張を進める。
【吸収損失、消去メカニズム解明】1.2 um帯におけるナノ共振器のQ値は、1.5 um帯のQ値と比べると低かった。CMOSプロセスで作製したラマンレーザのQ値も、EB描画で作製したサンプルより小さかった。さらなる吸収損失の解明が必要だが、これまで用いていたシリコン基板は、購入時点で欠陥が混入していたため、作製プロセスに起因する欠陥評価が難しかった。2年目は、欠陥数を減らした基板を用いてサンプル作製とカソードルミネッセンス測定を行う。さらに、熱処理装置にQ-mass装置を取り付けて、熱処理時にシリコンから放出されている不純物の同定を試みる。また、ラマンレーザとは異なるタイプのナノ共振器を作製して、Q値を低下させている理由が吸収損失だけなのか明らかにする。
【動作波長の短波長化】ラマンレーザのポンプ共振モードを1.08－1.13 um、ストークス共振モードを1.15－1.20 umにおいて確認することを目指す。この波長域では、顕微分光測定に用いる波長可変レーザが不足しているため、ASE光源などブロードな光源を用いて、共振波長とQ値を調べる。技術的に困難が予想されるが、研究代表者が現場で手を動かす時間を確保して一歩づつ進める。
【CMOS作製サンプル】：1 uW以下の閾値を目標にして、ラマンレーザの熱処理最適化を進める。特に、酸素アニールとアルゴンアニールのどちらが良いのか明らかにする。京都大学の共同研究者と高Q値ナノ共振器の寿命測定を行い、最高Q値を正確に計測する。
【最高Q値更新】吸収損失の除去プロセスの開発に加えて、揺らぎに強い共振器構造を機械学習により設計できるのか明らかにする。
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