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2015 Fiscal Year Annual Research Report

自在な熱輻射制御のための新技術/概念の構築

Research Project

Project/Area Number 25220607
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

野田 進  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10208358)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 浅野 卓  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30332729)
Project Period (FY) 2013-05-31 – 2018-03-31
Keywordsフォトニック結晶 / 熱輻射 / 熱光発電
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、電子系と光子系の両状態制御により、物体からの熱輻射をエネルギー損失なく、望む波長に望む線幅で集約する技術、また、熱輻射を動的かつ超高速に制御する技術など、熱輻射を自在に制御・利用するための新技術や概念を構築することを目的としている。昨年度は、中赤外域において、相互作用の電気的制御、具体的には、GaAs/AlGaAs量子井戸の第1サブバンドに存在する電子を電気的に引き抜くことで熱輻射に必要な光と物質の相互作用を無くすことにより、温度変化に依存しない熱輻射の超高速変調に成功した。また、熱光発電の高効率化に向け、近赤外領域での熱輻射制御の検討も開始し、薄膜Si上に正方格子ロッド型フォトニック結晶を形成することで、近赤外領域のみで高い輻射率をもつ構造の設計に成功してした。
本年度は、中赤外域においては、昨年度に実現した相互作用の電気的制御を発展させ、1つのチップ上で輻射波長を切り替え可能な素子の開発を進めた。具体的には、一つのデバイス内部に格子定数の異なるフォトニック結晶領域を複数個設け、それぞれが電気的に輻射強度を変調できるように個別の回路・電極を設定する。これにより、デバイス全体を加熱しつつ、必要な波長の領域だけを発光させることで、同一チップ上で4波長切り替え可能な光源の実現に成功した。
また、Siのバンド間遷移を用いた近赤外域光源について、実験的な検討を進めた。昨年度に設計を行った、構造保持のための厚さ1 μmのSiO2薄膜上に、高さ500 nmのSiフォトニック結晶ロッドを形成した構造を作製し、輻射特性を評価した結果、波長1 μm以下の短波長域で高い放射率(~80%)をもち、かつ長波側については広い波長域に渡って放射率が抑制出来ることを、実験的に確かめることに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

前述のように、本研究では、電子系と光子系の両状態制御により、物体からの熱輻射を、エネルギー損失なく、望む波長に望む線幅で集約する技術、また、熱輻射を動的かつ超高速に制御する技術など、高温物体からの熱輻射を自在に制御・利用するための新技術や概念を構築することを目的としている。
GaAs/AlGaAsを利用した中赤外光源については、昨年度、当初の予定に掲げていなかった熱輻射の電気制御に取り組み、電圧制御という実用上重要な手法により、これまでの温度変化による変調と比較して、10,000倍という高速での熱輻射の変調に世界で初めて成功していた。本年度は、本技術をさらに発展させ、一つのデバイス内部に輻射波長の異なる領域を複数個設け、それぞれが電気的に輻射強度を変調できるように個別の回路・電極を設けた、1つのチップ上で輻射波長を切り替え可能な素子の実現に成功した。本成果は、当初の目標を大きく上回るものであり、幸いにもApplied Physics LettersのFeatured Articleとして選出されるとともに表紙に掲載され、またNature Photonics誌のNews and Viewsにも取り上げられるなど大きく注目された。
また、Siを利用した近赤外光源についても、昨年度設計した、ロッド型Siフォトニック結晶構造の作製・評価を行い、波長1 μmより短波の領域で高い放射率(~80%)をもち、かつ1 μmより長波の領域では放射率が抑制された素子の実現に成功した。本素子を利用することで、幅広いスペクトルをもつ太陽光、また地熱・廃熱からの輻射光を、太陽電池のバンドギャップ付近の光に変換することが可能となり、太陽光や地熱等を利用した発電の高効率化などに大いに寄与する重要な成果と位置づけることが出来る。
以上のようなことから、全体として本研究課題は当初に掲げた目標以上に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

次年度においては、チップ内の輻射波長の異なる複数領域の輻射率を個別に制御することで輻射波長を切り替え可能な光源をさらに発展させると共に、単一発光面で複数の輻射ピーク波長を切り替え可能な熱輻射光源の開発をも目指していく。後者については、1つの基板に異なる井戸幅をもつ複数の量子井戸層を積層し、それぞれをフォトニック結晶の複数の共振モードと相互作用出来るように設計した上で、それぞれの量子井戸層を制御することで、単一発光面における熱輻射波長の切り替えを目指す。また、近赤外光源については、光源物理のさらなる深化と、その大面積化の検討を行う。具体的には、Siロッド型フォトニック結晶の輻射スペクトルのさらに詳細な実験・理論検討とともに、不要放射の少ない支持基板上(中赤外域における熱輻射の小さい基板)にSiフォトニック結晶を作製した光源について検討を行う。
また自由空間の状態密度の制限を超えてエネルギーを引き出すための手法の開拓について、数値計算による検証を本格化させる。これまでは、電子・光子状態の制御の併用により、光源から遠方に放射される熱輻射の帯域制御・高速制御を検討してきたが、その強度にはプランクの法則で与えられる上限(黒体リミット)が存在する。本研究では、上記の光源と受光素子を近接させ、通常は遠方に放射されない近接場光成分を利用することで、上記限界を超える狭帯域熱輻射の授受を目指す。次年度は特に、フォトニック結晶構造に対する近接場熱輻射の解析手法を確立するとともに、材料の吸収係数やフォトニックバンド構造が近接場熱輻射に与える影響・効果を明らかにする。

  • Research Products

    (38 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 12 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (6 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] On-chip integration and high-speed switching of multi-wavelength narrowband thermal emitters2016

    • Author(s)
      T. Inoue, M. D. Zoysa, T. Asano, and S. Noda
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 108 Pages: 091101

    • DOI

      10.1063/1.4942595

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Investigation of narrow-band thermal emission from intersubband transitions in quantum wells2015

    • Author(s)
      M. D. Zoysa, T. Asano, T. Inoue, K. Mochizuki, and S. Noda
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 118 Pages: 103101

    • DOI

      10.1063/1.4930030

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Electrical tuning of emissivity and linewidth of thermal emission spectra2015

    • Author(s)
      T. Inoue, M. D. Zoysa, T. Asano, and S. Noda
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 91 Pages: 235316

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.91.235316

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Influence of external reflection on the TE mode of photonic crystal surface-emitting lasers2015

    • Author(s)
      J. Gelleta, Y. Liang, H. Kitagawa, and S. Noda
    • Journal Title

      Journal of the Optical Society of America B

      Volume: 32 Pages: 1435-1441

    • DOI

      10.1364/JOSAB.32.001435

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photonic crystal microcrystalline silicon solar cells2015

    • Author(s)
      Y. Tanaka, K. Ishizaki, M. D. Zoysa, T. Umeda, Y. Kawamoto, S. Fujita, and S. Noda
    • Journal Title

      Progress in Photovoltaics: Research and Applications

      Volume: 23 Pages: 1475–1483

    • DOI

      10.1002/pip.2577

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Photonic Crystal Cavities2016

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      2016 Optical Fiber Communication Conference and Exhibition (OFC)
    • Place of Presentation
      Anaheim, California, USA
    • Year and Date
      2016-03-24
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] MgO基板上の狭帯域近赤外Siフォトニック結晶熱輻射光源の開発2016

    • Author(s)
      末光真大,堤達紀,浅野卓,De Zoysa Menaka,野田 進
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春期学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-21
  • [Presentation] 動的熱輻射制御に伴う光源温度及び輻射パワーの過渡応答特性2016

    • Author(s)
      井上卓也,浅野卓,野田進
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春期学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-21
  • [Presentation] 2波長切替型中赤外熱輻射光源の設計2016

    • Author(s)
      キアンキ,井上卓也,De Zoysa Menaka, 浅野卓,野田 進
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春期学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-21
  • [Presentation] GaN/AlGaN多重量子井戸とフォトニック結晶に基づく中波長赤外熱輻射光源の開発2016

    • Author(s)
      Kang Daniel Dongyeon,井上卓也,浅野卓,野田 進
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春期学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-21
  • [Presentation] TBA-MOVPEを用いたフォトニック結晶構造の形成(III)2016

    • Author(s)
      吉田 昌宏,河﨑 正人,Menaka De Zoysa,初田 蘭子,石﨑 賢司,田中 良典,北川 均,野田 進
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春期学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] Siロッド型熱輻射光源への透明酸化物コーティングの光学的影響2016

    • Author(s)
      堤達紀,末光真大,浅野卓,De Zoysa Menaka,野田 進
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春期学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] Visible to near-infrared narrow-band thermal emitters based on silicon-rod photonic crystals2016

    • Author(s)
      M. Suemitsu, T. Tsutsumi, T. Asano, M. D. Zoysa, and S. Noda
    • Organizer
      SPIE Photonics West
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2016-02-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電子・光子両状態制御に基づく高効率・高速熱輻射光源の開発2016

    • Author(s)
      井上卓也, De Zoysa Menaka, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第36回年次大会
    • Place of Presentation
      名城大学 天白キャンパス
    • Year and Date
      2016-01-10
    • Invited
  • [Presentation] 量子井戸とフォトニック結晶に基づく高効率・高速熱輻射光源の開発2015

    • Author(s)
      井上卓也, De Zoysa Menaka, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      電子情報通信学会 レーザ・量子エレクトロニクス研究会
    • Place of Presentation
      機械振興会館
    • Year and Date
      2015-12-18
    • Invited
  • [Presentation] Recent progress in manipulation of photons by photonic crystals2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      The 5th conference on Advances in Optoelectronics and Micro/nano-optics (AOM 2015)
    • Place of Presentation
      Hangzhou, China
    • Year and Date
      2015-10-30
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] フォトニック結晶による光制御の現状と将来展望2015

    • Author(s)
      野田進
    • Organizer
      IEEE Photonics Society Kansai Chapter 2015 国際光年記念講演会
    • Place of Presentation
      京都工芸繊維大学 松ヶ崎キャンパス
    • Year and Date
      2015-10-14
    • Invited
  • [Presentation] Recent progress in Photonic Crystals and Their Applications2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      12th Sweden - Japan QNANO Workshop
    • Place of Presentation
      Sweden
    • Year and Date
      2015-09-24
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 波長切替可能な狭帯域熱輻射光源2015

    • Author(s)
      井上卓也,De Zoysa Menaka,浅野卓,野田 進
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-15
  • [Presentation] 狭帯域近赤外Siフォトニック結晶熱輻射光源の検討(VII)2015

    • Author(s)
      堤達紀,末光真大,浅野卓,De Zoysa Menaka,野田 進
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-15
  • [Presentation] 透明基板上の狭帯域近赤外Siフォトニック結晶熱輻射光源の開発2015

    • Author(s)
      末光真大,堤達紀,浅野卓,De Zoysa Menaka,野田 進
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-15
  • [Presentation] MBE空孔埋め込み法における原子状水素表面処理に関する検討2015

    • Author(s)
      西本 昌哉, 前川 享平, 石崎 賢司, 北村 恭子, 野田 進
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-15
  • [Presentation] TBA-MOVPEを用いたフォトニック結晶構造の形成(II)2015

    • Author(s)
      吉田 昌宏, Menaka De Zoysa, 初田 蘭子, 石崎 賢司, 田中 良典, 北川 均, 野田 進
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-15
  • [Presentation] Recent progress in photonic crystals and their device applications2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      SPIE Optics + Photonics
    • Place of Presentation
      San Diego, California, USA
    • Year and Date
      2015-08-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thermal emission control by manipulating electronic and photonic states: Energy Recycling and Dynamic Control2015

    • Author(s)
      S. Noda, M. D. Zoysa, T. Inoue, T. Asano
    • Organizer
      META’15, the 6th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • Place of Presentation
      New York City, NY, USA
    • Year and Date
      2015-08-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dynamic control of photonic crystals2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      The 7th International Symposium on Ultrafast Photonic Technologies (ISUPT2015) and International Symposium on extremely advanced transmission technology (EXAT 2015)
    • Place of Presentation
      Kyoto, Japan
    • Year and Date
      2015-07-13
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thermal emission control of photonic crystals2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      21st Optoelectronics and Communications Conference/International Conference on Photonics in Switching 2016 (OECC/PS 2016)
    • Place of Presentation
      Niigata, Japan
    • Year and Date
      2015-07-03
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Generation of Strong Electric Fields with Pure Longitudinal Polarization by Using a Dielectric Structure and a Focused Radially Polarized Beam2015

    • Author(s)
      K. Kitamura, and S. Noda
    • Organizer
      CLEO/Europe-EQEC 2015
    • Place of Presentation
      Munich, Germany
    • Year and Date
      2015-06-24
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Recent progress in photonic crystals and their applications2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      The 5th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO 2015)
    • Place of Presentation
      Niigata, Japan
    • Year and Date
      2015-06-16
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Recent Progress in Photonic Crystals and Their Device Applications2015

    • Author(s)
      S. Noda
    • Organizer
      The 22nd Conference on Optoelectronics & Optical Communications (COOC2015)
    • Place of Presentation
      Busan, Republic of Korea
    • Year and Date
      2015-06-03
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Position-modulated Photonic-crystal Lasers and Control of Beam Direction and Polarization2015

    • Author(s)
      T. Okino, K. Kitamura, D. Yasuda, Y. Liang and S. Noda
    • Organizer
      The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2015)
    • Place of Presentation
      San Jose, USA
    • Year and Date
      2015-05-10
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 京都大学工学研究科野田研究室

    • URL

      http://www.qoe.kuee.kyoto-u.ac.jp/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱輻射光源2016

    • Inventor(s)
      野田進, 井上卓也, カン ドンヨン, 浅野卓
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-035999
    • Filing Date
      2016-02-26
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱輻射光源2016

    • Inventor(s)
      野田進, 井上卓也, 紀安琪, 浅野卓
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-037217
    • Filing Date
      2016-02-29
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱輻射光源、および該光源に用いるフォトニック結晶2016

    • Inventor(s)
      野田進, 井上卓也, 浅野卓, デ ゾイサ メーナカ
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      PCT/JP2015/055161
    • Filing Date
      2016-02-28
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱輻射光源2016

    • Inventor(s)
      末光真大,野田進,浅野卓,デ ゾイサ メーナカ
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学・大阪瓦斯株式会社
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-039217
    • Filing Date
      2016-03-02
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱光発電装置及び熱光発電システム2016

    • Inventor(s)
      末光真大,野田進,浅野卓,デ ゾイサ メーナカ
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学・大阪瓦斯株式会社
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-072295
    • Filing Date
      2016-03-31
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 熱光発電装置及び熱光発電システム2016

    • Inventor(s)
      末光真大,野田進,浅野卓,デ ゾイサ メーナカ
    • Industrial Property Rights Holder
      京都大学・大阪瓦斯株式会社
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-072294
    • Filing Date
      2016-03-31

URL: 

Published: 2017-01-06  

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