非線形光学量子ドットの位置制御・高密度作製による超微細、超高速光・光デバイス開発

• 研究課題/領域番号: 18760035
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 応用光学・量子光工学
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 尾崎 信彦 筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 講師 (30344873)
• 研究期間 (年度): 2006 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円); 2007年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2006年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
• キーワード: 量子ドット / フォトニック結晶 / 選択成長 / MBE / 光非線形効果 / 全光素子 / 光・光デバイス

研究概要

フォトニック結晶(PC)導波路中に量子ドット(QD)を光学非線形媒体として埋め込んだ、超微細、超高速の全光デバイス(全光フリップフロップ素子)の作製を目指し、QDの選択領域成長技術の開発を行った。
平成19年度では・まず我々が平成18年度に達成したInAs-QDの選択領域成長技術(メタルマスク法)をさらに発展させ、異なる吸収波長を持ったQDを近接する選択領域にモノリシックに作製する技術を開発した。具体的には、回転非対称のウィンドウパターンを有するメタルマスクを用いて、近接する複数の選択領域にのみQDを作製し、さらにQD上に歪緩和層(InGaAs)を挿入し、その膜厚を変えることにより、QDの発光波長を精度良く制御することに成功した。これにより、全光フリップフロップ素子に要求される、離調度20nmの異なる吸収波長を持ったInAs-QDを近接する選択領域にモノリシックに成長させることに成功した。また、作製したQD埋め込み基板に、電子線リソグラフィーとドライエッチングによりフォトニック結晶導波路を形成し、我々が提案する全光フリップフロップ素子を実際に作製することに成功した。
一方、AFMプローブを用いたQDの位置制御成長技術(ナノジェットプローブ法)についても、H19年度では、QD作製のスループットの向上と積層化、さらにQDからの発光の観察に成功し、技術の向上を達成した。この技術は、我々が提案する超微細光素子作製への応用のみならず、QD単体の高精度な位置制御が求められる量子情報デバイスなどへの応用が期待され、今後さらに発展が見込める。
以上の成果から、本研究の目的である「QDの成長位置制御および高密度形成技術の確立」および「PC導波路内に最密配置、積層された超高密度QDを配した超小型全光素子の開発」は、当初の計画通り達成されたと言える。

研究成果

• [雑誌論文] Selective-area-growth of InAs-QDs with Different absorption wavelengths via developed metal mask/MBE method for integrated optical devices (2008)
  • 著者名/発表者名: N.OzakiY.Takata, S.Ohkouchi, Y.Sugimoto, N.Ikeda, K.Asakawa.
  • 雑誌名: Appl.Surf.Sci (In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selective growth of stacked InAs quantum dots by using the templates formed by the Nano-Jet Probe (2008)
  • 著者名/発表者名: S.Ohkouchi, Y.Sugimoto, N.Ozaki, H.Ishikawa, K.Asakawa
  • 雑誌名: Appl.Surf.Sci (In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical-Nonlinearity-Induced Phase Shift via Selective Area Grown InAs Quantum Dots in a Photonic Crystal Waveguide (2008)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Kitagawa, Nobuhiko Ozaki, Yoshiaki Takata, Naoki Ikeda, Shunsuke Ohkouchi, Yoshinori Watanabe, Yoshimasa Sugimoto and Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 47 ページ: 2893-2896
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ Metal Mask for Selective Area Growth of Thin Epitaxial Layers (2008)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Ohkouchi, Nobuhiko Ozaki, Yoshiaki Takata, Yoshinori Kitagawa, Yusui Nakamura, Naoki Ikeda, Yoshimasa Sugimoto and Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 47 ページ: 2987-2990
  • NAID: 10022548345
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-dimensional Systems and Nanostructures (2008)
  • 著者名/発表者名: S.Ohkouchi, Y.Sugimoto, N.Ozaki, H.Ishikawa and K.Asakawa
  • 雑誌名: Physica E 40 ページ: 1794-1796
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chapter 13 Area-selective and Site-controlled InAs Quantum-dot Growth Techniques for Photonic Crystal-based Ultra-small Integrated Circuit p.405-420 (2008)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Ozaki, Shunsuke Ohkouchi, Yoshimasa Sugimoto, Naoki Ikeda, Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: self-Assembled Quantum Dots, Lecture Notes in Nanoscale Sc
• [雑誌論文] High transmission recovery of slow light in a photonic crystal waveguide using a hetero group-velocity waveguide (2007)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Ozaki>, Yoshinori Kitagawa, Yoshiaki Takata, Naoki Ikeda, Yoshinori Watanabe, Akio Mizutani, Yoshimasa Sugimoto, and Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: Optics Express 15 ページ: 7974-7983
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topology optimization of waveguide bends with wide,flat bandwidth in air-bridge-type photonic crystal slabs (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Watanabe, Naoki Ikeda, Yoshimasa Sugimoto, Yosihaki Takata, Yoshinori Kitagawa, Akio Mizutani, Nobuhiko Ozaki, and Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 101 ページ: 1131081-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precise control of dry etching for nanometer scale air-hole arrays in two-dimensional GaAs/AlGaAs photonic crystal slabs (2007)
  • 著者名/発表者名: Naoki Ikeda, Yoshimasa Sugimoto, Yoshinori Watanabe, Nobuhiko Ozaki, Yoshiaki Takata, Kuon Inoue, Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: Optics Communications 275 ページ: 257-267
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selective area growth of InAs quantum dots with a Metal Mask towards optical integrated circuit devices (2007)
  • 著者名/発表者名: N.Ozaki, Y.Takata, S.Ohkouchi, Y.Sugimoto, Y.Nakamura, N.Ikeda, K.Asakawa
  • 雑誌名: J.Crystal Growth 301-302 ページ: 771-775
• [雑誌論文] Selective growth of InAs quantum dots using In nano-dot arrays formed by nano jet probe method (2007)
  • 著者名/発表者名: S.Ohkouchi, Y.Sugimoto, N.Ozaki, H.Ishikawa, K.Asakawa
  • 雑誌名: J.Crystal Growth 301-302 ページ: 726-730
• [雑誌論文] Selective-Area Growth of Self-Assembled InAs-QDs by Metal Mask Method for Optical Integrated Circuit Applications (2007)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Ozaki, Yoshiaki Takata, Shunsuke Ohkouchi, Yoshimasa Sugimoto, Naoki Ikeda, Yoshinori Watanabe, Yoshinori Kitagawa, Akio Mizutani, Kiyoshi Asakawa
  • 雑誌名: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 959
• [雑誌論文] Broadband waveguide intersection with low-crosstalk in two-dimensional photonic crystal circuits by using topology optimization (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Watanabe, Y.Sugimoto, N.Ikeda, N.Ozaki, A.Mizutani, Y.Takata, Y.Kitagawa, K.Asakawa
  • 雑誌名: Optics Express 14(20) ページ: 9502-9507
• [雑誌論文] Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device (2006)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Asakawa, Yoshimasa Sugimoto, Yoshinori Watanabe, Nobuhiko Ozaki, Akio Mizutani, Yoshiaki Takata, Yoshinori Kitagawa, Hiroshi Ishikawa, Naoki Ikeda, Koichi Awazu, Xiaomin Wang, Akira Watanabe, Shigeru Nakamura, Shunsuke Ohkouchi, Kuon Inoue, Martin Kristensen, Ole Sigmund, Peter Ingo Borel, Roel Baets
  • 雑誌名: New J.Phys. 8(9) ページ: 208-208
• [雑誌論文] Topology optimized photonic crystal waveguide intersections with high-transmittance and low crosstalk (2006)
  • 著者名/発表者名: N.Ikeda, Y.Sugimoto, Y.Watanabe, N.Ozaki, A.Mizutani, Y.Takata, J.S.Jensen, O.Sigmund, P.I.Borel, M.Kristensen, K.Asakawa
  • 雑誌名: Electronics Letters 42 ページ: 1031-1033
• [雑誌論文] Advaced growth techniques of InAs-system quantum dots for integrated nanophotonic circuits n press
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Asakawa, Nobuhiko Ozaki, Shunsuke Ohkouchi, Yoshimasa Sugimoto, Naoki Ikeda
  • 雑誌名: Handbook for Self-Assembled Semiconductor Nanostructures for Novel Devices in Photonic and Electronics, Elsevier
• [学会発表] Repetitive phase shifts of signal pulses induced by optical non-linearity in a photonic crystal waveguide with quantum dots (2008)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko, Ozaki, Yoshinori, Kitagawa, Yoshiaki, Takata, Naoki, Ikeda, Shunsuke, Ohkouchi, Yoshinori, Watanabe, Akio, Mizutani, Yoshimasa, Sugimoto and Kiyoshi, Asakawa
  • 学会等名: SPIE Photonic West OPTO 2008
  • 発表場所: San Jose, CA U.S.A
  • 年月日: 2008-01-21
• [学会発表] Slective growth of stacked InAs quantum dots by using the templates formed by the Nano-Jet Probe (2007)
  • 著者名/発表者名: S, Ohkouchi, Y, Sugimoto, N, Ozaki, H, Ishikawa and K, Asakawa
  • 学会等名: The 9th Int. Conf. Atomically Controlled Surfaces, Inter faces and Nanostructures(ACSIN-9)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2007-11-13
• [学会発表] Selective-area-growth of InAs-QDs with different absorption wavelengths via developed metal mask/MBE method for integrated optical devices (2007)
  • 著者名/発表者名: Y, Takata, N, Ozaki, S, Ohkouchi, Y, Sugimoto, N, Ikeda, Y, Watanabe, Y, Kitagawa, A, Mizutani and K, Asakawa
  • 学会等名: The 9th Int. Conf. Atomically Controlled Surfaces, Inter faces and Nanostructures(ACSIN-9)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2007-11-12
• [学会発表] Optical Flip-Flop Device Composed of Photonic Crystal Waveguide and Quantum Dots (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa, Sugimoto, Yoshinori, Watanabe, Nobuhiko, Ozaki, Akio, Mizutani, Yoshiaki, Takata, Yoshinori, Kitagawa, Naoki, Ikeda, Shunsuke, Ohkouchi, Shigeru, Nakamura, Akira, Watanabe, Kiyoshi, Asakawa
  • 学会等名: 13th Microoptics Conf.(MOC07)
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2007-10-31
• [学会発表] Measurements of Optical Non-linearity Induced Phase Shifts of a Signal Pulse with Repetitive Control Pulses in Photonic Crystal/Quantum Dot Waveguide (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori, Kitagawa, Nobuhiko, Ozaki, Yoshiaki, Takata, Naoki, Ikeda, Yoshinori, Watanabe, Akio, Mizutani, Yoshimasa, Sugimoto and Kiyoshi, Asakawa
  • 学会等名: The 20th Annual Lasers and Electro Optics Society Meeting(LEOS2007)
  • 発表場所: Lake Buena Vista, FL U.S.A
  • 年月日: 2007-10-24
• [学会発表] Monolithic Growth of InAs-QDs with Different Emission Wavelengths in Different Areas for Integrated Optical Devices (2007)
  • 著者名/発表者名: Y, Takata, N, Ozaki, S, Ohkouchi, Y, Sugimoto, N, Ikeda, Y, Watanabe, Y, Kitagawa, A, Mizutani and K, Asakawa
  • 学会等名: The 20th Annual Lasers and Electro Optics Society Meeting(LEOS2007)
  • 発表場所: Lake Buena Vista, FL U.S.A
  • 年月日: 2007-10-21
• [学会発表] Optical-Nonlinearity-Induced Phase Shift via Selective Area Grown InAs-QDs in a Photonic Crystal Waveguide (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori, Kitagawa, Nobuhiko, Ozaki, Yoshiaki, Takata, Naoki, Ikeda, Shunsuke, Ohkouchi, Yoshimasa, Sugimoto and Kiyoshi, Asakawa
  • 学会等名: Int. Conf. on Solid State Devices and Materials(SSDM2007)
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2007-09-19
• [学会発表] In situ Metal Mask for Selective Area Growth of Thin Epitaxial Layers (2007)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke, Ohkouchi, Nobuhiko, Ozaki, Yoshiaki, Takata, Yoshinori, Kitagawa, Yusui, Nakamura, Naoki, Ikeda, Yoshimasa, Sugimoto and Kiyoshi, Asakawa
  • 学会等名: Int. Conf. on Solid State Devices and Materials(SSDM2007)
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2007-09-19
• [学会発表] 選択領域に量子ドットを埋め込んだフオトニック結晶導波路での光非線形効果による位相変調 (2007)
  • 著者名/発表者名: 尾崎信彦・北川嘉則・高田賀章・池田直樹・渡辺慶規・水谷彰夫・大河内俊介・杉本喜正・浅川潔
  • 学会等名: 第68回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-08
• [学会発表] プオトニック結晶導波路内量子ドットにおける繰返し制御光による信号光の位相変調 (2007)
  • 著者名/発表者名: 北川嘉則・尾崎信彦・高田賀章・池田直樹・渡辺慶規・水谷彰夫・杉本喜正・浅川潔
  • 学会等名: 第68回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-08
• [学会発表] ナノジェットプローブ法により形成したInAs位置制御積層量子ドットからのPL発光 (2007)
  • 著者名/発表者名: 大河内俊介・杉本喜正・石川浩・浅川潔
  • 学会等名: 応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-06
• [学会発表] メタルマスク(MM)法によるInAs量子ドットの選択領域成長(m) 〜異なる場所に異なる吸収波長をもつQDの作製〜 (2007)
  • 著者名/発表者名: 高田賀章・尾崎信彦・大河内俊介・杉本喜正・池田直樹・北川嘉則・渡辺慶規・水谷彰夫・浅川潔
  • 学会等名: 第68回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-06
• [学会発表] InAs quantum dots grown on selective areas with a metal mask for photonic-crystal-based ultra-small and ultra-fast all optical devices (2007)
  • 著者名/発表者名: N, Ozaki, Y, Takata, S, Ohkouchi, Y, Sugimoto, N, Ikeda, Y, Watanabe, Y, Kitagawa, A, Mizutani and K, Asakawa
  • 学会等名: 19th Int. Conf. Indium Phosphide and Related Materials(IPRM07)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2007-05-17
• [学会発表] Selective formation of high density InAs quantum dot arrays using templates fabricated by the nano-jet probe (2007)
  • 著者名/発表者名: S, Ohkouchi, Y, Sugimoto, N, Ozaki, H, Ishikawa and K, Asakawa
  • 学会等名: 19th Int. Conf. Indium Phosphide and Related Materials(IPRM07)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2007-05-17
• [学会発表] Optical nonlinearity-induced phase shift in quantum dots-embedded photonic crystal waveguide measured by pump/probe analysis (2007)
  • 著者名/発表者名: N, Ozaki, Y, Kitagawa, Y, Takata, N, Ikeda, Y, Watanabe, A, Mizutani, Y, Sugimoto and K, Asakawa
  • 学会等名: Int. Symp. on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures(PECSVII)
  • 発表場所: Monterey, CA U.S.A
  • 年月日: 2007-04-10
• [学会発表] Selective-area-growth of InAs-QDs for PC-based all optical devices (2007)
  • 著者名/発表者名: Y, Takata, N, Ozaki, S, Ohkouchi, Y, Sugimoto, N, Ikeda, Y, Watanabe, Y, Kitagawa, A, Mizutani and K, Asakawa
  • 学会等名: Int. Symp. on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures(PECSVII)
  • 発表場所: Monterey, CA U.S.A
  • 年月日: 2007-04-10
• [学会発表] GaAs photonic crystal/InAs quantum dot-based all-optical flip-flop:PC-FF (2007)
  • 著者名/発表者名: K, Asakawa, Y, Sugimoto, Y, Watanabe, N, Ozaki, A, Mizutani, Y, Takata, Y, Kitagawa, N, Ikeda, X, Wang, A, Watanabe, S, Nakamura and S, Ohkouchi
  • 学会等名: Int. Symp. on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures(PECSVII)
  • 発表場所: Monterey, CA U.S.A
  • 年月日: 2007-04-09
• [学会発表] High-transmission recovery in slow-light-range in photonic crystal waveguide using hetero group-velocity waveguide (2007)
  • 著者名/発表者名: Y, Kitagawa, N, Ozaki, Y, Takata, N, Ikeda, Y, Watanabe, A, Mizutani, Y, Sugimoto, and K, Asakawa
  • 学会等名: Int. Symp. on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures(PECSVII)
  • 発表場所: Monterey, CA U.S.A
  • 年月日: 2007-04-09
• [産業財産権] 特許「微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法」 (2008)
  • 発明者名: 尾崎, 信彦・浅川, 潔・高田, 賀章・大河内, 俊介
  • 権利者名: 筑波大学、日本電気株式会社
  • 出願年月日: 2008-03-17
• [産業財産権] 特許「光制御素子及びその生産方法」 (2007)
  • 発明者名: 尾崎, 信彦・高田, 賀章・北川, 嘉則・浅川, 潔・Ferran, salleras・上野, 芳康
  • 権利者名: 筑波大学、電気通信大学
  • 出願年月日: 2007-11-30
• [産業財産権] 特許「微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法」 (2007)
  • 発明者名: 浅川, 潔・大河内, 俊介・尾崎, 信彦
  • 権利者名: 筑波大学、電気通信大学
  • 出願年月日: 2007-09-03