シリコンフォトニック結晶ナノ共振器の性能向上と非線形光学効果の増強

• 研究課題/領域番号: 23686015
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 応用光学・量子光工学
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 高橋 和 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20512809)
• 研究協力者: 野田 進 京都大学, 工学研究科, 教授 (10208358) ; 浅野 卓 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30332729)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円); 2014年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2013年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2012年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2011年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
• キーワード: シリコンラマンレーザー / フォトニック結晶 / 高Q値ナノ共振器 / 顕微分光測定 / 微細加工 / 光通信 / シリコン / 微小共振器 / ラマン散乱 / 応用光学・量子光工学 / 半導体物性 / 光源技術 / 非線形光学

研究成果の概要

本研究課題では，第一に，次世代光デバイスとして期待されているシリコンフォトニック結晶ナノ共振器の重要な性能指数であるQ値を向上すること、共振波長のばらつきを低減することを目指し，第二に、ナノ共振器による非線形光学効果の増強を調べた．4年間におよぶ研究の結果，ナノ共振器のQ値を250万から900万まで向上して，共振波長のばらつきを1 nm強から0.2 nmまで低減することに成功した．さらに，この高Q値ナノ共振器を用いて，従来の1万分の1以下の閾値と素子サイズを持つ超低閾値，超小型シリコンラマンレーザーの開発に成功し，高Q値ナノ共振器における非線形効果の増強機構を明らかとした．

研究成果

• [雑誌論文] Raman shift and strain effect in high-Q photonic crystal silicon nanocavity (2015)
  • 著者名/発表者名: Daiki Yamashita, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, and Susumu Noda
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 23 号: 4 ページ: 3951-3959
  • DOI: 10.1364/oe.23.003951
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Microwatt threshold Raman silicon laser (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi and Susumu Noda
  • 雑誌名: IEEE Photonics Journal 巻: 6 号: 2 ページ: 0700105-0700105
  • DOI: 10.1109/jphot.2014.2310218
  • NAID: 40020722907
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超低閾値ラマンシリコンレーザー (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 6月号 ページ: 448-451
  • NAID: 40020194678
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超低閾値ラマンシリコンレーザー (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 8月号 ページ: 11-18
  • NAID: 40020194678
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 高Q値フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超小型ラマンシリコンレーザの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和、野田進
  • 雑誌名: レーザ加工学会誌 巻: Vol.21 No.2 ページ: 61-64
  • NAID: 40020209132
• [雑誌論文] Photonic Crystal Nanocavity with a Q-Factor of ~9 million (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sekoguchi, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, and Susumu Noda
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 22 号: 1 ページ: 916-924
  • DOI: 10.1364/oe.22.000916
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultra compact 32-channel drop filter with 100 GHz spacing (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Daiki Yamashita, and Susumu Noda
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 22 号: 4 ページ: 4692-4698
  • DOI: 10.1364/oe.22.004692
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] フォトニック結晶ナノ共振器ラマンシリコンレーザー (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和、乾善貴、浅野卓、野田進
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: Vol.42 No.3 ページ: 250-255
  • NAID: 130007897567
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] シリコンフォトニック結晶による光励起ラマンレーザー発振 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 雑誌名: 応用物理 巻: Vol.83 No.6 ページ: 448-451
  • NAID: 130007718610
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A micrometre-sized Raman silicon laser with microwatt threshold (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Ryo Terawaki, and Susumu Noda
  • 雑誌名: Nature 巻: - 号: 7455 ページ: 470-474
  • DOI: 10.1038/nature12237
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Q resonant modes in the photonic crystal heterostructure nanocavity and applicability to a Raman Silicon laser (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Masahiro Chihara, Ryo Terawaki, Takashi Asano, and Susumu Noda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 号: 23 ページ: 235313-235313
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.235313
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 極微小・超低閾値ラマンシリコンレーザー (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
  • 雑誌名: 月刊オプトロニクス 巻: 381 ページ: 93-97
• [雑誌論文] Ultrahigh-Q photonic crystal nanocavities in wide optical telecommunication bands (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Terawaki, Y. Takahashi, M. Chihara, Y. Inui, and S. Noda
  • 雑誌名: Optics Express 巻: vol. 20 号: 20 ページ: 22743-22752
  • DOI: 10.1364/oe.20.022743
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strong coupling between distant photonic nanocavities and its dynamic control (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Sato, Yoshinori Tanaka, Jeremy Upham, Yasushi Takahashi
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 6 号: 1 ページ: 56-61
  • DOI: 10.1038/nphoton.2011.286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Statistical studies of photonic heterostructure nanocavities with an average Q factor of three million (2011)
  • 著者名/発表者名: Yuki Taguchi, Yasushi Takahashi, Yoshiya Sato, Takashi Asano, Susumu Noda
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 19 ページ: 11916-11921
  • 査読あり
• [雑誌論文] フォトニック結晶ナノ共振器のQ値増大と波長制御 (2011)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 雑誌名: 機能材料5月号、シーエムシー出版 巻: 5月号 ページ: 19-25
• [雑誌論文] First Observation of Raman Scattering Emission from Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities (2011)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Ryo Terawaki, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Susumu Noda
  • 雑誌名: CLEO/QELS 2011 technical digest 巻: (CD-ROM)
  • 査読あり
• [学会発表] Microwatt-threshold Raman silicon laser using photonic crystal high-Q nanocavity (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Susumu Noda
  • 学会等名: Photonics West 2015
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2015-02-10
  • 招待講演
• [学会発表] フォトニック結晶デバイスの現状と将来性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: Siフォトニック・微小光学セミナー
  • 発表場所: 科学技術館（東京都千代田区）
  • 年月日: 2014-11-20
  • 招待講演
• [学会発表] Raman silicon laser using photonic crystal nanocavity (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi
  • 学会等名: Photonics Asia 2014
  • 発表場所: Beiging, China
  • 年月日: 2014-10-10
  • 招待講演
• [学会発表] 高Q値ナノ共振器を用いた超低閾値シリコンラマンレーザの特性評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山下大喜，高橋和，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 2014年秋季応用物理学会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-18
• [学会発表] 高Q値微小共振器による誘導ラマン散乱の増強 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: 2014年春季日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス
  • 年月日: 2014-03-27
  • 招待講演
• [学会発表] 高Q値シリコンナノ共振器のラマンシフトの高精度測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山下大喜，高橋和，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 2014年春季応用物理学会
  • 発表場所: 青山学院大学
  • 年月日: 2014-03-17
• [学会発表] フォトニックヘテロ構造ナノ共振器・導波路間結合の解析的理論の検討 (2014)
  • 著者名/発表者名: 乾善貴，高橋和，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 2014年度春季応用物理学会
  • 発表場所: 青山学院大学
  • 年月日: 2014-03-17
• [学会発表] フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超低閾値ラマンシリコンレーザー (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋和、野田進
  • 学会等名: レーザー学会
  • 発表場所: 北九州国際会議場
  • 年月日: 2014-01-20
  • 招待講演
• [学会発表] 高Q値ナノ共振器を用いた極低閾値ラマンシリコンレーザー (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋和，乾善貴，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 2013年秋季物理学会
  • 発表場所: 徳島大学
  • 年月日: 2013-09-28
• [学会発表] ナノ共振器ラマンSiレーザにおける励起光共振モードのQ値に関する考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 乾善貴，高橋和，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 2013年秋季応用物理学会
  • 発表場所: 同志社大学
  • 年月日: 2013-09-18
• [学会発表] Ultralow-threshold Continuous-wave Raman Silicon Laser Using a Photonic Crystal High-Q Nanocavity (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2013-06-13
• [学会発表] Q値ナノ共振器を用いた超低閾値シリコンラマンレーザ発振 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋 和
  • 学会等名: 第10回光科学若手研究会
  • 発表場所: 京都大学 宇治
  • 年月日: 2013-05-11
  • 招待講演
• [学会発表] Ultralow threshold continuous wave Raman silicon laser using a photonic crystal high-Q nanocavity (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Takashi Asano, and Susumu Noda
  • 学会等名: CLEO2013
  • 発表場所: San Jose, USA
• [学会発表] Enhanced Raman Scattering in Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi
  • 学会等名: The First NanoSquare
  • 発表場所: Osaka Prefectural University
• [学会発表] 高Q値ヘテロ構造ナノ共振器のQ値決定要因に関する考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 瀬古口洋，高橋和，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川工科大学
• [学会発表] 高Q値ナノ共振器を用いた超低閾値シリコンラマンレーザ発振 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋和，乾善貴，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川工科大学
• [学会発表] フォトニック結晶ナノ共振器シリコンラマンレーザーの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: nano tech 2013
  • 発表場所: 東京ビッグサイト
• [学会発表] 高Q値シリコン光ナノ共振器を用いたラマン光増幅素子の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋和，乾善貴，浅野卓，野田進
  • 学会等名: 電子情報通信学会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] シリコンフォトニック結晶における低温高密度励起状態の発光分光測定 (2012)
  • 著者名/発表者名: 井原章之, 高橋和, 坂下健郎, 野田進, 金光義彦
  • 学会等名: 2012年春季日本物理学会
  • 発表場所: 関西学院大学
  • 年月日: 2012-03-27
• [学会発表] 漏れモード解析によるマルチヘテロステップ共振器のQ値増大の検討 (2012)
  • 著者名/発表者名: 瀬古口洋、高橋和、中村達也、田中良典、浅野卓、野田進
  • 学会等名: 2012年春季応用物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2012-03-15
• [学会発表] 高Q値シリコンフォトニック結晶光ナノ共振器における誘導ラマン散乱の増強 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: 第6回DYCEシンポジウム
  • 発表場所: 京都大学-宇治キャンパス
  • 年月日: 2012-01-06
• [学会発表] Enhanced Raman Scattering in Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi
  • 学会等名: OPU-KIST-ECUST Joint Symposium
  • 発表場所: Osaka Prefectural University
  • 招待講演
• [学会発表] Silicon Photonic Devices Using Photonic Crystal High-Q Cavities (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi
  • 学会等名: The 6th NanoSquare Workshop
  • 発表場所: Osaka Prefectural University
• [学会発表] Enhanced Raman Scattering in Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities (2012)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi
  • 学会等名: DYCE International Workshop
  • 発表場所: Kussharo, Hokkaido, Japan
• [学会発表] Siフォトニック結晶ナノ共振器における 共振モード間ラマン散乱の結晶方位依存性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 乾 善貴，高橋 和，浅野 卓，野田 進
  • 学会等名: 第7回 DYCE シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学 浅野キャンパス
• [学会発表] 高Q値シリコンフォトニック結晶光ナノ共振器における誘導ラマン散乱の増強 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: 第7回 DYCE シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学 浅野キャンパス
• [学会発表] フォトニック結晶ナノ共振器シリコンラマンレーザーの開発 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: さきがけ「革新的次世代デバイスを目指す材料とプロセス」2012年度成果報告会
  • 発表場所: 秋葉原
• [学会発表] [100] 方位に作製した高Q値シリコンナノ共振器からのラマン散乱 (2012)
  • 著者名/発表者名: 高橋 和，乾 善貴，千原 賢大，浅野 卓，野田 進
  • 学会等名: 2012年秋季 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
• [学会発表] ナノ共振器シリコンラマンレーザの特性に結晶方位が与える影響 (2012)
  • 著者名/発表者名: 乾 善貴，高橋 和，田中 良典，浅野 卓，野田 進
  • 学会等名: 2012年秋季 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
• [学会発表] シリコンフォトニック結晶における高密度励起状態の発光ダイナミクス (2012)
  • 著者名/発表者名: 井原 章之，高橋 和，野田 進，金光義彦
  • 学会等名: 2012年秋季 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
• [学会発表] 光子寿命5 ナノ秒を持つ高Q 値ヘテロ構造ナノ共振器 (2012)
  • 著者名/発表者名: 瀬古口 洋、高橋 和、浅野 卓、野田 進
  • 学会等名: 2012年秋季 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
• [学会発表] Enhanced Raman Scattering from Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavity (2011)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Chihara, Yasushi Takahashi, Ryo Terawaki, Yoshitaka Inui, Takashi Asano, Susumu Noda
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanostructures and Nano-Devices
  • 発表場所: Hawai, USA
  • 年月日: 2011-12-06
• [学会発表] Extension of the operating wavelength range of high-Q photonic crystal heterostructure nanocavities (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryo Terawaki, Yasushi Takahashi, Masahiro Chihara, Susumu Noda
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanostructures and Nano-Devices
  • 発表場所: Hawai, USA
  • 年月日: 2011-12-06
• [学会発表] Raman Scattering Emission from Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities (2011)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Takahashi, Ryo Terawaki, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Yoshitaka Inui, Susumu Noda
  • 学会等名: The 11th Tamura Memorial Symposium
  • 発表場所: Osaka Prefecture Univ.
  • 年月日: 2011-12-03
• [学会発表] フォトニック結晶ナノ共振器の高Q値化の設計指針(2) (2011)
  • 著者名/発表者名: 中村達也、高橋和、小嶋一信、浅野卓、野田進
  • 学会等名: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 2011-08-31
• [学会発表] ヘテロ構造ナノ共振器の高エネルギーモードからのラマン散乱スペクトル(2) (2011)
  • 著者名/発表者名: 千原賢大、高橋和、浅野卓、野田進
  • 学会等名: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 2011-08-31
• [学会発表] 高Q値ヘテロ構造ナノ共振器を用いたラマンレーザ構造の作製 (2011)
  • 著者名/発表者名: 寺脇了、千原賢大、高橋和、野田進
  • 学会等名: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 2011-08-31
• [学会発表] 高Q値シリコン光ナノ共振器からのラマン散乱光測定(2) (2011)
  • 著者名/発表者名: 高橋和、浅野卓、野田進
  • 学会等名: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 2011-08-31
• [学会発表] 高Q値フォトニック結晶微小共振器による増強ラマン散乱 (2011)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: 第1回光科学異分野横断萌芽研究会
  • 発表場所: かんぽの宿-奈良
  • 年月日: 2011-08-11
• [学会発表] 高Q値シリコンフォトニック結晶光ナノ共振器における誘導ラマン散乱の増強 (2011)
  • 著者名/発表者名: 高橋和
  • 学会等名: 第5回DYCEシンポジウム
  • 発表場所: 京都大学-宇治キャンパス
  • 年月日: 2011-06-14
• [学会発表] フォトニック結晶高Q値ナノ共振器の高エネルギーモードに関する研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 千原賢大, 高橋和
  • 学会等名: 第5回DYCEシンポジウム
  • 発表場所: 京都大学-宇治キャンパス
  • 年月日: 2011-06-14
• [備考] 大阪府立大学 電子物理工学科 電子物理工学分野
  • URL: http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/research_detail/group10
• [備考] 大阪府立大学 高橋研究室
  • URL: http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/pe9/index.html
• [備考] 大阪府立大学 電子物理学科 電子物理工学分野
  • URL: http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/research_detail/group10
• [備考] ＪＳＴからのプレスリリース
  • URL: http://www.jst.go.jp/pr/announce/20130627/index.html
• [備考] ネイチャー誌のNEWS & VIEWS
  • URL: http://www.nature.com/nature/journal/v498/n7455/full/498447a.html
• [備考] 大阪府立大学 ナノ科学材料研究センター
  • URL: http://www.nanosq.21c.osakafu-u.ac.jp/topics/paper/2013/06_27.html
• [備考] 高橋和研究室ホームページ
  • URL: http://www.nanosq.21c.osakafu-u.ac.jp/ttsl_lab/y_takahashi/index.html
• [備考] 地域の大学からナノ科学・材料人材育成拠点WEBサイト
  • URL: http://www.nanosq.21c.osakafu-u.ac.jp/
• [備考]
  • URL: http://www.nanosq.21c.osakafu-u.ac.jp/ttsl_lab/y_takahashi/index.html
• [産業財産権] ラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法 (2014)
  • 発明者名: 高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
  • 権利者名: 高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2014-07-01
  • 外国
• [産業財産権] ラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法ならびに、ラマン散乱光増強デバイスを用いたラマンレーザー光源 (2012)
  • 発明者名: 高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
  • 権利者名: 高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2012-08-24
  • 取得年月日: 2013-11-01
• [産業財産権] ラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法 (2012)
  • 発明者名: 高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
  • 権利者名: 科学技術振興機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2012-08-24
  • 外国