フォトニック結晶における輻射場と物質の相互作用

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10210201
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 井上 久遠 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30021934)
• 研究分担者: 川上 彰二郎 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (10006223) ; 浅川 潔 技術研究組合, フェムト秒テクノロジー研究機構, 主任研究員 ; 川俣 純 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (40214689)
• キーワード: フォトニック結晶 / フォトニックバンドギャップ / 輻射場の制御 / 半導体微細加工 / フォトニックバンド構造 / 非線形光学 / 群速度異常 / 光学応答

研究概要

1.開発済の鉛ガラスファイバーを配列して作製したエアホール型2次元フォトニック結晶試料を用いて、光第二高調波発生現象(SHG)で重要な位相整合条件が,新しい概念で容易に満たされる事実を世界で最初に実証した。すなわち、上記の試料のフォトニックバンド構造に影響を与えない程度に微量にエアホールに導入した微量の有機物の微結晶から発生するSHG強度を、励起するレーザー波長を変えて測定した。いくつかの波長でSHG強度が顕著に増大し、計算したバンド構造との比較から位相整合信号であること、並びに群速度の遅延効果による増強効果も関与していることがわかった。光のエネルギー―波長ベクトルの分散関係が特異であること、並びに逆格子ベクトルの大きさが光の波数程度であるためにウムクラップ過程が関与する事実のため、フォトニック結晶では位相整合条件が容易に満たされる事実、他の多くの非線形光学現象にも適用できる普遍性があるため、大きな成果である。
2.半導体微細加工技術を駆使して、AlGaAs光導波路をベースにした、種々のタイプの準3次元フォトニック結晶を作製した。Z軸方向の光を閉じ込めコア層とクラッド層の屈折率の違いを利用するものである。クラッド層の一部まで穴を貫通させる型と、エアブリッジ型との2種類で、共に入出力信号用の導波路がついた試料である。特に、2次元エアブリッジ型は事実上、世界最初に作製に成功した。
3.波長可変レーザーを光源に用いて透過率スペクトルを測定することにより、上記の格子定数、穴の列数などが異なる多くの試料の光学応答、およびバンド構造を解明した。その結果、フォトニックバンドギャップ、非結合モードなどの存在を明らかにした。特に、穴の列数が5および10の試料でもバンドギャップの減衰量が25、39dBと非常に大きく、また空気の占有率が0.30以下程度では第2バンドの透過率は十分に大きい事実などから、条件次第では輻射場の制御が十分可能であることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] N.Kawai, N.Ikeda, M.Abe, K.Asakawa, K.Inoue, et at.: "Two-Dimensional AlGaAs Photonic Band Gap Crystal Test Devices with Various Air-Rod Patterns"Abstracts of 6th International Workshop on Femtosecond Technology (Makuhari-Messe) (FESTA, Tsukuba, 1999). 212-212 (1999)
• [文献書誌] K.Inoue, N.Kawai, M.Sasada, N.Ikeda, et al.: "Characteristics of two-dimensional AlGaAs Photonic Crystals in a waveguide configuration for test devices"Technical Digest of the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (IEEE, New Jersey, 1999). vol.3. 563-564 (1999)
• [文献書誌] 迫田和彰、笹田道秀、川俣純、井上久遠: "フォトニック結晶の光学応用―群速度異常による増強効果―"日本物理学会誌. 50, 11. 893-896 (1999)
• [文献書誌] T.Aoki, M.Wada, J.W.Haus, Z.Yuan, K.Inoue, et al.: "The Photonic Dispersion Relation of the Pseudo-Simple-Cubic Lattice Revealed by The Time Domain Measurements"Rroc. of 7th IEEE Conference on Teraheltz Electronics (IEEE, Washington, 1999). Special Issue. 256-259 (1999)
• [文献書誌] Y.Miyashi, M.Wada, N.Kawai, K.Sakada, K.Inoue, et al.: "The Photonic Line Defect Modes in the Square Air-Rod Pseudo-Trinngular Lattice Revealed by Far-Infrared Measurements"Proc. of The IEEE Conference on Teraheltz Electronics (IEEE, Washington, 1999). Special Issue. 254-255 (1999)
• [文献書誌] 迫田和彰、井上久遠: "フォトニック結晶のレーザー動作"応用物理. 68・12. 1372-1375 (1999)
• [文献書誌] 井上久遠、河合紀子: "スラブ型半導体2次元フォトニック結晶の開発と光学特性"電子科学研究(北海道大学・電子科学研究所・紀要). 7, 1. 47-48 (1999)
• [文献書誌] M.Sasada, K.Inoue, N.Kawai, J.Kawamata: "Observation of Phase-Matched Second-Harmonic Generation from Organic Particles in a Two-Dimentional Photonic Crystal"Technical Digest of Int. Workshop on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (Organizer, 2000). W3-5 (2000)
• [文献書誌] N.Kwai, K.Inoue, N.Ikeda, N.Carlsson, K.Asakawa: "Transmittance Characteristics of Slab Type of Two-Dimensional AlGaAs Photonic Crystals with Stripe Waveguides"Technical Digest of Int. Workshop on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (Organizing Committee, 2000). W4-4 (2000)
• [文献書誌] N.Carlsson, N.Ikeda, K.Asakawa, N.Kawai, K.Inoue: "Design and nanofabrication of near-infrared 2D photonic crystal air-bridge structures"Technical Digest of Int. Workshop on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (Organizing Committee, 1900). W4-7 (2000)
• [文献書誌] S.Yamada, T.Katayama, K.Asakawa, K.Inoue: "Observation of propagation of light in finite size two-dementional photonic crystal"Technical Digest of Int. Workshop on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (Organizing Committee, 2000). W4-8 (2000)
• [文献書誌] M.Wada, Y.Miyoshi, J.W.Haus, K.Sakada, K.Inoue, et al.: "THz Spectroscopy of Photonic Band Structures"Technical Digest of Int. Workshop on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (Organizing Committee, 2000). W4-26 (2000)