輻射場の制御のためのフォトニック結晶の開発

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10559001
• 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: 淺川 潔 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) ; 迫田 和彰 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (90250513) ; 片山 良史 筑波大学, 先端学際領域研究センター, 教授 (60302387)
• 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 / 光と物質の相互作用 / 光の伝播特性 / フォトニックバンド構造

研究概要

1.準3次元フォトニック結晶、すなわち、AlGaAs光導波路をベースにしてz方向に関してはコア層に対して屈折率の小さいクラッド層を用いて光を閉じ込める、種々のタイプのスラブ型結晶を開発した。フォトニック結晶の部分は、穴をz軸方向に垂直に、かつ下のクラッド層の一部まで貫通させて作り、入出力信号用の幅の狭いストライプ導波路がついた構造の試料である。この構造は、将来のコンパクトな光集積回路の開発を念頭においたもので世界でまだ研究例がない。格子定数が0.20-0.35μm,エアホールの占有率が0.18-0.50、光の透過方向の穴の列数が5-20の多くの試料を作製した。次に、上下のクラッド層をエッチング法で除去した構造の、2次元エアブリッジ型結晶の作製に世界で初めて成功した。上記のクッラド付構造に比べてz方向の閉じ込めがより完全と考えられるためである。
2.クッラド付準3次元結晶試料に関して、波長可変レーザーを用いて透過率スペクトルを詳細に調べた。得られたデータは、有効屈折率を仮定して、穴の長さが無限の場合で計算した2次元結晶のフォトニックバンド構造で解釈できることがわかった。その結果、フォトニックバンドギャップ、および非結合モードの存在を明らかにした。
3.準3次元スラブ型結晶の光学特性の正確な評価のために、波長可変フェムト秒、およびピコ秒光パルスを用いたタイムオブフライト測定装置を作製した。反射率、面外への放射モード損失などを定量的に正確に測定できる非常に優れた方法であることを実証した。
4.開発済の鉛ガラスファイバーで作製したキャピラリー型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明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] N. Kawai, N. Ikeda, M. Abe, K. Asakawa, K. Inoue, Y. Katayama: "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, K. Sakoda,N.Ikeda, K. Asakawa, 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答-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 THz Time Domain Measurements"Proc. Of 7th IEEE Conference on Teraheltz Electronics (IEEE, Washington, 1999). Special Issue. 256-259 (1999)
• [文献書誌] Y. Miyoshi, M. Wada, N. Kawai, K. Sakoda, K. Inoue et al.: "The Photonic Line Defect Modes in the Square Air-Rod Pseudo-Triangular Lattice Revealed by Far-Infrared Measurements"Proc. Of 7th IEEE Conference in Terahellz Electronics (IEEE, Washington, 1999). Special Issue. 253-255 (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] N. Kawai, K. Inoue, N. Ikeda, K. Asakawa, Y. Katayama: "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 (Organizer, 2000). W4-4 (2000)
• [文献書誌] N. Carlsson, N. Ikeda, K. Asakawa, K. Inoue, Y. Katayama, et al.: "Design and nanofabrication of near-infrared 2D photonic crystal air-bridge structures"Technical Digest of Int.Workshop Photonic and Electromagnetic Crystal Structures(Organizer,2000). W4-7 (2000)
• [文献書誌] S. Yamada, T. Katayama, K. Asakawa, K. Inoue, et al.: "Observation of propagation of light in finite size two-dimensional photonic crystals"Technical Digest of Int. Workshop on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (Organizer, 2000). W4-8 (2000)