集積量子フォトニックデバイスの研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15206009
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 栖原 敏明 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90116054)
• 研究分担者: SELVAN J. Senthil 大阪大学, 大学院・工学研究科, 日本学術振興会外国人特別研究員 ; 上向井 正裕 大阪大学, 大学院・工学研究科, 科学技術振興特任教員 ; 藤村 昌寿 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80263218)
• キーワード: 光集積回路 / 半導体レーザ / 非線形光学 / 量子光学デバイス / 光導波路 / 擬似位相整合 / 光子対発生 / スクイズド光

研究概要

本年度は量子光学機能の理論解析、および擬似位相整合(QPM)非線形光学導波路と集積半導体レーザの基本構造の作製技術確立と改善に重点を置いて研究を行い、以下の成果を得た。
1.QPM導波路における第2高調波発生(SHG)、和周波数発生(SFG)、パラメトリック蛍光(PF)、パラメトリック光増幅(OPA)、縮退パラメトリック増幅(DOPA)、差周波数発生(DFG)などの相互作用を量子論的に理論解析した。揺らぎ伝搬マトリクス法を拡張し、出力光の量子雑音や光子相関を計算し、量子光学機能実現の基礎特性を明らかにし、デバイス設計手法を確立した。
2.分布ブラッグ反射型(DBR)半導体レーザの量子光学特性解析を行った。量子揺らぎ項付加レート方程式解析により、量子雑音抑制の条件と、予想されるスクイジング量を明らかにし、半導体量子フォトニックデバイス設計のための基礎データを得た。
3.量子フォトニックデバイスのためのQPM導波路を設計・作製した。自動制御電圧パルス印加法によるQPM用周期的分極反転構造形成時の損傷抑圧や、埋込み型導波路やリッジ導波路採用による光波閉じ込め強化、MgOドープによる光損傷回避などの改善策について検討を行った。実際に埋込み型導波路を採用することにより1400%/Wの非常に高い規格化変換効率を達成した。
4.QPM導波路パラメトリック蛍光(PF)デバイスのプロトタイプを設計・作製した。同偏光および異偏光の光子対発生の基礎特性について実験的結果を得た。
5.量子機能実現の観点からInGaAs曲線DBRレーザの高性能化を行った。3次DBRを1次DBRに置き換えて反射率と波長選択性を高めるとともにリッジ構造改善により、低閾値(7.8mA)・高微分量子効率(80.2%)および高いサイドモード抑圧比(50dB以上)を達成でき、スクイズド光発生の兆候を観測できた。

研究成果

• [文献書誌] T.Suhara: "Quantum photonic devices : waveguide NLO devices and semiconductor lasers for generation of squeezed light and correlated twin photons (invited paper)"European Conf.Integrated Optics (ECIO'3) Prague, April 1-4. ThP1. 73-84 (2003)
• [文献書誌] D.Sato, T.Morita, T.Suhara, M.Fujimura: "Efficiency improvement by high-index cladding in LiNbO_3 waveguide quasi-phase-matched wavelength converter for optical communication"IEEE Photon.Tech.Lett.. 15・4. 569-571 (2003)
• [文献書誌] M.Fujimura, T.Sohmura, T.Suhara: "Fabrication of domain-inverted gratings in MgO:LiNbO_3 by applying voltage under ultraviolet irradiation through photomask at room temperature"Electron.Lett.. 39・9. 719-721 (2003)
• [文献書誌] 栖原敏明: "光通信用導波型非線形光学デバイス"レーザー研究. 31・4. 262-266 (2003)
• [文献書誌] T.Suhara, M.Uemukai, N.Shimada, A.Larsson: "Broad area and MOPA lasers with integrated grating components for beam-shaping and novel functions (Invited Paper)"Proc.SPIE. vol.4995. 10-21 (2003)
• [文献書誌] M.Uemukai, K.Kitano, N.Shimada, T.Suhara: "High-efficiency InGaAs/AlGaAs quntum well distributed Bragg reflector laser with curved grating"Microoptics Conference (MOC'03) Tokyo, Oct.29-31. M2. 398-401 (2003)
• [文献書誌] T.Suhara, M.Fujimura: "Waveguide Nonlinear-Optic Devices"Springer Verlag, Berlin. 321 (2003)