半導体フォトニック結晶スラブ導波路における光パルス伝搬と非線形光学現象の基礎研究

2006 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18360030
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 浅川 潔 筑波大学, 大学院数理物質科学研究科, 教授 (20375405)
• 研究分担者: 井上 久遠 千歳科学技術大学, 光科学部, 客員教授 (30021934) ; 杉本 喜正 産業技術総合研究所, 超高速光信号処理デバイス研究ラボ, 招聘研究員 (60415784)
• キーワード: フォトニック結晶導波路 / 非線形光学効果 / 光カー効果 / 自己位相変調 / 誘導ラマン散乱 / 超小型全光スイッチ / 超高速化 / 低エネルギー化

研究概要

近年注目のフォトニック結晶スラブ導波路(PC-WG)は、強い光閉じ込めや低群速度を利用した光非線形・群速度分散型超小型・超高速・超低エネルギー光デバイスに有望である。筆者らはこれまでGaAs系PC-WGに埋め込まれたInAs-QD(量子ドット)のキャリア実励起型光非線形効果を用いてSMZ(対称マッハ・ツェンダー)型全光スイッチで低エネルギー(100fJ級)・超高速(数10ps)動作をなす超小型光スイッチ(PC-SMZ)の実現に成功した。しかし、今後の高集積化を目指した一層の低エネルギー化を測るには、多光子過程による実励起を伴わない仮想励起の利用が有望である。この場合、光通信波長帯(1.55μm)では、AlGaAs化合物半導体が有望な材料となる。
本研究では、この様なキャリアの実励起の回避が可能な光カー効果に基づく自己および相互位相変調(SPMおよびCPM)、格子振動による誘導ラマン散乱(SRS)などの非線形光学現象を観測し、これらの利用による超低エネルギー動作が可能な光-光スイッチや光増幅素子実現のための基礎研究を行う。1年目(18年度)は、Al_<0.26>Ga_<0.74>As系エアブリッジ型線欠陥PC-WGを作製し、1.55μm帯における自己位相変調(SPM)の観測に成功した。即ち、格子定数:444nm、コア厚:260nm、全長:1mmのPC-WGに、パルス幅1.6ps、繰り返し周波数80MHzのレーザーを入射して透過光のスペクトル形状を観測し、入射パルス光の試料伝搬に伴うスペクトル幅の広がりにより2つのピークを持つスペクトル形状を確認した。このときの位相シフト量は、わずか1mmの試料で約1.3πであった(入力パワー:2.1W)。この結果はシミュレーションとも良く一致した。この結果は、今後の誘導ラマン散乱などの非線形光学効果の確認を経て、超高速光-光スイッチや光増幅器などの設計に資する。

研究成果

• [雑誌論文] Self-phase modulation in photonic-crystal-slab line-defect waveguides (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Oda, K.Inoue, Yu.Tanaka, N.Ikeda, Y.Sugimoto, H.Ishikawa, K.Asakawa
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. (submitted)
• [雑誌論文] Studies on key nona-favrication processes for GaAs-based air-bridge-type two-dimensional photonic-crystal slab waveguides (2007)
  • 著者名/発表者名: N.Ikeda, Y.Sugimoto, Y.Tanaka, K.Inoue, Y.Watanabe, K.Asakawa
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 22 ページ: 1-9
• [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] Observation of Raman scattering in GaAs photonic-crystal slab waveguides (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Oda, K.Inoue, N.Ikeda, Y.Sugimoto, K.Asakawa
  • 雑誌名: Optics Express 14 ページ: 6659-6667
• [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: K.Asakawa, Y.Sugimoto, Y.Watanabe, N.Ozaki, A.Mizutani, Y.Takata, Y.Kitagawa, H.Ishikawa, N.Ikeda, K.Awazu, X.Wang, A.Watanabe, S.Nakamura, S.Ohkouchi, K.Inoue, M.Kristensen, O.Sigmund, P.I.Borel, R.Baets
  • 雑誌名: New J. Phys 8 ページ: 1-26
• [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, J.S.Jensen, O.Sigmund, P.Borel, M.Kristensen, K.Asakawa
  • 雑誌名: Optics Express 14 ページ: 9502-9507