| 研究課題/領域番号 |
18J22986
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
坂田 諒一 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| キーワード | フォトニック結晶 / 半導体レーザー / 変調フォトニック結晶レーザー / ビーム走査 / LiDAR |
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| 研究実績の概要 |
近年、自動車や自動運転への関心が特に高まっている。この自動運転の実現のためにはLiDARと呼ばれる、レーザービームをスキャンすることで障害物を認識するシステムが必要不可欠である。従来のビームスキャンの方式の多くは機械を用いているが、動作速度や耐久性、安定性、デバイスの大きさなどの観点から課題が ある。近年、そのような観点から、機械を用いずにビームをスキャンする様々な方式が研究されている。その一つであるフェーズドアレイを例に取ると、波長可変レーザーを外部光源として必要とし、また温度を変調して出射方向を変化させるが、これらに起因して動作速度や耐久性、安定性、デバイスの大きさなどに課題がある。本研究では、これらの課題を一挙に解決できる可能性を秘めた手法として、変調フォトニック結晶レーザーに注目する。フォトニック結晶レーザーは、半導体 レーザーの内部にフォトニック結晶という、100nm程度の空孔を波長以下の間隔で周期的に並べたナノ構造を形成し、これをレーザー共振器として利用する面発光型のレーザーである。さらに、空孔の構造に変調を加えた設計をすることで、変調フォトニック結晶レーザーでは任意の斜め方向にビームを出射できる。単体のレーザーはおよそ100μm角など、かなり小型であるため、様々な向きに出射するレーザーを集積化し順番に駆動することで、ビームが走査できる。本デバイスによって、小型で安定な、回路駆動による高速なビームの走査の実現が期待される。本年度はまず、前年度に提案した複合変調フォトニック結晶についての理解を深化させ、構造の最適化を行うことで、高出力かつ高ビーム品質な動作を実現した。さらに、回路駆動によるビーム走査の実現に向け、レーザーのマトリックス状アレイ構造を提案した。本構造を用いることで、様々な方向へ出射するレーザーのアレイ化に成功し、ビーム走査の初期的な実証にも成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度はまず、複合変調フォトニック結晶の理解の深化および最適な構造の探索を行った。3次元結合波理論を用いた数値計算、新たな試作デバイスの作製および評価、より詳細な理論検討を実施することによって最適な構造の探索を行った。特に、理論検討においては、複合変調フォトニック結晶のレーザー特性が統一的に理解可能なアンテナアレイ理論の構築を行った。アンテナアレイ理論においては、各空孔を電界を跳ね上げるアンテナとみなすことで、遠方場における電界強度およびその方向が導出可能である。本理論によって、従来の3次元結合波理論においては難しかった、複合変調フォトニック結晶の見通しの良い理解が可能となった。また、構造の最適化によって、パルス駆動において0.7W程度の、高出力かつ高ビーム品質な動作をも実現した。
さらに、複合変調フォトニック結晶によるビーム走査を実現するために、レーザーのアレイ化の検討を行った。レーザーを密に集積するために、新たにマトリックス状のアレイ構造を提案した。まず、隣接するレーザー同士で引き込み現象などが起こらないようにすることを目的として、分離溝の構造を導入した。これによって各レーザーは電気的に分離され独立に駆動することができる。また、p側およびn側の電極がレーザー光を阻害しないように、メサ構造を活用することで、両電極を裏面に集約する構造を導入した。本構造に複合変調フォトニック結晶レーザーを導入することで、狙い通り、ビームを阻害することなく、各レーザーの独立な駆動に成功した。さらに、10×10のアレイデバイスにおいて、回路駆動によるビーム走査に成功した。以上の研究により、当初の予定を上回る成果を得ることができたため、当初の計画以上に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度の研究において、複合変調フォトニック結晶についての理解を深化させ、高出力かつ高ビーム品質な動作を実現した。さらに、マトリックス状アレイ構造に複合変調フォトニック結晶レーザーを集積することで、ビーム走査の初期的な実証にも成功した。今後はアレイ化したレーザーの特性の詳細な評価、および応用を見据えた、アレイデバイスを用いたセンシング応用の検討の2点を中心として研究を推進する。
まず、アレイ化した複合変調フォトニック結晶レーザーの特性の詳細な評価について説明する。アレイデバイスの作製に成功したが、1つずつのレーザーの特性についての詳細な評価を行う必要がある。100個のレーザー全てのI-L特性や遠視野像などを評価することで、設計通りの角度への出射が得られているのか、(ナノアンテナ理論によると出射角度に依存せず出力が一定となるはずであるが)出射角度によって出力(スロープ効率)がどの程度変化するのかなどの解析が可能となる。また、100個のレーザーを評価することで、作製における精度を含んだバラつきを評価することをも可能となる。
次に、アレイデバイスを用いたセンシング応用の検討について説明する。変調フォトニック結晶レーザーによるビーム走査において期待される応用の一つにLiDARなどのセンシングが考えられる。本ビーム走査デバイスの特徴としては、機械駆動を用いず回路駆動によってビームをスイッチングするため、オンデマンドに、任意の順番にレーザーを駆動することが可能である。このような特徴を生かしたセンシング応用の可能性について、今後検討を行う。
これらの研究においてうまく成果が得られれば、ワンチップで、高出力・高ビーム品質で高速な2次元ビーム走査デバイスという当初の目的に加えて、本デバイスを活用したセンシングシステムの提案や実証をも期待される。
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